Kapazitiver Sensor. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Indikatoren, Detektoren

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Die vorgeschlagene Version des kapazitiven Näherungssensors ist wirtschaftlich, arbeitet in einem weiten Bereich von Versorgungsspannungswerten und weist eine hohe Stabilität der Ansprechschwelle bei Temperaturänderungen auf.

In den letzten 20 Jahren wurden in Büchern und Zeitschriften für Funkamateure viele Beschreibungen von Näherungssensordesigns veröffentlicht, die sich in Funktionsprinzip, Empfindlichkeit, Komplexität und verwendeter Elementbasis unterscheiden. Viele von ihnen sind jedoch nur für den Betrieb unter labornahen Bedingungen mit praktisch konstanter Umgebungstemperatur und Versorgungsspannung geeignet.

Beispielsweise ist der in [1] beschriebene Sensor auf einem digitalen Chip aufgebaut und sehr wirtschaftlich, seine Ansprechschwelle hängt jedoch stark von der Versorgungsspannung ab. Die Betriebsstabilität bei hoher Luftfeuchtigkeit ist aufgrund des hohen Widerstands des Widerstands R2 eindeutig unzureichend und hängt stark von der Länge der Drähte ab, die die elektronische Einheit mit dem empfindlichen Element verbinden.

Die in [2] vorgeschlagenen Sensoren verbrauchen Strom bis zu mehreren Milliampere, was die Möglichkeit ihrer Verwendung in autarken Systemen einschränkt. Aufgrund der Abhängigkeit der Schwellenwerte der Operationsverstärkereigenschaften von der Temperatur und der Versorgungsspannung ist es möglich, dass sich ein solcher Sensor entweder ständig im ausgelösten Zustand befindet oder überhaupt nicht mehr auslöst.

Der vorgeschlagene Sensor ist etwas komplizierter als die oben genannten, unterscheidet sich jedoch von ihnen durch das Fehlen von Wicklungselementen, eine gute Wiederholbarkeit, arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 3...15 V und verbraucht etwa 40 μA (bei einer Spannung von 5 V). Es zeichnet sich durch Unabhängigkeit der Ansprechschwelle von Umgebungstemperatur und Versorgungsspannung sowie eine geringe Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und Störungen aus. Es ist möglich, die Ansprechschwelle anhand der Bewertungen der verwendeten Elemente genau zu berechnen oder diese Bewertungen zu berechnen, um die erforderliche Ansprechschwelle zu erhalten.

Das Sensordiagramm ist in Abb. dargestellt. 1. Am DD1.1-Trigger wird ein Impulsgenerator hergestellt. Ihre Dauer (ungefähr 0,2 ms) wird durch die Schaltung R1C1 eingestellt, und die Wiederholungsperiode (ungefähr 1,5 ms) wird durch die Schaltung R2C2 bestimmt. Der Unterspannungsdetektor DA1 hält die Spannung am S-Eingang des DD1.1-Triggers für einige Zeit nach dem Einschalten des Geräts auf einem niedrigen logischen Pegel und beseitigt so den verbotenen High-Pegel-Zustand an beiden Einstelleingängen (R und S). ) des Auslösers. Andernfalls kommt es bei einem Anstieg der Versorgungsspannung mit einer Geschwindigkeit von weniger als 2...3 V/ms nicht zu einer Selbsterregung des Generators.

Die Generatorimpulse lösen gleichzeitig zwei Monovibratoren aus. Der erste (am Trigger DD2.1) erzeugt Impulse mit Standarddauer, abhängig von den Werten der Elemente R4, R5, C4. Die Dauer der Impulse des zweiten Einzelimpulses (am Trigger DD2.2) hängt vom Widerstandswert des Widerstands R3 und der Kapazität des durch die Metallplatten E1 und E2 gebildeten Kondensators ab. Der Trennkondensator C5 verhindert, dass versehentlich Gleichspannung in den DD2.2-Triggereingang gelangt.

Die Funktionsweise des Sensors basiert auf dem Vergleich der von zwei Monovibratoren erzeugten Impulsdauer. Wenn der Impuls des zweiten (Mess-)Monovibrators kürzer ist als der Impuls des ersten (beispielhaft), zum Zeitpunkt eines positiven Spannungsabfalls am inversen Ausgang des Triggers DD2.1 (bei Punkt 1, siehe Abb. 1) , wird der Spannungspegel am Ausgang des Triggers DD2.2 (an Punkt 2) niedrig sein. Der Vergleichstrigger DD1.2, ausgelöst durch eine positive Flanke am Eingang C, geht am Ausgang in einen niedrigen Logikpegelzustand über. Andernfalls (der Messimpuls ist länger als der Referenzimpuls) ist der Pegel am Punkt 2 und am Ausgang des Triggers DD1.2 hoch.

Wenn sich bei Annäherung eines Fremdkörpers an die Platten E1 und E2 die Kapazität zwischen ihnen erhöht, wechselt der Low-Pegel an Pin 2 des Steckers X1 auf High. Der Schwellenwert der Kapazität, ab dem dies geschieht, wird durch die Formel bestimmt

wobei R4BB der eingeführte Widerstand des Abstimmwiderstands R4 ist; Svh ≈ 6 pf - Eingangskapazität R des Triggers. Mit dem im Diagramm angegebenen Wert des Widerstands R5 können Sie mit R4 die Kapazitätsschwelle von 6 auf 32 pF ändern.

