Емкостной датчик: принцип работы, разновидности, схема

Емкостной датчик – это один из типов бесконтактных датчиков, принцип работы которого основан на изменении диэлектрической проницаемости среды между двух обкладок конденсатора. Одной обкладкой служит сенсорный датчик схемы в виде металлической пластины или провода, а второй – электропроводящее вещество, например, металл, вода или тело человека.

При разработке системы автоматического включения подачи воды в унитаз для биде возникла необходимость применения емкостного датчика присутствия и выключателя, обладающих высокой надежностью, устойчивостью к изменению внешней температуры, влажности, пыли и питающему напряжению.

Хотелось также исключить необходимость прикосновения человека с органами управления системы. Предъявляемые требования могли обеспечить только схемы сенсорных датчиков, работающих на принципе изменения емкости.

Готовой схемы удовлетворяющей необходимым требованиям не нашел, пришлось разработать самостоятельно.

Получился универсальный емкостной сенсорный датчик, который не требует настройки и реагирует на приближающиеся электропроводящие предметы, в том числе и человека, на расстояние до 5 см. Область применения предлагаемого сенсорного датчика не ограничена. Его можно применять, например, для включения освещения, систем охранной сигнализации, определения уровня воды и в многих других случаях.

Электрические принципиальные схемы

Для управления подачей воды в биде унитаза понадобилось два емкостных сенсорных датчика. Один датчик нужно было установить непосредственно на унитазе, он должен был выдавать сигнал логического нуля при присутствии человека, а при отсутствии сигнал логической единицы. Второй должен был служить включателем воды и находиться в одном из двух логических состояний.

При поднесении к сенсору руки датчик должен был менять логическое состояние на выходе – из исходного единичного состояния переходить в состояние логического нуля, при повторном прикосновении руки из нулевого состояния переходить в состояние логической единицы. И так до бесконечности, пока на сенсорный включатель поступает разрешающий сигнал логического нуля с датчика присутствия.

Схема емкостного сенсорного датчика

Основой схемы емкостного сенсорного датчика присутствия является задающий генератор прямоугольных импульсов, выполненный по классической схеме на двух логических элементах микросхемы D1.1 и D1.2.

Частота генератора определяется номиналами элементов R1 и C1 и выбрана около 50 кГц. Значение частоты на работу емкостного датчика практически не влияет.

Я менял частоту от 20 до 200 кГц и влияния на работу устройства визуально не заметил.

С 4 вывода микросхемы D1.2 сигнал прямоугольной формы через резистор R2 поступает на входы 8, 9 микросхемы D1.3 и через переменный резистор R3 на входы 12,13 D1.4. На вход микросхемы D1.

3 сигнал поступает с небольшим изменением наклона фронта импульсов из-за установленного датчика, представляющего собой кусок провода или металлическую пластину. На входе D1.4, из за конденсатора С2, фронт изменяется на время, необходимое для его перезаряда.

Благодаря наличию подстроечного резистора R3, есть возможность фронты импульса на входе D1.4, выставить равным фронту импульса на входе D1.3.

Если приблизить к антенне (сенсорному датчику) руку или металлический предмет, то емкость на входе микросхемы DD1.3 увеличится и фронт поступающего импульса задержатся во времени, относительно фронта импульса, поступающего на вход DD1.4. чтобы «уловить» эту задержку про инвертированные импульсы подаются на микросхему DD2.

1, представляющую собой D триггер, работающий следующим образом. По положительному фронту импульса, поступающего на вход микросхемы C, на выход триггера передается сигнал, который в тот момент был на входе D. Следовательно, если сигнал на входе D не изменяется, поступающие импульсы на счетный вход C не оказывают влияния на уровень выходного сигнала.

Это свойство D триггера и позволило сделать простой емкостной сенсорный датчик.

Когда емкость антенны, из за приближения к ней тела человека, на входе DD1.3 увеличивается, импульс задерживается и это фиксирует D триггер, изменяя свое выходное состояние. Светодиод HL1 служит для индикации наличия питающего напряжения, а HL2 для индикации приближения к сенсорному датчику.

Схема сенсорного включателя

Схему емкостного сенсорного датчика можно использовать и для работы сенсорного включателя, но с небольшой доработкой, так как ему необходимо не только реагировать на приближение тела человека, но и оставаться в установившемся состоянии после удаления руки. Для решения этой задачи пришлось к выходу сенсорного датчика добавить еще один D триггер, DD2.2, включенный по схеме делителя на два.

Схема емкостного датчика была немного доработана.

Для исключения ложных срабатываний, так как человек может подносить и удалять руку медленно, из-за наличия помех датчик может выдавать на счетный вход D триггера несколько импульсов, нарушая необходимый алгоритм работы включателя. Поэтому была добавлена RC цепочка из элементов R4 и C5, которая на небольшое время блокировала возможность переключение D триггера.

