Устройство и принцип работы емкостного датчика

Емкостной датчик, как его определяет Большая Советская Энциклопедия, — измерительный преобразователь, позволяющий неэлектрические величины перевести в значения электрической емкости. Например, такие как давление, уровень жидкости, механическое усилие, влажность, и прочие. Изменения емкости оказываются пропорциональны колебаниям измеряемой величины, и это соответствие позволяет отследить ее поведение.

Как работает такой измеритель

По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.

Про конденсатор, его характеристики

Как известно, емкость конденсатора определяется формулой

С=Ɛ×Ɛ0×S/d

Где:

• Ɛ0 — диэлектрическая постоянная;
• Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;
• d — зазор между обкладками;
• S — площадь обкладок.

В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.

Принцип работы емкостного измерителя

Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.

Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.

Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.

Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.

Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.

Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.

Емкостный датчик

Мембрана подвергается воздействию измеряемой среды и располагается напротив одной или нескольких неподвижных пластин с зазором. При перемещении мембраны емкость между пластинами изменяется. Мембраны могут быть металлическими или керамическими. Емкостные приборы потребляют относительно небольшой ток, поэтому могут использоваться в беспроводных приложениях с питанием от батареи. Присущая им возможность измерения температуры часто может использоваться для получения дополнительного показателя измеряемого процесса.

• Гистерезис (приводит к появлению «набора» показаний для одного и того же значения давления);
• Долговечность (может выдержать много циклов измерения высокого/низкого давления);
• Стабильность (сохраняет калибровку);
• Защита от электромагнитных помех (невосприимчивость к локальным радиопомехам);
• Температурный диапазон (работа при экстремальных значениях температуры измеряемой жидкости/окружающей среды);
• Вибро- и ударопрочность (устойчивость к вибрации, ударам, скачкам давления и т.д.);
• Практические границы диапазона (подходящие для измеряемого давления);
• Диагностика отказов (наглядность при возникновении, возможность прерывания или загрязнения измеряемого потока);
• Безопасность (наличие сертификата для применения в опасных зонах);
• Потребление энергии (возможность питания от батареи);
• Выходной сигнал (формат, аналоговый/ цифровой);
• Материалы конструкции (диапазон температур, стойкость к коррозии);
• Масса;
• Стоимость.

Некоторые из этих показателей поддаются измерению и указываются в документации изготовителей, другие определить достаточно трудно. Например, для каждого датчика в каталоге будут указаны точность или температурный диапазон, но стабильность показаний или прочность гораздо сложнее определить в каких-либо цифровых показателях, позволяющих сравнивать различные приборы. Некоторые из этих коэффициентов непосредственно связаны с технологией преобразователя. Другие зависят от электроники, выполняющей обработку сигнала или конструкции корпуса датчика.

Практически все электронные технологии работают по принципу измерения перемещения мембраны, вызванного давлением с одной стороны. Датчики дифференциального давления имеют две мембраны или одну, перемещающуюся в обе стороны. Форма и компоновка мембран зависит от производителя, так же как и способы измерения перемещения.

Чаще всего используются емкостная, пьезоэлектрическая и тензорезистивная технологии, реже применяются приборы на основе резонансной частоты, электромеханические, магнитные и прочие. Каждая технология имеет свои специфические преимущества и ограничения.

Какие бывают датчики

Все измерители на основе ёмкостного сенсора можно разделить на:

• одноемкостные;
• двухемкостные.

Необходимо отметить, что конструктивно емкостные датчики могут быть:

• плоскими;
• цилиндрическими;
• поворотными.

Сфера применения любых из них достаточно обширна. Как пример, по функциональному назначению их можно использовать в роли:

• измерителей уровня;
• приборов контроля углового перемещения;
• датчиков перемещения;
• инклинометров;
• датчиков давления.

Этими примерами далеко не исчерпываются варианты применения емкостных измерителей. Ниже будут рассмотрены и другие возможности, предоставляемые этими приборами.

Одноемкостные датчики

Это самые простые сенсоры. По сути, они являются обычными конденсаторами переменной емкости, изменения которой отслеживаются специальной схемой. Ёмкостные измерители подобного типа подвержены сильному влиянию со стороны внешней среды. Лучше всего на их основе реализовывать различные бесконтактные варианты контроля, например приближения посторонних лиц к охраняемой зоне или движения в ней.

