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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Sensori capacitivi senza contatto. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Progettista radioamatore I sensori capacitivi rispondono a un'ampia varietà di sostanze: solidi e liquidi, metalli e dielettrici. Sono utilizzati, ad esempio, per il controllo senza contatto del riempimento di serbatoi con liquidi e materiali sfusi, il posizionamento e il conteggio di vari oggetti e la protezione degli oggetti. L'articolo proposto descrive il principio di funzionamento dei sensori senza contatto, fornisce schemi adatti all'implementazione pratica e all'uso.Prodotti da molte aziende nazionali ed estere, i sensori senza contatto [1, 2] funzionano secondo il principio del "condensatore", rispondendo a un cambiamento nella permettività relativa dell'ambiente causato dalla comparsa di un oggetto estraneo nella zona sensibile. Un tipico sensore con un diametro della superficie sensibile di 60 mm fissa un "bersaglio standard" (termine secondo [40]) ad una distanza di 3 mm. L'elemento sensibile di un sensore capacitivo senza contatto è un condensatore con piastre dispiegate su un piano, come mostrato in Fig. 1.
A seconda della presenza o dell'assenza di un corpo estraneo, cambia la permittività media dell'armatura circostante del mezzo e, di conseguenza, la capacità del condensatore. Quest'ultimo funge da elemento di impostazione della frequenza dell'oscillatore. Il dispositivo a soglia presente nel sensore monitora l'ampiezza o la frequenza delle oscillazioni, al loro variare, azionando l'unità di attuazione. In molti sensori capacitivi, la frequenza dell'oscillatore viene scelta tra diversi megahertz. I generatori sono costruiti su transistor discreti, il cui numero raggiunge i cinque. Tuttavia, un generatore sufficientemente sensibile alle variazioni di capacità e funzionante a frequenze di centinaia di kilohertz può essere costruito su un solo amplificatore operazionale di classe media. Lo schema classico del generatore di impulsi rettangolari sull'amplificatore operazionale, mostrato in fig. 2.
La sua descrizione dettagliata e il calcolo sono riportati in [4]. Se l'amplificatore operazionale DA1 è ideale, la frequenza di oscillazione è inversamente proporzionale alla capacità del condensatore C1 (elemento sensibile del sensore) e la loro ampiezza rimane invariata. Infatti, con una diminuzione della capacità e un aumento della frequenza, arriva un momento in cui, a causa dell'inerzia insita in un vero amplificatore operazionale, le condizioni per l'autoeccitazione del generatore cessano di essere soddisfatte e le oscillazioni si interrompono. Resta da verificare che il generatore funzioni in presenza di un oggetto estraneo nella zona sensibile, e quando viene rimosso (che equivale a una diminuzione della capacità del condensatore), non esiste più. Questa modalità presenta alcuni vantaggi rispetto a quelle note, quando il generatore funziona continuamente [5, 6], o solo in assenza di un oggetto estraneo [7, 8]. L'idea è stata testata simulando un generatore utilizzando il programma ELECTRONIC WORKBENCH. Dalla libreria di elementi di programma standard, per il modello è stato scelto il sistema operativo HA2502. I valori del resistore erano: R1 - 330 kOhm, R2 - 1 kOhm, R3 - 2 kOhm. Le oscillazioni si sono alzate dolcemente e si sono interrotte quando la capacità del condensatore C1 è passata da 11 a 12 pF e viceversa. Con un alto grado di confidenza, si può affermare che ciò è sufficiente per il funzionamento affidabile del sensore capacitivo. Successivamente, la conclusione è stata confermata testando strutture reali. L'elemento sensibile del sensore è stato realizzato in materiale isolante rivestito di lamina su un lato, sul quale sono state lasciate due sezioni rettangolari di lamina di dimensioni 70x50 mm, accostate tra loro a lati corti con un'intercapedine di 2 mm. La capacità del "condensatore non avvolto" formato in questo modo è di circa 5 pF. La lunghezza dei fili che collegano le piastre del condensatore al generatore deve essere minima, non superiore a 50 mm. Un circuito pratico del generatore su uno dei due amplificatori operazionali del chip KR157UD2 è mostrato in fig. 3.