Триггер DD2.2 работает так же, как и DD2.1, но сигнал на вход D подается не с других элементов, а с инверсного выхода DD2.2. В результате по положительному фронту импульса, приходящего на вход С сигнал на входе D изменяется на противоположный.

Например, если в исходном состоянии на выводе 13 был логический ноль, то поднеся руку к сенсору один раз, триггер переключится и на выводе 13 установится логическая единица.

При следующем воздействии на сенсор, на выводе 13 опять установится логический ноль.

Для блокировки включателя при отсутствии человека на унитазе, с сенсора на вход R (установка нуля на выходе триггера вне зависимости от сигналов на всех остальных его входах) микросхемы DD2.

2 подается логическая единица.

На выходе емкостного выключателя устанавливается логический ноль, который по жгуту подается на базу ключевого транзистора включения электромагнитного клапана в Блоке питания и коммутации.

Резистор R6, при отсутствии блокирующего сигнала с емкостного датчика в случае его отказа или обрыва управляющего провода, блокирует триггер по входу R, тем самым исключает возможность самопроизвольной подачи воды в биде. Конденсатор С6 защищает вход R от помех. Светодиод HL3 служит для индикации подачи воды в биде.

Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков

Когда я начал разрабатывать сенсорную систему подачи воды в биде, то наиболее трудной задачей мне казалась разработка емкостного датчика присутствия. Обусловлено это было рядом ограничений по установке и эксплуатации.

Не хотелось, чтобы датчик был механически связан с крышкой унитаза, так как ее периодически надо снимать для мойки, и не мешал при санитарной обработке самого унитаза. Поэтому и выбрал в качестве реагирующего элемента емкость.

Конструкция сенсорного датчика присутствия

По выше опубликованной схеме сделал опытный образец. Детали емкостного датчика собраны на печатной плате, плата размещена в пластмассовой коробке и закрывается крышкой.

Для подключения антенны в корпусе установлен одноштырьковый разъем, для подачи питающего напряжения и сигнала установлен четырех контактный разъем РШ2Н.

Соединена печатная плата с разъемами пайкой медными проводниками в фторопластовой изоляции.

Сенсорный емкостной датчик собран на двух микросхемах КР561 серии, ЛЕ5 и ТМ2. Вместо микросхемы КР561ЛЕ5 можно применить КР561ЛА7. Подойдут и микросхемы 176 серии, импортные аналоги.

Резисторы, конденсаторы и светодиоды подойдут любого типа.

Конденсатор С2, для стабильной работы емкостного датчика при эксплуатации в условиях больших колебаниях температуры окружающей среды нужно брать с малым ТКЕ.

Установлен датчик под площадкой унитаза, на которой установлен сливной бачок в месте, куда в случае протечки из бачка вода попасть не сможет. К унитазу корпус датчика приклеен с помощью двустороннего скотча.

Антенный датчик емкостного сенсора представляет собой отрезок медного многожильного провода длинной 35 см в изоляции из фторопласта, приклеенного с помощью прозрачного скотча к внешней стенке чаши унитаза на сантиметр ниже плоскости очка. На фотографии сенсор хорошо виден.

Для настройки чувствительности сенсорного датчика необходимо после его установки на унитаз, изменяя сопротивление подстроечного резистора R3 добиться, чтобы светодиод HL2 погас.

Далее положить руку на крышку унитаза над местом нахождения сенсора, светодиод HL2 должен загораться, если руку убрать, потухнуть.

Так как бедро человека по массе больше руки, то при эксплуатации сенсорный датчик, после такой настройки, будет работать гарантировано.

Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя

Схема емкостного сенсорного включателя имеет больше деталей и для их размещения понадобился корпус большего размера, да и по эстетическим соображениям, внешний вид корпуса, в котором был размещен сенсорный датчик присутствия не очень подходил для установки на видном месте. Внимание на себя обратила настенная розетка rj-11 для подключения телефона. По размерам она подходила и имела хороший внешний вид. Удалив из розетки все лишнее, разместил в ней печатную плату емкостного сенсорного выключателя.

Для закрепления печатной платы в основании корпуса была установлена короткая стойка и к ней с помощью винта прикручена печатная плата с деталями сенсорного выключателя.

Датчик емкостного сенсора сделал, приклеив ко дну крышки розетки клеем «Момент» лист латуни, предварительно вырезав в них окошко для светодиодов. При закрывании крышки, пружина (взята от кремниевой зажигалки) соприкасается с латунным листом и таким образом обеспечивается электрический контакт между схемой и сенсором.

Крепится емкостной сенсорный включатель на стену с помощью одного самореза. Для этого в корпусе предусмотрено отверстие. Далее устанавливается плата, разъем и закрепляется защелками крышка.