Как выглядят на практике подобные конденсаторы, можно понять из приведенных ниже рисунков.

Двухемкостные датчики

Позволяют уменьшить влияние внешней среды. Ёмкостный сенсор подобного типа отличается большей точностью измерения из-за того, что один конденсатор служит в качестве эталонного. Это позволяет компенсировать стороннее влияние. Двухемкостные датчики бывают дифференциальными и полудифференциальными. Схематически примеры построения подобных приборов показаны ниже.

Другой способ повысить чувствительность емкостного измерителя — использовать мостовую схему включения.

Датчики уровня

Емкостные датчики уровня — устройства, позволяющие контролировать уровень жидкого или сыпучего вещества в баке или бункере. Конечно, конструктивное исполнение вариантов измерителей для различных веществ будет разным, но принцип останется неизменным.

Фактически емкостные датчики уровня подобного типа являются двумя конденсаторами, соединенными между собой параллельно. Только у одного диэлектриком служит воздух, а у другого — жидкость или иное вещество. Таким образом, емкость каждого из них будет разная, она будет меняться и зависеть от степени заполнения бункера (бака).

Приведенный рисунок или схема емкостного датчика отличается простотой построения и универсальностью. Однако, чтобы повысить точность измерения, лучше всего, как минимум, дополнительно контролировать температуру жидкости, от нее зависит значение диэлектрической проницаемости. И в зависимости от температуры в расчетах необходимо будет использовать поправочный коэффициент.

Датчики линейного перемещения

Подобные устройства могут использоваться в самых разных целях, например для:

• контроля начала-окончания рабочего хода исполнительного устройства в автоматических станках;
• позиционирования различных объектов;
• фиксации появления стороннего объекта в системе охраной сигнализации;
• как концевой выключатель.

Датчики подобного типа могут работать на различных принципах. Ниже рассмотрим два варианта их реализации.

• На основе изменения зазора между пластинами конденсатора.

  
  В таком варианте воздействие приходится на одну из обкладок, она под приложенным усилием может смещаться, что вызывает изменение емкости конденсатора, пропорциональное воздействию.

• В представленном ниже варианте работа датчика основана на изменении диэлектрической проницаемости диэлектрика между обкладками.

Датчики углового перемещения

По своей сути подобные сенсоры похожи на датчики линейного перемещения, и чаще всего для этих целей используют приборы с изменяемой площадью. Одна из обкладок конденсатора прикреплена к валу объекта, а другая остается неподвижной. Изменение степени перекрытия пластин вызывает колебания емкости.

Для повышения точности измерения чаше всего используют многосекционные преобразователи.

Инклинометр

Принцип работы такого устройства схож с тем, как работает емкостный датчик уровня. В специальной капсуле крепится подложка, на которой располагаются два изолированных участка, которые являются одним из выводов конденсатора. Внутри капсула заполнена токопроводящей жидкостью. Она является другим электродом конденсатора. Его емкость определяется положением прибора по вертикали и не зависит от угла наклона в других направлениях.

Датчик давления

В подобном измерителе давление вызывает изменение расстояния между обкладками конденсатора. Достигается это тем, что между его пластинами располагается эластичная мембрана, на которую и оказывается воздействие. Перегородка в зависимости от давления движется в ту или иную сторону, что приводит к изменению емкости.

Принцип действия

Принцип работы емкостных извещателей основан на фиксации изменения емкости охраняемого объекта к которому они подключены. Изменение емкости приводит к изменению частоты генератора, понижение этой частоты ниже определенного порога приводит к формированию сигнала «Тревога». Чувствительность этих извещателей оценивается расстоянием до антенны, обычно составляет 10-30 см.

Учитывая, что такие извещатели чувствительны к электромагнитным помехам, а их в современном мире очень много, приходится применять сложные алгоритмы обработки полученных сигналов, чтобы отфильтровать все возникающие помехи и наводки.

Емкостные датчики прикосновения

Рассматривая разнообразные типы сенсоров на основе электрической емкости, нельзя обойти вниманием такое их использования как датчики прикосновения. Самым наглядным примером подобных приборов служат смартфоны. Реализация датчиков прикосновения может быть достаточно сложной, но она базируется на некоторых простых основополагающих принципах. Работа таких устройств основана:

• на использовании собственной емкости;
• на использовании взаимной емкости.

Далее будет рассмотрен принцип работы датчиков прикосновения на основе собственной емкости.