Da sich die aktiven Elemente von Multivibratoren innerhalb eines DD2-Mikroschaltkreises befinden, ändern sich ihre Eigenschaften und die Dauer der erzeugten Impulse gleichermaßen, wenn sich die Temperatur oder die Versorgungsspannung ändert. Dies gewährleistet die Stabilität der Sensoransprechschwelle über einen weiten Bereich von Temperatur- und Versorgungsspannungsänderungen.

Der Sensor kann Festwiderstände S2-Z3n, MLT, S2-23 oder ähnliches mit einer Leistung von 0,125 oder 0,25 W mit einer Toleranz von nicht weniger als ±5 % verwenden. Als R4 empfiehlt es sich, einen Abstimmwiderstand mit kleinem TKS zu verwenden (z. B. SPZ-19a, SPZ-196). Aus diesem Grund werden die weit verbreiteten SPZ-38a-Widerstände nicht empfohlen. Kondensatoren C1 – C4 – alle kleinen Keramikkondensatoren (KM-5, KM-6, K10-17 oder ähnliche importierte). Der Koppelkondensator C5 muss ein Hochspannungskondensator (z. B. K15-5) sein, der für eine Spannung von mindestens 500 V ausgelegt ist. Seine Kapazität kann zwischen 1000 und 4700 pF liegen. Diode VD1 – eine beliebige der Serien KD103, KD503, KD521, KD522.

K561TM2-Mikroschaltungen können durch 564TM2 oder deren importierte Analoga ersetzt werden. Der Unterspannungsdetektor (DA1) sollte mit einer Schwellenspannung ausgewählt werden, die auf jeden Fall niedriger ist als die minimale Versorgungsspannung des Sensors. Bei einer Versorgung mit einer Spannung von 5 V sind beispielsweise die Melder KR1171SP42, KR1171SP47 geeignet, bei 9 V auch KR1171SP53, KR1171SP64, KR1171SP73.

Die Elektronikeinheit des Sensors ist auf einer Platine aus 1,5 mm dicker Glasfaserfolie montiert. Eine Zeichnung der gedruckten Leiter und der Lage der Teile ist in Abb. dargestellt. 2. Es wird empfohlen, das empfindliche Element (Platten E1 und E2) in Form eines „entfalteten“ Kondensators [2] zu gestalten und ihn mit Drähten von nicht mehr als 50 mm Länge an die Elektronikeinheit anzuschließen.

Beim Einrichten des Sensors kommt es auf die Einstellung des Schwellenwerts mit den Widerständen R4 und R5 an. Die Auslösung kann über eine Schaltung aus einer LED (Anode an Pin 2 des Steckers X1) und einem Widerstand mit einem Nennwert von 2,2...4,7 kOhm (zwischen der Kathode der LED und Pin 3 des Steckers) gesteuert werden. Drehen Sie beim Einschalten den Schieber des Abstimmwiderstands R4, bis die LED aufleuchtet, und drehen Sie dann den Schieber leicht nach rechts (gemäß Abbildung), damit die LED erlischt. Die korrekte Einstellung wird durch das Aufleuchten der LED bei Annäherung an das empfindliche Element eines Objekts angezeigt. Wenn die LED auch in der äußersten linken Position des Widerstandsschiebers R4 nicht aufleuchtet, sollten Sie anstelle von R5 einen Jumper installieren und die Einstellung wiederholen.

Das Gerät kann als Sensor für menschliche Berührungen auf der E2-Platte verwendet werden, und seine Rolle kann von jedem Metallgegenstand, beispielsweise einem Türgriff, übernommen werden. In diesem Fall kann auf die Platte E1 ganz verzichtet werden und die Widerstände R4 und R5 durch einen Widerstand mit einem Nennwert von 330 kOhm ersetzt werden.

Eine der vom Autor hergestellten Sensoroptionen verfügte über ein empfindliches Element in Form eines Flachkondensators mit einer Plattenfläche von 100 cm2 und einem Abstand zwischen ihnen von 5 mm. Es funktionierte zuverlässig, wenn der Raum zwischen den Platten im Temperaturbereich von -70 °C zu 30 % mit Maschinenöl gefüllt war. ..+85 °С. Auslöser durch Wasserkondensation, Handnähe und andere Störfaktoren wurden nicht erfasst.

Bei dieser Verwendung und Verwendung eines Flach- oder Zylinderkondensators als empfindliches Element empfiehlt es sich, zunächst den erforderlichen Wert des eingeführten Widerstands des Abstimmwiderstands R4 anhand der Formel abzuschätzen

wobei Cnp die Kapazität der Verbindungsdrähte ist; Ck ist die Kapazität des empfindlichen Elements, berechnet mit den bekannten Formeln für die Kapazität eines Flach- oder Zylinderkondensators.

Wenn sich herausstellt, dass der berechnete Wert negativ ist, sollte der Widerstand R5 aus dem Stromkreis ausgeschlossen werden. Wenn er mehr als 200 kOhm beträgt, erhöhen Sie den Wert von R5, sodass der Widerstand R4BB innerhalb von 100 ... 150 kOhm liegt. Abschließend wird der Sensor wie oben beschrieben justiert.

Literatur

1. Nechaev I. Kapazitives Relais. - Radio, 1988, Nr. 1, p. 33.
2. Moskvin A. Kontaktlose kapazitive Sensoren. - Radio, 2002, Nr. 10, p. 38, 39.

Autor: M. Ershov, Tula

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