Berührungslose kapazitive Sensoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer

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Kapazitive Sensoren reagieren auf eine Vielzahl von Substanzen – feste und flüssige, Metalle und Dielektrika. Sie werden beispielsweise zur berührungslosen Steuerung der Befüllung von Tanks mit Flüssigkeiten und Schüttgütern, zur Positionierung und Zählung verschiedener Objekte sowie zum Schutz von Objekten eingesetzt. Der vorgeschlagene Artikel beschreibt das Funktionsprinzip berührungsloser Sensoren und stellt Diagramme bereit, die für die praktische Umsetzung und Verwendung geeignet sind. Die von vielen in- und ausländischen Unternehmen hergestellten berührungslosen Sensoren [1, 2] arbeiten nach dem „Kondensator“-Prinzip und reagieren auf eine Änderung der relativen Permittivität der Umgebung, die durch das Auftreten eines Fremdkörpers in der empfindlichen Zone verursacht wird. Ein typischer Sensor mit einem empfindlichen Flächendurchmesser von 60 mm fixiert ein „Standardziel“ (Begriff nach [40]) in einem Abstand von 3 mm.

Das empfindliche Element eines berührungslosen kapazitiven Sensors ist ein Kondensator mit in einer Ebene angeordneten Platten, wie in Abb. 1.

Abhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Fremdkörpers ändert sich die durchschnittliche Dielektrizitätskonstante der umgebenden Platte des Mediums und damit die Kapazität des Kondensators. Letzterer dient als frequenzeinstellendes Element des Oszillators. Der im Sensor vorhandene Schwellwertgeber überwacht die Amplitude bzw. Frequenz der Schwingungen und betätigt bei deren Änderung die Betätigungseinheit.

Bei vielen kapazitiven Sensoren wird die Oszillatorfrequenz mit mehreren Megahertz gewählt. Generatoren basieren auf diskreten Transistoren, deren Anzahl fünf erreicht. Allerdings kann ein Generator, der ausreichend empfindlich auf Kapazitätsänderungen reagiert und mit Frequenzen von Hunderten von Kilohertz arbeitet, mit nur einem Operationsverstärker der Mittelklasse aufgebaut werden.

Das klassische Schema des Generators von Rechteckimpulsen am Operationsverstärker, dargestellt in Abb. 2.

Die detaillierte Beschreibung und Berechnung findet sich in [4]. Wenn der Operationsverstärker DA1 ideal ist, ist die Schwingfrequenz umgekehrt proportional zur Kapazität des Kondensators C1 (Sensorelement des Sensors) und ihre Amplitude bleibt unverändert. Tatsächlich kommt es bei einer Verringerung der Kapazität und einer Erhöhung der Frequenz zu einem Zeitpunkt, an dem aufgrund der einem echten Operationsverstärker innewohnenden Trägheit die Bedingungen für die Selbsterregung des Generators nicht mehr erfüllt sind und die Schwingungen zusammenbrechen.

Es bleibt sicherzustellen, dass der Generator auch dann funktioniert, wenn sich ein Fremdkörper im empfindlichen Bereich befindet, und wenn dieser entfernt wird (was einer Verringerung der Kapazität des Kondensators gleichkommt), ist er nicht mehr vorhanden. Dieser Modus hat gewisse Vorteile gegenüber den bekannten, wenn der Generator kontinuierlich arbeitet [5, 6] oder nur in Abwesenheit eines Fremdkörpers [7, 8].

Die Idee wurde getestet, indem ein Generator mit dem Programm ELECTRONIC WORKBENCH simuliert wurde. Aus der Bibliothek der Standardprogrammelemente wurde für das Modell das OS HA2502 ausgewählt. Die Widerstandswerte waren: R1 – 330 kOhm, R2 – 1 kOhm, R3 – 2 kOhm. Die Schwingungen entstanden sanft und brachen ab, als sich die Kapazität des Kondensators C1 von 11 auf 12 pF änderte und umgekehrt. Mit hoher Sicherheit kann argumentiert werden, dass dies für den zuverlässigen Betrieb eines kapazitiven Sensors ausreicht. Anschließend wurde die Schlussfolgerung durch Tests realer Strukturen bestätigt.

Das empfindliche Element des Sensors bestand aus einseitig folienbeschichtetem Isoliermaterial, auf dem zwei rechteckige Folienabschnitte mit einer Größe von 70 x 50 mm belassen wurden, die mit kurzen Seiten mit einem Abstand von 2 mm aneinander angrenzten. Die Kapazität des so gebildeten „unverpackten Kondensators“ beträgt ca. 5 pF. Die Länge der Kabel, die die Kondensatorplatten mit dem Generator verbinden, muss minimal sein und darf nicht mehr als 50 mm betragen.

Eine praktische Schaltung des Generators an einem der beiden Operationsverstärker des KR157UD2-Chips ist in Abb. dargestellt. 3.

Da die Mikroschaltung aus einer einzigen Quelle gespeist wird, wird über einen Widerstandsteiler R3R4 eine Vorspannung in Höhe der halben Versorgungsspannung an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegt. Der Frequenzeinstellkreis wird durch einen Widerstand R2 und eine Kapazität des Messelements E1 gebildet. Der Widerstand R1 dient dazu, den Eingang des Operationsverstärkers vor Störungen und Interferenzen zu schützen, die den Operationsverstärker deaktivieren können.

Zu beachten ist die wichtige Rolle des Kondensators C1, der den Frequenzgang des Operationsverstärkers korrigiert. Der „Arbeitspunkt“ des Generators an der Steigung des Frequenzgangs hängt von der Kapazität dieses Kondensators ab. Es wurden zwei Optionen getestet: C1=12 pF, R5=180 kOhm (Frequenz 200 kHz) und C1=6,8 pF, R5=1 MΩ (Frequenz 500 kHz). In beiden Fällen konnte durch Anpassen des Widerstands R2 erreicht werden, dass der Generator erregt wurde, wenn sich ein Fremdkörper dem empfindlichen Element näherte. Die Einstellung sollte vorzugsweise mit einem langen Schraubendreher aus Isoliermaterial erfolgen.