Датчик на основе собственной емкости

Конденсатор существует не только в виде отдельного объемного элемента с выводами. Емкостью также обладают два обычных проводника, расположенные параллельно. Исходя из этого, можно получить конденсатор, основываясь на электропроводных слоях, разделенных каким-либо диэлектриком. Такой конденсатор может быть получен на основе печатной платы.

Он представлен на рисунке ниже (в двух проекциях — сверху и сбоку). Мы видим обособленный участок (сенсорная кнопка), отделенный от общего слоя меди. А так как остальные участки соединены с землей, то сенсорная площадка может быть представлена как конденсатор между ней и землей.

Емкость такого конденсатора будет мала, порядка 10 пФ. Но для различных устройств ее значение не принципиально. При контроле зачастую важна не емкость, а ее изменение. Именно на это рассчитаны те схемы, которые обрабатывают состояние сенсорной кнопки.

Как изменить состояние кнопки

Самое простое, что можно сделать, — прикоснуться пальцем. Надо сразу отметить, что никакой опасности для человека такое касание не представляет. Обычно все платы покрываются лаком, так что прямого контакта с токопроводящими элементами не произойдет. Тем не менее, изменения состояния конденсатора будут. Это возможно по двум причинам:

• из-за диэлектрической проницаемости человеческого тела;
• из-за собственной проводимости

Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью

Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость тела отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, который служит изолятором в первоначальный момент, то емкость конденсатора изменится. Здесь расчет простой — диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а воды — 80 (человеческое тело по большей части состоит из воды). Значит, емкость сенсорной кнопки увеличится.

Для этого изменения даже не надо ее касаться. Как показали исследования ученых, порой достаточно просто поднести палец к контакту.

Тело обладает собственной проводимостью

Это давно установленный факт.

И хотя выше говорилось, что касание не несет опасности для человека, тем не менее, оно вносит свою лепту в изменение состояния сенсорной кнопки. Упрощенно можно считать, что емкость пальца подключена параллельно емкости сенсорной кнопки. Поэтому общая емкость системы, как и в предыдущем случае, увеличится. А значит, оба рассмотренных механизма (изменение диэлектрической проницаемости и собственная проводимость человеческого тела) приводят к увеличению емкости.

Емкостные датчики приближения

Среди большого разнообразия емкостных конструкций порой бывает непросто выбрать наиболее подходящий для данного конкретного случая вариант емкостного датчика. Во многих публикациях на тему емкостных устройств область применения и отличительные особенности предлагаемых конструкций описываются весьма кратко и радиолюбитель зачастую не может сориентироваться – какую-же схему емкостного устройства следует предпочесть для повторения.

В данной статье приведено описание различных типов емкостных датчиков, даны их сравнительные характеристики и рекомендации по наиболее рациональному практическому использованию каждого конкретно взятого типа емкостных конструкций.

Как известно, емкостные датчики способны реагировать на любые предметы и, при этом, их расстояние срабатывания не зависит от таких свойств поверхности приближающегося объекта, как, например, тёплый он или холодный (в отличие от инфракрасных датчиков), а так-же — твёрдый или мягкий (в отличие от ультразвуковых датчиков движения). Кроме того, емкостные датчики могут обнаруживать объекты сквозь различные непрозрачные «преграды», например – стены строений, массивные заборы, двери и т.п. Использоваться подобные датчики могут как для охранных целей, так и для бытовых, например – для включения освещения при входе в помещение; для автоматического открывания дверей; в сигнализаторах уровня жидкости и т.п. Существуют несколько типов емкостных датчиков.

1. Датчики на конденсаторах. В датчиках этого типа сигнал срабатывания формируется с помощью конденсаторных схем и подобные конструкции можно разделить на несколько групп. Наиболее простые из них — схемы на емкостных делителях.

В подобных устройствах, например [1], антенна-датчик подключается к выходу рабочего генератора через разделительный конденсатор малой ёмкости, при этом, в точке соединения антенны и вышеуказанного конденсатора, образуется рабочий потенциал, уровень которого зависит от ёмкости антенны, при этом, антенна-датчик и разделительный конденсатор образуют емкостной делитель и при приближении какого-либо объекта к антенне, потенциал в точке её соединения с разделительным конденсатором – понижается, что является сигналом к срабатыванию устройства.