Настройка емкостного выключателя практически не отличается от настройки сенсорного датчика присутствия, описанного выше. Для настройки нужно подать питающее напряжение и резистором отрегулировать, чтобы светодиод HL2 загорался, когда к датчику подносится рука, и гас, при ее удалении.

Далее нужно активировать сенсорный датчик и поднести и удалить руку к сенсору выключателя. Должен мигнуть светодиод HL2 и загореться красный светодиод HL3. При удалении руки красный светодиод должен продолжать светиться.

При повторном поднесении руки или удалении тела от датчика, светодиод HL3 должен погаснуть, то есть выключить подачу воды в биде.

Универсальная печатная плата

Представленные выше емкостные датчики собраны на печатных платах, несколько отличающихся от печатной платы приведенной ниже на фотографии.

Это связано с объединением обеих печатных плат в одну универсальную. Если собирать сенсорный включатель, то необходимо только перерезать дорожку под номером 2.

Если собирать сенсорный датчик присутствия, то удаляется дорожка номер 1 и не все элементы устанавливаются.

Не устанавливаются элементы, необходимые для работы сенсорного включателя, но мешающие работе датчика присутствия, R4, С5, R6, С6, HL2 и R4. Вместо R4 и С6 запаиваются проволочные перемычки. Цепочку R4, С5 можно оставить. Она не будет влиять на работу.

Ниже приведен рисунок печатной платы для накатки при использовании термического метода нанесения на фольгу дорожек.

Достаточно распечатать рисунок на глянцевой бумаге или кальке и шаблон готов для изготовления печатной платы.

Безотказная работа емкостных датчиков для сенсорной системы управления подачи воды в биде подтверждена на практике в течении трех лет постоянной эксплуатации. Сбоев в работе не зафиксировано.

Однако хочу заметить, что схема чувствительна к мощным импульсным помехам. Мне приходило письмо о помощи в настройке. Оказалось, что во время отладки схемы рядом находился паяльник с тиристорным регулятором температуры. После выключения паяльника схема заработала.

Еще был такой случай. Емкостной датчик был установлен в светильник, который подключался в одну розетку с холодильником. При его включении свет включался и при повторном выключался. Вопрос был решен подключением светильника в другую розетку.

Приходило письмо об успешном применении описанной схемы емкостного датчика для регулировки уровня воды в накопительном баке из пластика. В нижней и верхней части было приклеено силиконом по датчику, которые управляли включением и выключением электрического насоса.

Емкостной датчик: разновидности, принцип работы, как сделать своими руками

Приложение напряжения переменного тока к смежным проводникам способствует дистанционному накапливанию на них положительных и отрицательных зарядов.

Они создают вариативное электромагнитное поле, чувствительное ко многим внешним факторам, в первую очередь, к расстоянию между проводниками.

Это свойство может использоваться для создания соответствующих емкостных датчиков, которые в состоянии управлять работой различных систем контроля и слежения.

Описание и назначение

Приложения напряжения разного знака, согласно закону Ампера, вызывает перемещение проводников, на которых находятся электрические частицы. При этом возникает переменный ток, который может быть обнаружен.

Величина протекающего тока определяется емкостью, которая, в свою очередь, зависит от площади проводников и расстояния между ними.

Более крупные и более близкие объекты вызывают больший ток, чем более мелкие и более отдаленные.

Емкость определяется следующими параметрами:

• Характером не проводящей ток среды-диэлектрика, располагающейся между проводниками.
• Размерами проводников.
• Силой тока.

Пара таких поверхностей образует обкладки простейшего конденсатора, емкость которого прямо пропорциональна площади и диэлектрической проницаемости рабочей среды, и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками.

При постоянстве размеров обкладок и состава рабочей среды между ними любое изменение емкости будет являться результатом изменения расстояния между двумя объектами: зондом (датчиком) и отслеживаемой целью. Достаточно только преобразовать изменения емкости в значения сфокусированного электрического напряжения, которое будет управлять дальнейшими действиями прибора.

Данные устройства, таким образом, предназначены для определения изменяющегося расстояния между объектами, а также для уточнения характера и качества поверхности измеряемых изделий.

Принцип работы емкостного датчика

Конструктивно такой прибор включает в себя:

• Источник формирования эталонного напряжения.
• Первичную цепь – зонд, поверхность и размеры которого определяются целями измерений.
• Вторичную цепь, формирующую необходимый электрический сигнал.
• Защитную цепь, обеспечивающую стабильность показаний датчика независимо от внешних возмущающих факторов.
• Электронный усилитель, драйвер которого формирует сильный управляющий сигнал на исполнительные элементы, и обеспечивает точность срабатывания.

Емкостные датчики подразделяются на одно- и многоканальные. В последнем случае устройство может включать в себя несколько вышеописанных схем с разной формой зондов.

