Принцип работы емкостных датчиков, на что обратить внимание при подборе

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.

Емкостные датчики

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.

Виды датчиков

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.

Составляющие датчика

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.

Датчики

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.

Датчики разные емкостные

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.

Синий емкостный датчик

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.

Белый емкостный датчик

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.

Добавить комментарий
Adblock
detector