Существуют так-же схемы на RC-генераторах. В данных конструкциях, например [2], для формирования сигнала срабатывания используется RC-генератор, частотозадающим элементом которого является антенна-датчик, ёмкость которой изменяется (возрастает) при приближении к ней какого-либо объекта. Задаваемый ёмкостью антенны-датчика сигнал, сравнивается затем с образцовым сигналом, поступающим с выхода второго (эталонного) генератора.

Датчики на развёрнутых конденсаторах. В подобных устройствах, например [3], в качестве антенны-датчика используются две плоские металлические пластины, размещённые в одной плоскости. Данные пластины являются обкладками развёрнутого конденсатора и при приближении каких-либо объектов, изменяется диэлектрическая проницаемость среды между обкладками и, соответственно, увеличивается ёмкость вышеуказанного конденсатора, что является сигналом к срабатыванию датчика. Известны так-же устройства, например [4], в которых используется способ сравнения ёмкости антенны с ёмкостью образцового (эталонного) конденсатора (ссылка Роспатента).

При этом, характерной особенностью емкостных датчиков на конденсаторах является их невысокая помехоустойчивость – на входах подобных устройств не содержится элементов, способных эффективно подавлять посторонние воздействия. Принимаемые антенной различные наводки и радиопомехи образуют на входе устройства большое количество шумов и помех, делая подобные конструкции нечувствительными к слабым сигналам. По этой причине, дальность обнаружения объектов у датчиков на конденсаторах невелика, например, приближение человека они обнаруживают с расстояния не превышающего 10 — 15 см. Вместе с тем, подобные устройства могут быть весьма простыми по своей конструкции, ( например [1] ) и в них нет необходимости использовать намоточные детали — катушки, контура и т.п., благодаря чему, данные конструкции довольно удобны и технологичны в изготовлении.

Область применения емкостных датчиков на конденсаторах. Данные устройства могут применяться там, где высокая чувствительность и помехоустойчивость не требуются, например в сигнализаторах прикосновения к металлич. предметам, датчиках уровня жидкости и т.п., а так-же, — для начинающих радиолюбителей, знакомящихся с емкостной техникой.

2. Емкостные датчики на частотозадающем LC-контуре. Устройства данного типа менее подвержены воздействиям радиопомех и наводок по сравнению с датчиками на конденсаторах. Антенна-датчик (обычно металлическая пластина) присоединяется (либо напрямую, либо через конденсатор ёмкостью в несколько десятков пФ) к частотозадающему LC-контуру ВЧ-генератора. При приближении какого-либо объекта — изменяется (увеличивается) ёмкость антенны и, соответственно, — ёмкость LС-контура. В результате — изменяется (понижается) частота генератора и происходит срабатывание.

Особенности емкостных датчиков данного типа. 1) LС-контур с присоединённой к нему антенной-датчиком является частью генератора, вследствие чего, воздействующие на антенну наводки и радиопомехи оказывают влияние и на его работу: через элементы положительной обратной связи помеховые сигналы (особенно импульсные) просачиваются на вход активного элемента генератора и усиливаются в нём, образуя на выходе устройства посторонние шумы, понижающие чувствительность конструкции к слабым сигналам и создающие опасность ложных срабатываний. 2) LС-контур, работающий в качестве частотозадающего элемента генератора, сильно нагружен и имеет пониженную добротность, в результате чего, снижаются избирательные свойства контура и ухудшается его способность изменять свою настройку при изменении ёмкости антенны, что дополнительно понижает чувствительность конструкции. Вышеуказанные особенности датчиков на частотозадающем LС-контуре ограничивают их помехоустойчивость и дальность обнаружения объектов, к примеру, расстояние обнаружения человека датчиками этого типа составляет обычно 20 — 30 см.

Имеется несколько разновидностей и модификаций емкостных датчиков с частотозадающим LС-контуром.

1) Датчики с кварцевым резонатором. В подобных устройствах, например [5], с целью повышения чувствительности и стабильности частоты генератора, введены: кварцевый резонатор и дифференциальный ВЧ-трансформатор, первичная обмотка которого является элементом частотозадающего контура генератора, а две его вторичных (идентичных) обмотки являются элементами измерительного моста, к которому подключается антенна-датчик, последовательно соединённая с кварцевым резонатором, и при приближении к антенне какого-либо объекта формируется сигнал срабатывания. Чувствительность у подобных конструкций выше по сравнению с обычными датчиками на частотозадающем LС-контуре, однако для них требуется изготовление дифференциального ВЧ-трансформатора (в вышеуказанной конструкции [5] его обмотки размещаются на кольце типоразмера К10 × 6 × 2 из феррита М3000НМ, при этом, для повышения добротности, в кольце прорезается зазор шириной 0,9…1,1 мм.