Poiché il microcircuito è alimentato da un'unica sorgente, una polarizzazione pari alla metà della tensione di alimentazione viene applicata all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale utilizzando un partitore resistivo R3R4. Il circuito di impostazione della frequenza è formato da un resistore R2 e da una capacità dell'elemento sensibile E1. Il resistore R1 serve a proteggere l'ingresso dell'amplificatore operazionale da interferenze e interferenze che possono disabilitare l'amplificatore operazionale. Va notato il ruolo importante del condensatore C1, che corregge la risposta in frequenza dell'amplificatore operazionale. Il "punto di lavoro" del generatore sulla pendenza della risposta in frequenza dipende dalla capacità di questo condensatore. Sono state testate due opzioni: C1=12 pF, R5=180 kOhm (frequenza 200 kHz) e C1=6,8 pF, R5=1 MΩ (frequenza 500 kHz). In entrambi i casi, regolando la resistenza R2, è stato possibile ottenere che il generatore si eccitasse quando un oggetto estraneo si avvicinava all'elemento sensibile. La regolazione va fatta preferibilmente con un cacciavite lungo in materiale isolante. Durante i test, il sensore ha "sentito" una mano umana o un serbatoio d'acqua a una distanza di diversi centimetri. A una distanza minore era possibile trovare un blocco di legno, un barattolo di vetro vuoto e persino la gomma di uno studente. Il circuito del generatore sul chip K1407UD1 è mostrato in fig. quattro.
Le sue proprietà sono approssimativamente le stesse di quelle discusse sopra. Poiché l'amplificatore operazionale applicato non dispone di pin per il collegamento dei circuiti di correzione, le sue prestazioni vengono degradate utilizzando il feedback attraverso il circuito R3C1. Inoltre, come il resistore R1 nel dispositivo precedente (vedi Fig. 3), il resistore R3 protegge l'ingresso dell'amplificatore operazionale dalle interferenze. La frequenza operativa del generatore è di circa 100 kHz. Sulla fig. 5 mostra uno schema di un sensore senza contatto su un microcircuito KR157DA1 [9].
Contrariamente a quelli considerati in precedenza (vedi Fig. 3 e 4), non era richiesto alcun sistema operativo aggiuntivo nel generatore di sensori, poiché la larghezza di banda propria dell'amplificatore operazionale DA1.1 è piuttosto ridotta. Tuttavia, per ottenere un funzionamento affidabile, è stato necessario introdurre il circuito R6C1. Resistenza R1 - protettiva. La frequenza di oscillazione del generatore sull'amplificatore operazionale DA1.1 è di 20 kHz a R5=10 kOhm e di 80 kHz a R5=100 kOhm. In assenza di un oggetto nell'area sensibile, il generatore non funziona, il LED HL1 non si accende. Quest'ultimo rende il dispositivo più economico rispetto, ad esempio, a quello descritto in [8]. Dalla seconda uscita del rivelatore DA1.2, il cui carico è il circuito R7C2, il segnale viene inviato all'ingresso del dispositivo di soglia - op-amp DA1.3. Alla sua uscita (pin 7 del chip DA1), quando il sensore viene attivato, il livello di bassa tensione viene sostituito da uno alto. In assenza di un oggetto esterno, i generatori di sensori capacitivi, compreso quello in esame, a volte emettono "lampi" di oscillazioni a breve termine che seguono ad una frequenza di 100 Hz. Questo è probabilmente il risultato di un'interferenza di rete. Il duty cycle dei "flash" è piuttosto elevato, e il circuito inerziale R7C2 li indebolisce, impedendo loro di raggiungere il livello di trigger di DA1.3. Come il test ha mostrato, le dimensioni dell'elemento sensibile E1 indicato in precedenza possono essere ridotte. Ad esempio, anche il dispositivo sul chip K1407UD1 (vedi Fig. 4) funzionava con dimensioni della piastra di 30x6 mm e, per mantenere la costante costante di tempo del circuito di retroazione, il valore del resistore variabile R5 doveva essere aumentato a 560 kOhm. La sensibilità del sensore è rimasta abbastanza soddisfacente. È stato possibile aumentare le dimensioni della zona sensibile allontanando le piastre del condensatore o rimuovendo completamente quella collegata al filo comune. In quest'ultimo caso, il ruolo del rivestimento remoto passa al filo più comune e agli elementi ad esso collegati. Dopo un'appropriata sintonizzazione con un resistore di sintonizzazione R5, il generatore è stato eccitato quando si è avvicinato al rivestimento rimanente della mano a una distanza di 100 mm o un blocco di legno - di 30 mm. Tuttavia, l'ampiezza dei "lampi" con una frequenza di 100 Hz è aumentata notevolmente. Letteratura
Autore: A. Moskvin, Ekaterinburg
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