Драйвер электроники может быть настроен как ведущий или ведомый. В первом варианте он обеспечивает синхронизацию управляющих сигналов, поэтому используется преимущественно в многоканальных системах. Все приборы являются сенсорными, реагирующими исключительно на бесконтактные параметры.



Основными характеристиками рассматриваемых устройств считаются:

• Размеры и характер цели – объекта зондирования. В частности, создаваемое ею электрическое поле должно иметь форму конуса, для которого габаритные размеры должны минимум на 30% превышать соответствующие размеры первичной цепи;
• Диапазон измерений. Максимальный зазор, при котором показания устройства дают требуемую точность, составляют около 40% от полезной площади первичной цепи;
• Точность измерений. Калибровка показаний обычно уменьшает диапазон, но повышает точность. Поэтому, чем меньше датчик по размерам, тем ближе он должен быть установлен к контролируемому объекту.

Характеристики датчиков не зависят от материала объекта, а также его толщины

Как конденсатор превращается в датчик

В данном случае причина и следствие меняются местами. Когда на проводник подается напряжение, электрическое поле образуется у каждой поверхности. В емкостном датчике измерительное напряжение подается на чувствительную зону зонда, причём для точных измерений электрическое поле от зондируемой области должно содержаться именно в пространстве между зондом и целью.

В отличие от обычного конденсатора, при работе емкостных датчиков электрическое поле может распространяться на другие предметы (или на отдельные их области).

Результатом станет то, что система будет распознавать такое составное поле как несколько целей.

Чтобы этого не произошло, задняя и боковые стороны чувствительной области окружают другим проводником, который поддерживается под тем же напряжением, что и сама чувствительная область.

При подаче эталонного напряжения питания, отдельная цепь подает точно такое же напряжение на защиту датчика. При отсутствии разницы в значениях напряжений между зоной чувствительности и защитной зоной, электрическое поле между ними отсутствует. Таким образом, исходный сигнал может исходить только от незащищенного фронта первичной цепи.

В отличие от конденсатора, на действие емкостного датчика будет влиять плотность материала объекта, поскольку при этом нарушается однородность создаваемого электрического поля.

Проблемы измерения

Для объектов сложной конфигурации достижение требующейся точности возможно при соблюдении ряда условий.

Например, при многоканальном зондировании напряжение возбуждения для каждого зонда должно быть синхронизировано, иначе зонды будут мешать друг другу: один датчик попытается увеличить электрическое поле, в то время как другой будет стремиться уменьшить его, тем самым давая ложные показания.

Поэтому существенным ограничивающим условием является требование, чтобы измерения проводились в тех же условиях, в которых был откалиброван датчик на предприятии-изготовителе. Если оценивать сигнал по изменению расстояния между зондом и целью, то все остальные параметры должны иметь постоянные значения.

Указанные сложности преодолеваются с помощью следующих приёмов:

• Оптимизации размеров измеряемого объекта: чем меньше цель, тем больше вероятность распространения чувствительности поля по сторонам, в результате чего ошибка измерения увеличивается.
• Проведения калибровки только по мишени с плоскими размерами.
• Снижением скорости сканирования цели, в результате чего изменение характера поверхности не будет сказываться на итоговых показаниях.
• Во время калибровки зонд должен располагаться эквидистантно поверхности цели (параллельно – для плоских поверхностей); это важно для датчиков повышенной чувствительности.
• Состояние внешней среды: большинство емкостных датчиков сенсорного типа устойчиво работают в температурном диапазоне 22…350С: в этом случае погрешности минимал ьны, и не превышают 0,5 % от полной измерительной шкалы.

Тем не менее, есть проблемы, которые устранить невозможно. К их числу относится фактор теплового расширения/сужения материала, как датчика, так и контролируемого объекта. Второй фактор – электрический шум датчика, который вызывается дрейфом напряжения драйвера устройства.

Блок-диаграмма работы

Не являясь прямонаправленным, емкостной датчик измеряет некоторую емкость от объектов, которые постоянно присутствуют в окружающей среде. Поэтому неизвестные объекты обнаруживаются им как увеличение этой фоновой емкости.

Она значительно больше, чем емкость объекта, и постоянно изменяется по величине.

Поэтому рассматриваемые устройства используются для обнаружения изменений в окружающей среде, а не для обнаружения абсолютного присутствия или отсутствия неизвестного объекта.

При приближении цели к зонду величина электрического заряда или емкости изменяется, что и фиксируется электронной частью датчика. Результат может выводиться на экран или сенсорную панель.

Для производства измерения прибор подключается к печатной плате с сенсорным контроллером. Сенсоры оснащаются управляющими кнопками. Которыми можно включать в работу несколько зондов одновременно.

Сенсорные экраны используют датчики с электродами, расположенными в ряды и столбцы. Они находятся либо на противоположных сторонах основной панели, либо на отдельных панелях, которые разделены между собой диэлектрическими элементами.