2) Датчики с отсасывающим LС-контуром. Данные конструкции, например [6], — представляют собой емкостные устройства, в которые с целью повышения чувствительности введён дополнительный (получивший название отсасывающего) LС-контур, индуктивно связанный с частотозадающим контуром генератора и настроенный в резонанс с этим контуром. Антенна-датчик, при этом, подключается не к частотозадающему контуру, а к вышеуказанному отсасывающему LС-контуру, включающему в себя конденсатор малой ёмкости и соленоид, индуктивность которого, соответственно, — увеличена. Т.к.е. контурного конденсатора, при этом, должен быть небольшим – на уровне М33 – М75. Благодаря малой ёмкости данного контура, ёмкость антенны-датчика становится с ней сравнима, благодаря чему, изменения ёмкости антенны оказывают значительное воздействие на настройку вышеуказанного отсасывающего LС-контура, при этом, от настройки данного контура в значительной мере зависит амплитуда колебаний на частотозадающем контуре генератора и, соответственно, — уровень ВЧ-сигнала на его выходе.

Можно отметить и то, что в подобных конструкциях связь между антенной и частотозадающим контуром генератора не прямая, а индуктивная, благодаря чему, погодно-климатические воздействия на антенну не могут оказывать прямого влияния на работу активного элемента генератора (транзистора или ОУ), что является положительным свойством подобных конструкций. Как и в случае с датчиками на кварцевом резонаторе, повышение чувствительности у емкостных устройств с отсасывающим LС-контуром достигнуто за счёт некоторого усложнения конструкции – в данном случае требуется изготовление дополнительного LС-контура, включающего в себя катушку индуктивности с количеством витков — вдвое большим (в [6] — 100 витков) по сравнению с катушкой частотозадающего LС-контура.

3) В некоторых емкостных датчиках для повышения дальности обнаружения используется такой способ, как увеличение размеров антенны-датчика. При этом, у таких конструкций возрастает и восприимчивость к электромагнитным наводкам и радиопомехам; по этой причине, а так-же в силу громоздкости подобных устройств (например, в [7] в качестве антенны используется металлическая сетка размером 0,5 × 0,5 М.) данные конструкции целесообразно использовать за?городом, — в местах со слабым электромагнитным фоном и, желательно — за пределами жилых помещений – что-бы не возникали наводки от сетевых проводов. Устройства с большими размерами датчиков лучше всего использовать в сельской местности для охраны садовых участков и полевых объектов. Область применения датчиков с частотозадающим LС-контуром. Подобные устройства могут использоваться для различных бытовых целей (включение освещения и т.п.), а так-же для обнаружения каких-либо объектов в местах со спокойной электромагнитной обстановкой, например — в подвальных помещениях (находящихся ниже уровня земли), а так-же за?городом (в сельской местности — при отсутствии радиопомех — датчики этого типа могут обнаруживать, к примеру, приближение человека на расстоянии до нескольких десятков см). В городских-же условиях данные конструкции целесообразно использовать либо как датчики прикосновения к металлическим предметам, либо в составе тех устройств сигнализации, которые в случае ложных срабатываний не причиняют больших неудобств окружающим, например, — в устройствах, включающих отпугивающий световой поток и негромкий звуковой сигнал.

3. Дифференциальные емкостные датчики (устройства на дифференциальных трансформаторах). Подобные датчики, например [8], отличаются от вышеописанных конструкций тем, что имеют не одну, а две антенны-датчика, что позволяет обеспечить подавление (взаимокомпенсацию) погодно-климатических воздействий (температура, влажность, снег, иней, дождь и т.п.). При этом, для обнаружения приближения объектов к какой-либо из антенн емкостного устройства, используется симметричный измерительный LC-мост, реагирующий на изменение ёмкости между общим проводом и антенной.

