В помощь домашнему мастеруВ помощь домашнему мастеру

ЧТО ЗНАЕТЕ ХОРОШЕГО, ТОГО НЕ ЗАБЫВАЙТЕ, ЧЕГО НЕ ЗНАЕТЕ, ТОМУ УЧИТЕСЬ...

Поиск
Текст поиска*
Введите текст для поиска

Емкостные датчики

Емкостные датчики реагируют на самые различные вещества — твердые и жидкие, металлы и диэлектрики. Их используют, например, для бесконтактного контроля заполнения резервуаров жидкостями и сыпучими материалами, позиционирования и счета различных предметов, охраны объектов. В предлагаемой статье рассказано о принципе действия бесконтактных датчиков, приведены схемы, пригодные для практического применения.

Выпускаемые многими отечественными и зарубежными фирмами бесконтактные емкостные датчики действуют по "конденсаторному" принципу, реагируя на вызванное появлением в чувствительной зоне постороннего объекта изменение относительной диэлектрической проницаемости окружающей среды. Типовой датчик с диаметром чувствительной поверхности 60 мм фиксирует на расстоянии 40 мм "стандартную цель".

Чувствительный элемент бесконтактного емкостного датчика представляет собой конденсатор с обкладками, развернутыми в одну плоскость. В зависимости от наличия или отсутствия постороннего предмета изменяется средняя диэлектрическая проницаемость окружающей

обкладки среды и, следовательно, емкость конденсатора. Последний служит частотозадающим элементом автогенератора.

 

Имеющееся в датчике пороговое устройство следит за амплитудой или частотой колебаний, при их изменении приводя в действие исполнительный узел. Во многих емкостных датчиках частоту генератора выбирают равной нескольким мегагерцам. Генераторы строят на дискретных транзисторах, число которых достигает пяти. Однако достаточно чувствительный к изменению емкости генератор, работающий на частотах в сотни килогерц, можно построить и всего на одном ОУ среднего класса.

Остается добиться, чтобы генератор работал при наличии в чувствительной зоне постороннего предмета, а при его удалении (что эквивалентно уменьшению емкости конденсатора) — уже нет. Такой режим имеет определенные преимущества перед известными, когда генератор работает непрерывно, либо только в отсутствие постороннего предмета.

Чувствительный элемент датчика может быть изготовлен из одностороннего фольгированного изоляционного материала, на котором оставлены два прямоугольных участка фольги размерами 70x50 мм, примыкающие друг к другу короткими сторонами с зазором 2 мм. Емкость образованного таким образом "развернутого конденсатора" — приблизительно 5 пФ. Длина проводов, соединяющих обкладки конденсатора с генератором, должна быть минимальной, не более 50 мм.


Практическая схема генератора на одном из двух ОУ микросхемы КР157УД2 показана на рис. 1. Так как микросхема питается от одного источника, с помощью резистивного делителя R3R4 на неинвертирующий вход ОУ подано смещение, равное половине напряжения питания. Частотозадающая цепь образована резистором R2 и емкостью чувствительного элемента Е1. Резистор R1 служит для защиты входа ОУ от помех и наводок, способных вывести ОУ из строя.

 

Ёмкостный датчик-вариант 1

Рис. 1


Следует отметить важную роль конденсатора С1, корректирующего АЧХ ОУ. От емкости этого конденсатора зависит "рабочая точка" генератора на склоне АЧХ. Были проверены два варианта: С1=12 пФ, R5=180 кОм (частота 200 кГц) и С1=6,8. пФ, R5=1 МОм (частота 500 кГц). В обоих случаях, подстраивая резистор R2, удавалось добиться, что генератор возбуждался при приближении к чувствительному элементу постороннего предмета. Настройку желательно производить с помощью длинной отвертки из изоляционного материала.
Во время испытаний датчик "чувствовал" человеческую руку или резервуар с водой на расстоянии в несколько сантиметров. На меньшем расстоянии удавалось обнаружить деревянный брусок, пустую стеклянную банку и даже ученический ластик.
 
На рис. 2 изображена схема бесконтактного емкостного датчика на микросхеме КР157ДА1. В отличие от ранее рассмотренной (см. рис. 1), в генераторе датчика не потребовалась дополнительная ОС, так как собственная полоса пропускания ОУ DA1.1 достаточно узка. Однако, чтобы добиться надежной работы, пришлось ввести цепь R6C1. Резистор R1 — защитный. Частота колебаний генератора на ОУ DA1.1 — 20 кГц при R5=10 кОм и 80 кГц при R5=100 кОм. В отсутствие объекта в чувствительной зоне генератор не работает, светодиод HL1 не светится. Последнее делает устройство более экономичным.

Ёмкостный датчик-вариант 2 
Рис. 2


Со второго выхода детектора DA1.2, нагрузкой которого служит цепь R7C2, сигнал поступает на вход порогового устройства — ОУ DA1.3. На его выходе (выводе 7 микросхемы DA1) при срабатывании датчика низкий уровень напряжения сменяется высоким. Генераторы емкостных датчиков, в том числе рассматриваемого, в отсутствие внешнего объекта иногда выдают кратковременные "вспышки" колебаний, следующие с частотой 100 Гц. Вероятно, это результат воздействия сетевых наводок. Скважность "вспышек" достаточно высока, и инерционная цепь R7C2 ослабляет их, не позволяя достичь уровня срабатывания DA1.3.


Как показала проверка, указанные ранее размеры чувствительного элемента Е1 можно уменьшить до
30x6 мм. Чувствительность датчика остаётся вполне удовлетворительной. Размеры чувствительной зоны удалось увеличить, раздвинув обкладки конденсатора в стороны или вовсе удалив ту из них, которая соединена с общим проводом. В последнем случае роль удаленной обкладки переходит к самому общему проводу и соединенным с ним элементам. После соответствующей настройки подстроечным резистором R5 генератор возбуждался при приближении к оставшейся обкладке руки на расстояние 100 мм или деревянного бруска — на 30 мм. Однако амплитуда "вспышек" частотой 100 Гц заметно возросла.

 

Читайте ещё:

  1. Расчет тороидальных трансформаторов
  2. Эквивалент нагрузки
  3. Емкостный датчик уровня
  4. Лабораторный блок питания
  5. Электронный комнатный термометр

<<<Назад