Контроллер циклически переключается между различными зондами, чтобы сначала определить, к какой строке касаются (направление Y), а затем к какому столбцу (направление X).

Зонды часто изготавливаются из прозрачного пластика, что повышает информативность результата измерения.



Использование LC-фильтров

Специализированный аналоговый интерфейс преобразует сигнал от емкостного датчика в цифровое значение, пригодное для дальнейшей обработки.

При этом периодически измеряется выходной сигнал датчика и генерируется сигнал возбуждения для зарядки пластины датчика.

Частота дискретизации на выходе датчика относительно низкая — менее 500 выборок в секунду, но разрешение аналого-цифрового преобразования необходимо для захвата небольших различий в емкости.

В емкостном измерительном устройстве ступенчатая форма волны возбуждения заряжает электрод датчика. Впоследствии заряд передается в цепь и измеряется аналого-цифровым преобразователем.

Одной из проблем емкостного зондирования (как уже указывалось) является наличие постороннего шума. Эффективным способом повышения помехоустойчивости является модификация датчика путем подключения чувствительного к частоте компонента.

В дополнение к элементу переменного конденсатора к датчику добавляются дополнительный конденсатор и индуктор для формирования резонансного контура. Узкополосный отклик позволяет ему подавлять электрический шум.

При простоте LC- контура, его наличие обеспечивает ряд эксплуатационных преимуществ. Во-первых, благодаря присущим узкополосным характеристикам LC-резонатор обеспечивает отличную невосприимчивость к электромагнитным помехам.

Во-вторых, если известен диапазон частот, где существует шум, то смещение рабочей частоты датчика может отфильтровать эти источники шума без использования внешних схем.

LC-фильтры чаще применяют в многоканальных датчиках

Сферы применения

Данные устройства используются в следующих целях:

• Для обнаружения пластмасс и других изоляторов.
• В системах сигнализации, при установлении факта перемещений по контролируемой территории.
• Как компонент охранных устройств автомобилей.
• Для определения чистоты поверхности материалов после механической обработки.
• С целью определения уровня жидких или газообразных рабочих сред в закрытых резервуарах.
• При установке систем автоматического включения/выключения светильников.

Во всех случаях емкостные датчики подлежат обязательной калибровке в заводских или иных специализированных условиях.

Схемы для изготовления своими руками

Для организации сенсорного управления емкостной датчик легко создать на основе, конденсатора и пары резисторов. При касании к проводам, происходит накапливание электрического заряда, регулируя величину которого, можно изменять время зарядки/разрядки.

Такую схему можно применить для управления настольной лампой или иным светильником.

В схеме должен присутствовать электронный компаратор, который будет сравнивать время зарядки конденсатора с эталонным (пороговым) значением, и выдавать соответствующий управляющий сигнал.

Электронные схемы с сенсорным контролем более интерактивны для пользователя, чем традиционные, поэтому могут эффективно применяться с целью переключения питания.

Емкость конденсатора определяет уровень чувствительности: при повышении емкости чувствительность увеличивается, но для питания устройства потребуется больше мощности и меньшее время срабатывания.

Для индикации можно применить обычный светодиод.

Емкостной датчик

ПОЛОЖЕНИЯ УРОВНЯ

Электрическая емкость проводника характеризует его способность накапливать электрический заряд, приобретая при этом определенный потенциал. Но теоретические основы электротехники в этой статье мы рассматривать не будем.

Более того, количество любой теории будет сведено к минимуму, необходимому для общего понимания содержания.

Принцип работы емкостного датчика заключается в контроле изменения емкости его чувствительного элемента – конденсатора. В самом привычном значении конденсатор – это радиоэлектронный компонент, состоящий из двух электропроводящих обкладок, разделенных слоем диэлектрика.

Они могут иметь различную форму, что кстати, используется при создании емкостных датчиков различного назначения.

Давайте рассмотрим от чего зависит емкость на примере простейшего конденсатора, состоящий из двух обкладок в форме пластин (рис.1).

Это:

• площадь пластин;
• расстояние между ними;
• диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Кстати, в заряженном конденсаторе присутствует электрическое поле Е, мы вернемся к нему когда будем рассматривать как работает емкостной датчик.

Емкостной датчик ПОЛОЖЕНИЯ (ПРИБЛИЖЕНИЯ)

Итак, мы имеем классический плоский конденсатор (С). Давайте развернем его пластины, как показано на рисунке 2. Изменится конфигурация поля Е.

Если будет изменяться диэлектрическая проницаемость среды, через которую проходят линии этого поля (будем называть это зоной обнаружения), то будет изменяться емкость конденсатора.

То есть появление в этой зоне инородного предмета (или вещества) вызовет изменение емкости С. Электронная схема устройства это изменение отслеживает и формирует соответствующий сигнал.

На этом принципе основана работа емкостных датчиков положения. При появлении в зоне обнаружения любого предмета детектор срабатывает.