Работают данные устройства следующим образом. Чувствительные элементы датчика – антенны подключаются к измерительным входам LC-моста, а ВЧ-напряжение, необходимое для питания моста, формируется в дифференциальном трансформаторе, на первичную обмотку которого, подаётся питающий ВЧ-сигнал с выхода ВЧ-генератора ( в [8] — в целях упрощения, — катушка частотозадающего контура генератора одновременно является первичной обмоткой дифференциального трансформатора). Трансформатор дифференциальных конструкций содержит две идентичных вторичных обмотки, на противоположных концах которых, образуется противофазное переменное ВЧ-напряжение, для питания LС-моста. При этом, на выходе моста, ВЧ-напряжение отсутствует т.к ВЧ-сигналы на его выходе будут одинаковы по амплитуде и противоположны по знаку, в силу чего, будет происходить их взаимокомпенсация и подавление (в измерительном LС-мосте рабочие токи идут навстречу друг другу и взаимокомпенсируются на выходе). В своём исходном состоянии на выходе измерительного LС-моста сигнал отсутствует, в случае-же приближения объекта к какой-либо из антенн, увеличивается ёмкость того или иного плеча измерительного моста, вызывая нарушение его балансировки, в результате чего, взаимокомпенсация ВЧ-сигналов генератора становится неполной и на выходе LС-моста появляется сигнал к срабатыванию устройства.

При этом, если ёмкость возрастает (или понижается) сразу у обоих антенн, то срабатывания не происходит т.к. в этом случае балансировка LС-моста не нарушается и ВЧ-сигналы, протекающие в цепи LС-моста, по-прежнему сохраняют одинаковую амплитуду и противоположные знаки.

Благодаря вышеуказанному свойству, устройства на дифференциальных трансформаторах, также, как и описанные выше, дифференциальные конденсаторные датчики, устойчивы к погодно-климатическим колебаниям т.к. те воздействуют на обе антенны одинаково и затем взаимокомпенсируются и подавляются. Наводки и радиопомехи, при этом, не подавляются, устраняются лишь погодно-климатические воздействия, поэтому у дифференциальных датчиков, как и у датчиков на частотозадающем LС-контуре, периодически случаются ложные срабатывания. Располагаться-же антенны должны так, что-бы при приближении объекта, воздействие на одну из них было-бы больше, чем на другую.

Особенности дифференциальных датчиков. Дальность обнаружения у этих устройств несколько выше по сравнению с датчиками на частотозадающем LС-контуре, но при этом дифференциальные датчики сложнее по конструкции и имеют повышенный потребляемый ток из-за потерь в трансформаторе, имеющего ограниченный к.п.д. Кроме того, подобные устройства имеют зону пониженной чувствительности между антеннами.

Область применения. Датчики на дифференциальном трансформаторе предназначены для использования в уличных условиях. Данные устройства могут применяться там-же, где и датчики на частотозадающем LС-контуре, с той лишь разницей, что для установки дифференциального датчика необходимо место для второй антенны.

4. Резонансные емкостные датчики (патент РФ № 2419159; ссылка Роспатента). Высокочувствительные емкостные устройства — сигнал срабатывания в данных конструкциях формируется во входном LС-контуре, находящемся в частично расстроенном состоянии по отношению к сигналу с рабочего ВЧ-генератора, с которым контур соединён через конденсатор малой ёмкости (необходимый элемент сопротивления в цепи). Принцип действия подобных конструкций имеет две составляющие: первая — это настроенный соответствующим образом LС-контур, и вторая — это элемент сопротивления, через который LС-контур подключается к выходу генератора.

Благодаря тому, что LС-контур находится в состоянии частичного резонанса (на скате характеристики), его сопротивление в цепи ВЧ-сигнала сильно зависит от ёмкости — как своей, так и ёмкости присоединённой к нему антенны-датчика. В результате — при приближении какого-либо объекта к антенне, ВЧ-напряжение на LС-контуре значительно меняет свою амплитуду, что является сигналом к срабатыванию устройства.

LC-контур при этом, не теряет своих избирательных свойств и эффективно подавляет (шунтирует на корпус) приходящие с антенны-датчика посторонние воздействия — наводки и радиопомехи, обеспечивая высокий уровень помехоустойчивости конструкции.

В резонансных емкостных датчиках рабочий сигнал с выхода ВЧ-генератора должен подаваться на LС-контур через некоторое сопротивление, величина которого должна быть сравнима с сопротивлением LС-контура на рабочей частоте, в противном случае, при приближении объектов к антенне-датчику, рабочее напряжение на LС-контуре будет очень слабо реагировать на изменения сопротивления LС-контура в цепи (ВЧ-напряжение контура будет просто повторять выходное напряжение генератора).