Bei den Tests „fühlte“ der Sensor eine menschliche Hand oder einen Wassertank im Abstand von mehreren Zentimetern. In geringerer Entfernung konnte man einen Holzklotz, ein leeres Glasgefäß und sogar den Radiergummi eines Schülers finden.

Die Generatorschaltung auf dem K1407UD1-Chip ist in Abb. 4 dargestellt. vier.

Seine Eigenschaften sind ungefähr die gleichen wie oben diskutiert. Da der verwendete Operationsverstärker keine Pins zum Anschluss von Korrekturschaltungen hat, wird seine Leistung durch die Rückkopplung durch die R3C1-Schaltung beeinträchtigt. Darüber hinaus schützt der Widerstand R1 wie der Widerstand R3 im vorherigen Gerät (siehe Abb. 3) den Eingang des Operationsverstärkers vor Störungen. Die Betriebsfrequenz des Generators beträgt ca. 100 kHz.

Auf Abb. 5 zeigt ein Diagramm eines kontaktlosen Sensors auf einer KR157DA1-Mikroschaltung [9].

Im Gegensatz zu den zuvor betrachteten (siehe Abb. 3 und 4) war im Sensorgenerator kein zusätzliches Betriebssystem erforderlich, da die eigene Bandbreite des Operationsverstärkers DA1.1 recht schmal ist. Um jedoch einen zuverlässigen Betrieb zu erreichen, musste die R6C1-Schaltung eingeführt werden. Widerstand R1 - schützend.

Die Schwingfrequenz des Generators am Operationsverstärker DA1.1 beträgt 20 kHz bei R5=10 kOhm und 80 kHz bei R5=100 kOhm. Befindet sich kein Gegenstand im sensiblen Bereich, funktioniert der Generator nicht, die HL1-LED leuchtet nicht. Letzteres macht das Gerät wirtschaftlicher, beispielsweise im Vergleich zu dem in [8] beschriebenen. Vom zweiten Ausgang des DA1.2-Detektors, dessen Last die R7C2-Schaltung ist, wird das Signal dem Eingang des Schwellenwertgeräts - Operationsverstärker DA1.3 - zugeführt. An seinem Ausgang (Pin 7 des DA1-Chips) wird beim Auslösen des Sensors der niedrige Spannungspegel durch einen hohen ersetzt.

In Abwesenheit eines externen Objekts geben Generatoren kapazitiver Sensoren, einschließlich des betrachteten, manchmal kurzzeitige „Blitze“ von Schwingungen ab, die mit einer Frequenz von 100 Hz folgen. Dies ist wahrscheinlich auf Netzwerkstörungen zurückzuführen. Der Arbeitszyklus der „Blitze“ ist ziemlich hoch und der Trägheitskreis R7C2 schwächt sie und verhindert so, dass sie den Auslösepegel von DA1.3 erreichen.

Wie der Test zeigte, können die Abmessungen des zuvor angegebenen Sensorelements E1 reduziert werden. Beispielsweise arbeitete das Gerät auf dem K1407UD1-Chip (siehe Abb. 4) auch mit Plattengrößen von 30 x 6 mm, und um die konstante Zeitkonstante des Rückkopplungskreises aufrechtzuerhalten, musste der Wert des variablen Widerstands R5 auf 560 kOhm erhöht werden. Die Empfindlichkeit des Sensors blieb durchaus zufriedenstellend.

Es war möglich, die Größe der empfindlichen Zone zu vergrößern, indem man die Kondensatorplatten auseinanderdrückte oder diejenige, die mit dem gemeinsamen Kabel verbunden ist, vollständig entfernte. Im letzteren Fall geht die Rolle der Fernauskleidung auf den am häufigsten verwendeten Draht und die damit verbundenen Elemente über. Nach entsprechender Abstimmung mit einem Abstimmwiderstand R5 wurde der Generator bei Annäherung an die verbleibende Handfläche im Abstand von 100 mm oder an einen Holzklotz – um 30 mm – angeregt. Allerdings nahm die Amplitude von „Blitzen“ mit einer Frequenz von 100 Hz merklich zu.

Literatur

1. TURCK-Näherungssensoren. Katalog berührungsloser Sensoren (Schalter) von TURCK (Deutschland).
2. BALLUFF Sensortechnik. Katalog berührungsloser Sensoren (Schalter) von BALLUFF (Deutschland).
3. GOST R 50030.5.2-99 (IEC 60947-5-2) Niederspannungsverteilungs- und -steuergeräte. Teil 5.2. Geräte und Schaltelemente von Steuerkreisen. Berührungslose Sensoren.
4. Frolkin V., Popov L. Impulsgeräte. - M.: Sowjetischer Rundfunk, 1980.
5. Nechaev I. Kapazitives Relais. - Radio, 1988, Nr. 1, p. 33.
6. Nechaev I. Kapazitives Relais. - Radio, 1992, Nr. 9, p. 48.
7. Alarmgerät bei Annäherung an ein Objekt. - Radio, 1999, Nr. 5, p. 40.
8. Moskvin A. Watchdog mit kapazitivem Sensor. – Radio, 2001, Nr. 8, S. 35, 36.
9. Ataev D., Bolotnikov V. Analoge integrierte Schaltkreise für Haushaltsgeräte. Verzeichnis. - M.: PKF „Druck“, 1992.

Autor: A. Moskvin, Jekaterinburg

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