Дальность обнаружения, она, кстати, невелика – от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, и размер контролируемого объекта определяются чувствительностью детектора. Эти параметры должны оговариваться в техническом описании (паспорте) на изделие.

Безусловным достоинством такого датчика является обнаружение объектов из любых материалов, а не только металлических, как у индуктивных.

• Емкостной принцип обнаружения какого либо события, помимо детекции положения используется достаточно широко.
• Это:
• Про последний тип устройств стоит написать несколько подробнее.
• Дело в том, что в качестве одной обкладок конденсатора можно использовать металлический предмет, а в качестве другой – землю (а в частном случае пол помещения).

Таким образом при приближении к металлическому сейфу или шкафу, оборудованному емкостным охранным датчиком будет формироваться сигнал тревоги.

Используются такие извещатели, правда, не часто. Дело в том, что любой датчик, использующий в своей работе емкостной принцип действия чувствителен к воздействию электромагнитных помех.

Это следует учитывать при принятии решения о применении таких устройств в условиях конкретного объекта.

Емкостные датчики уровня

Еще одна область применения детекторов такого принципа действия – определения уровня, причем как жидкостей, например, воды или топлива, так и сыпучих материалов (рис.3).

Чувствительный элемент в этом случае представляет:

• две протяженные пластины, расположенные параллельно;
• соосно расположенные цилиндры;
• стержни (штыри).

1. Поскольку контролируемая среда имеет диэлектрическую проницаемость иную чем у воздуха, то при погружении части детектора в контролируемое вещество соответствующим образом изменяется емкость чувствительного элемента.
2. При этом, можно реализовать не только пороговое управление исполнительными устройствами (включено- выключено), но и получать информацию о численных значениях, причем, с достаточно высокой степенью точности, чем не могут похвастаться некоторые другие типы датчиков уровня.
3. Как видно, подобные устройства достаточно универсальны и здесь перечислены еще не все их возможности.

Например, на описываемом принципе реализуются датчики крена. Измерение угла наклона достигается за счет перемещения между пластинами конденсатора жидкости. При изменении угла наклона меняется рабочая площадь обкладок, соответственно, емкость.

• Используя вращающиеся вокруг общей оси пластины, изменяющие площадь перекрытия в зависимости от угла, получаем датчик поворота, а при желании, скорости вращения.
• Таким образом, емкостные датчики, в части касающейся области применения достаточно универсальны, хотя используют непростую схемотехнику.
•   *  *  *

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

8. Емкостные датчики

Глава 8

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ

§ 8.1. Принцип действия. Типы емкостных датчиков

Работа емкостных датчиков заключается в преобразо­вании измеряемой величины в емкостчое сопротивление. Поэтому емкостные датчики относятся к параметрическим. Принцип дейст­вия емкостных датчиков основан на зависимости емкости конденг сатора от размеров обкладок, расстояния между ними, диэлектри­ческой проницаемости среды между обкладками.

Из (8.1) следует, что изменение емкости конденсатора может происходить из-за изменения любой из трех величин: d, s, . Наи­большее распространение получили емкостные датчики, измеряю­щие линейные перемещения. На рис. 8.1, а, б показаны схема ем­костного датчика линейного перемещения  и зависимость емкости

датчика от входного сигнала — перемещения х.

На рис. 8.2, а, б показаны схема емкостного датчика углового перемещения   и   зависимость емкости датчика  от входного сигнала — угла поворота а. В этом датчике емкость изменяется из-за изменения площади взаимного перекрытия двух обкладок — пластин 1 и 2.

Одна из плас­тин   (1)   неподвижна, другая (2)  — может по­ворачиваться на оси относительно пластины /. Расстояние между пластинами не меняется, при повороте пластины 2 меняется активная площадь между пластинами 1 и 2 (на рис. 8.

2, а отме­чена штриховкой).

На рис. 8.3 показан емкостный датчик уров­ня. В этом датчике емкость изменяется в зависимости от уровня жидкости, поскольку изменяется диэлектрическая проницаемость среды между неподвижными пластинами.

Емкостные датчики используются в цепях переменного тока. Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте пита­ния: Хс= 1/, где — угловая частота; f — частота, Гц.

При малой частоте питания емкостное сопротивление настолько велико, что изменение тока в цепи с емкостным датчиком очень трудно зафиксировать даже высокочувствительным прибором. При­менение емкостных датчиков предпочтительнее при питании повы­шенной частотой (400 Гц и больше). § 8.2. Характеристики и схемы включения емкостных датчиков

Чувствительность емкостного датчика определяется как отношение приращения емкости к вызвавшему это приращение из­менению измеряемой величины. Для простого плоского двухобкла-дочного емкостного датчика линейного перемещения с воздушным зазором емкость

где d—начальное расстояние между пластинами площадью s.