Может показаться, что LС-контур, находящийся в состоянии частичного резонанса, будет работать нестабильно и чрезмерно зависеть от температурных изменений. В действительности-же, — при условии использования контурного конденсатора с малым значением т.к.е. (М33 – М75) — контур достаточно стабилен, в том числе — и при работе емкостного устройства в уличных условиях. Например, при изменении температуры от +25 до -12 град. ВЧ-напряжение на LС-контуре изменяется не более чем на 6 %.

Кроме того, в резонансных емкостных конструкциях антенна соединена с LС-контуром через конденсатор малой ёмкости (использовать сильную связь в подобных устройствах нет необходимости), благодаря чему, погодные воздействия на антенну-датчик не нарушают работу LС-контура и его рабочее ВЧ-напряжение остаётся практически неизменным даже во время дождя. По своей дальности действия резонансные емкостные датчики — значительно (иногда в разы) превосходят устройства на частотозадающих LС-контурах и на дифференциальных трансформаторах, обнаруживая приближение человека на расстоянии, значительно превышающем 1 метр.

При всём этом, высокочувствительные конструкции с использованием резонансного принципа действия появились лишь недавно — первой публикацией на данную тему является статья «Емкостное реле» (журн. «Радио» 2010 / 5, стр. 38, 39); кроме того, дополнительная информация о резонансных емкостных устройствах и их модификациях имеется так-же на интернет-странице автора вышеуказанной статьи: https://sv6502.narod.ru/index.html .

Особенности резонансных емкостных датчиков. 1) При изготовлении резонансного датчика, предназначенного для работы в уличных условиях, требуется обязательная проверка входного узла на термостабильность, для чего производится измерение потенциала на выходе детектора при различных температурах (для этого можно использовать морозилку холодильника), детектор при этом, должен быть термостабильным (на полевом транзисторе). 2) В резонансных емкостных датчиках связь между антенной и ВЧ-генератором слабая и поэтому излучение радиопомех в эфир у подобных конструкций очень незначительное, — в несколько раз меньшее по сравнению с другими типами емкостных устройств.

Область применения. Резонансные емкостные датчики можно эффективно использовать не только в сельских и полевых, но и в городских условиях, воздерживаясь при этом, от размещения датчиков вблизи мощных источников радиосигналов (радиостанции, телецентры и т.п.), иначе и у резонансных емкостных устройств будут наблюдаться ложные срабатывания. Устанавливать резонансные датчики можно в том числе и в непосредственной близости от других электронных устройств, — благодаря малому уровню излучения радиосигнала и высокой помехоустойчивости, резонансные емкостные конструкции имеют повышенную электромагнитную совместимость с другими устройствами.

Ссылки

[1] Нечаев И. «Емкостное реле», журн. «Радио» 1988 /1, стр.33. [2] Ершов М. «Емкостной датчик», журн. «Радио» 2004 / 3, стр. 41, 42. [3] Москвин А. «Бесконтактные емкостные датчики», журн. «Радио» 2002 / 10, стр. 38, 39. [4] Галков А., Хомутов О., Якунин А. «Емкостная адаптивная охранная система» патент РФ № 2297671 (С2), с приоритетом от 23. 06. 2005 г. – Бюллетень «Изобретения. Полезные модели», 2007, № 11. [5] Савченко В, Грибова Л. «Бесконтактный емкостный датчик с кварцевым резонатором», журн. «Радио» 2010 / 11, стр. 27, 28. [6] «Емкостное реле» — журн. «Радио» 1967 / 9, стр. 61 (раздел зарубежных конструкций). [7] Рубцов В. «Устройство охранной сигнализации», журн. «Радиолюбитель» 1992 / 8, стр. 26. [8] Глузман И. «Реле присутствия», журн. «Моделист-конструктор» 1981 / 1, стр. 41, 42).

Автор: Соломеин Владислав Петрович, г. Екатеринбург, 620016, А/Я № 97. E-mail

Датчики присутствия

Другим, не менее важным и востребованным вариантом применения датчиков на основе емкости является их использование для обнаружения кого- или чего-либо в зоне контроля. Самый простой пример — включение освещения на лестничной площадке. Хотя этим далеко не исчерпываются возможности таких измерителей. Не менее востребовано применение таких сенсоров в системах охранной сигнализации. Или подсчета количества штучной продукции.