Начальное расстояние dBa4 выбирается по конструктивным сооб­ражениям, но оно не должно быть меньше некоторого значения, при котором возможен электрический пробой конденсатора.

Для возду­ха пробивное напряжение составляет порядка 3 кВ на 1 мм. Мини­мальное расстояние воздушного промежутка в высокочувствитель­ных емкостных микрометрах принимают порядка 30 мкм.

Чувстви­тельность плоского емкостного датчика получаем дифференцирова­нием уравнения (8.2):

Чувствительность, как следует из (8.3) и графика (рис. 8.1, б), не постоянна в диапазоне возможных перемещений х. Она макси­мальна при малых входных сигналах (когда пластины расположе­ны близко друг к другу) и быстро уменьшается при удалении плас­тин.

При включении емкостного датчика в измерительную мостовую схему переменного тока чувствительность измерения можно увели­чить повышением напряжения питания моста (см. гл. 2). Однако и здесь необходимо иметь в виду опасность пробоя между пластина­ми.

Для значительного увеличения напряжения питания между обкладками конденсатора помещают тонкую слюдяную пластинку. Для повышения чувствительности измерительной схемы с емкост­ным датчиком необходимо повышать частоту питающего напряже­ния.

Однако при этом необходимы специальные меры по экраниро­ванию схемы и подводящих проводов для уменьшения погрешности измерения, вызванной токами утечки и токами наводки.

В емкостном датчике давления (рис. 8.4) одной из обкладок конденсатора является плоская круглая мембрана 1, воспринимаю­щая давление Р. Другая обкладка 2 датчика неподвижна и имеет такой же радиус R, что. и мембрана /.

Между обкладками конден­сатора имеется начальный воздушный промежуток dнач. Под воз­действием измеряемого давления Р мембрана прогибается, причем наибольшее перемещение  имеет центр мембраны.

Неравномерное изменение воздушного промежутка между пластинами затрудняет вывод формулы для емкости такого датчика. Приведем  ее в окон­чательном виде

Непосредственное объединение чувствительного элемента (мембра­ны) с датчиком без промежуточных кинематических элементов

.

Дифференциальный емкостый датчик представляет собой плос­кий конденсатор с металлической обкладкой 1, на которую дейст­вует измеряемая сила F. Обкладка 1закреплена на упругой под­веске 6 и под действием силы F перемещается параллельно самой себе.

Две неподвижные обкладки 2 и 3 изолированы от корпуса спе­циальными прокладками 4 и 5. При отсутствии силы F обкладка 1 занимает симметричное положение относительно неподвижных обкладок 2, 3.

При этом емкость конденсатора, образованного пластинами 1 и 2, равна емкости конденсатора, образованного пластинами 1 и 3: C1-2 = C1-3 = C.

Под воздействием измеряемой силы F, преодолевающей противодействие упругой подвески 6, об­кладка 1перемещается и емкости верхнего и нижнего конденсато­ров получают приращения разных знаков:

Поскольку эти емкости включены в смежные плечи мостовой схемы, чувствительность измерительной схемы возрастает вдвое (см. гл.2). Силы, действующие между парами обкладок, направлены противо­положено друг другу, т. е. взаимно компенсируются.

Питание моста осуществляется от генератора высокой частоты (ГВЧ). Частота питания составляет несколько килогерц. Напряже­ние в измерительной диагонали моста  зависит от измеряемой силы. При изменении направления силы изменяется фаза выходно­го напряжения на 180°.

Для повышения чувствительности емкостных датчиков углового перемещения с изменяющейся площадью взаимного перекрытия пластин по рис. 8.2 применяют систему, состоящую из нескольких неподвижных и подвижных пластин. Такие воздушные конденсато­ры переменной емкости применяются, например, для настройки ра­диоприемников.

Если пластины имеют форму половины круга (как на рис. 8.2), а ось вращения подвижных пластин проходит через центры окруж­ности всех пластин, то емкость датчика изменяется в зависимости от угла поворота:

где п — общее количество неподвижных и подвижных пластин; s — площадь взаимного перекрытия пластин при а = 0 (подвижные пластины полностью вдвинуты между неподвижными); d — посто-: янное расстояние между подвижными и неподвижными пласти­нами.

Диапазон изменения угла поворота а от 0 до 180°. Все подвиж­ные пластины электрически соединены между собой, а все непо­движные также соединены между собой. Таким образом, имеется параллельное соединение конденсаторов, при котором общая ем­кость, как известно, равна сумме емкостей параллельно соединен­ных конденсаторов.

Чувствительность такого датчика определяется как изменение емкости при повороте на 1°, т. е.

Датчики угловых перемещений используют в мостовых измеритель­ ных схемах. Для повышения чувствительности возможно примене­ ние дифференциального датчика, показанного на рис. 8.6. При

• повороте по часовой стрелке подвижной пластины 1 увеличивается емкость между этой пластиной и неподвижной пластиной 2 и уменьшается емкость между пластиной / и неподвижной пласти­ной 5.
• Дифференциальная схема, как уже отмечалось, обеспечивает компенсацию противодействующего момента, поскольку суммар­ная емкость датчика остается неизменной.

На рис. 8.7 показан емкостный датчик с цилиндрическими об­кладками, применяемый для измерения уровня токонепроводящей

жидкости или сыпучих тел. Одной обкладкой может служить ме­таллический бак или резервуар с внутренним радиусом ги вторая обкладка выполнена в виде металлического стержня или цилинд­ра с наружным радиусом г2. Если резервуар заполнен до уровнях жидкостью с диэлектрической проницаемостью еи, то емкость дат­чика можно представить как емкость двух параллельно соединен­ных конденсаторов:

где Сх — емкость нижней части резервуара, заполненной жидко-костью; CL-x — емкость верхней части резервуара, заполненной воздухом. Чувствительность такого датчика тем больше, чем боль­ше диэлектрическая проницаемость и материала, уровень которо­го измеряется.

1. Общая формула для емкости конденсатора с цилиндрическими обкладками
2. где l— длина оокладок.
3. Для емкости нижней части датчика
4. Для емкости верхней части датчика

где L — высота обкладок датчика, т. е. максимальный уровень за­полнения резервуара.

Чувствительность датчика определяем, дифференцируя   (8.13) по уровню,

Из уравнения (8.14) видно, что чувстви­тельность датчика постоянна во всем диапазоне измерений. При измерении уровня химически агрессивных жидко­стей наружная и внутренняя обкладки покрываются защитным покрытием. Из-

мерение уровня с помощью емкостных датчиков используется в космической и авиационной технике, химии, нефтехимии, других отраслях промышленности.

Емкостные датчики нашли применение также для автоматиче­ского измерения толщины различных материалов и покрытий в процессе их изготовления.

Рассмотрим емкостный датчик (рис. 8.8) для измерения толщи­ны материала из диэлектрика (например, изоляционной ленты). Между неподвижными обкладками конденсатора 1 протягивается с помощью роликов 2 контролируемый материал 3.

• Емкость датчика, представляющего собой плоский двухобкла-дочный конденсатор с двухслойным диэлектриком,
• где s — площадь обкладок;   d — расстояние   между   обкладками;  — толщина контролируемого    материала;   и — диэлектрическая проницаемость контролируемого материала. Чувствительность датчика

Чем меньше разница между d и , чем больше диэлектрическая проницаемость материала еи. тем выше чувствительность. Повы­сить чувствительность измерения с помощью емкостных датчиков можно за счет выбора соответствующей измерительной схемы.

Включение емкостного датчика в мостовую схему (см. рис. 8.5), питаемую от источника повышенной частоты, позволяет зафикси­ровать изменения емкости на 0,1%. Более высокую чувствитель­ность позволяет получить так называемая резонансная схема.

В этом случае емкостный датчик включается в колебательный кон­тур совместно с индуктивным сопротивлением. Резонансная схема показана на рис. 8.9, а.

Высокочастотный генератор 1 имеет часто­ту напряжения fr и питает индуктивно связанный с ним контур, со-

стоящий из индуктивности Lн, подстроечного конденсатора С0 и ем­костного датчика Сд.

Напряжение Uк, снимаемое с контура, усили­вается усилителем 2 и измеряется прибором 3, шкала которого мо­жет быть проградуирована в единицах измеряемой величины.

При помощи подстроечного конденсатора С0 контур настраивается на частоту f0, близкую (но не равную) к частоте генератора.

Настройка производится при средней емкости датчика в диа­пазоне возможных изменений измеряемой величины

В результате настройки напряжение Upснимаемое с контура, должно быть примерно вдвое меньше (точка Б на рис. 8.9, б), чем напряжение при резонансе Up (точка О на рис. 8.9, б).

Таким об­разом, рабочая точка Б будет находиться примерно посередине од­ного из склонов резонансной характеристики. Этим обеспечиваются высокая чувствительность измерения (до 0,001%) и примерно ли­нейная шкала измерительного прибора 3.

Малейшее перемещение подвижной пластины датчика Сд приводит к резкому изменению напряжения контура. Уменьшение емкости (Сяо—С) приводит к резкому увеличению напряжения, увеличение емкости (Сд0+С)— к резкому уменьшению напряжения.

При выборе рабочей точки на левом склоне резонансной характеристики (с помощью подстроен­ного конденсатора) уменьшение емкости приводит к уменьшению напряжения, и наоборот.

1. Резонаненая частота контура определяется из условия резо­нанса   (равенства емкостного   и   индуктивного   сопротивлений)
2. Резонансная кривая идет тем круче, чем меньше активная сос­тавляющая сопротивления контура.