Как это работает

Выше уже отмечалось, что человеческое тело обладает определенной диэлектрической проницаемостью и проводимостью.

На рисунке представлено схематическое изображение такой системы. Имеются два электрода, подключенные к измерителю. Каждый из них обладает своей емкостью, обозначенной С1. В результате есть определенная результирующая емкость у всей системы.

При появлении в контролируемой зоне какого-то нового объекта, например человека, у системы образуются две дополнительные емкости: Са — между электродом и телом человека, и Сb — между человеком и землей. Результирующая емкость всей системы изменится, и это изменение может быть отслежено схемой контроля.

Еще один способ обнаружения присутствия

В этом случае также используется эффект увеличения емкости при появлении постороннего предмета в зоне контроля. Только в данном случае применяется механизм активного воздействия на контролируемый участок. Для этого используется схема датчика с активным излучателем.

В состав такого измерителя входят генератор сигналов, компаратор и усилитель-преобразователь. При включении схемы в пространстве перед измерителем возникает электрическое поле. Генератор настроен таким образом, чтобы при отсутствии посторонних предметов он не запускался. Достигается это тем, что свободное пространство считается развернутым конденсатором с диэлектрической проницаемостью равной 1. Значение емкости получается недостаточным для запуска генератора.

При появлении каких-либо материалов, объектов, людей перед измерителем диэлектрическая проницаемость среды изменяется (увеличивается), также растет емкость конденсатора. Это приводит к запуску генератора. Амплитуда колебаний будет зависеть от расстояния до предмета, его материала и диэлектрической проницаемости.

При достижении амплитуды колебаний определенной величины, срабатывает компаратор и выдает сигнал на усилитель. Посторонний предмет обнаружен.

Данная схема может применяться не только в системах охранной сигнализации для фиксации вторжения в закрытую зону, но и для других целей. На этом принципе может работать система подсчета количества штучного товара, например, упаковок молока, консервных банок или любых других аналогичных предметов.

Пьезоэлектрические датчики

Эта технология очень разнообразна и возможны различные варианты конструкции, поэтому охарактеризовать ее точно не так просто. Диафрагма оказывает давление на кристалл, который или генерирует электрический заряд (пьезоэлектрический эффект) или изменяет сопротивление (пьeзорезистивный эффект) в зависимости от степени отклонения или давления на кристалл. Мембрана может контактировать с кристаллом непосредственно или передавать давление гидравлически через силиконовое масло. Датчики на основе этой технологии имеют различные размеры и конфигурацию. Хотя они не достигают точности емкостных датчиков, эти приборы имеют более широкий диапазон рабочей температуры и измеряемого давления. Мембраны могут быть металлическими или керамическими. Они также чувствительны к температуре и обычно имеют возможность ее измерения с целью последующей корректировки результатов измерений. Часто температура может использоваться в качестве дополнительной переменной процесса.

Возможные сферы применения датчиков

Рассмотренные емкостные датчики уровня, давления, положения и другие типы подобных изделий, а также особенности конструкции, позволяют сделать вывод об их универсальности. А значит, они могут быть использованы в разных областях промышленности, схемах регулирования и контроля. В качестве примера можно назвать следующие области народного хозяйства, где могут применяться подобные измерители:

• нефтегазовая промышленность;
• добыча и переработка металлов;
• горнодобывающая промышленность;
• сельское хозяйство, в том числе животноводство и растениеводство;
• деревообрабатывающая промышленность;
• производство напитков и продуктов питания;
• станкостроение и роботизированные комплексы;
• целлюлозно-бумажная промышленность;
• химическая промышленность и другие.

Использование емкостных преобразователей позволяет решить самые различные задачи. Перечислить их все просто нереально, но опять же в качестве примеров можно перечислить такие варианты их использования:

• указание положения жидкости, сыпучих веществ, в том числе продуктов, в трубе или хранилище, контроль их заполнения;
• сигнализация обрыва провода, ленты, иных подобных предметов при намотке;
• подсчет количества штучных изделий;
• контроль натяжения ленты;
• использование в охранных системах для обнаружения несанкционированного вторжения.

Преимущества емкостных датчиков

Среди несомненных достоинств таких сенсоров, где бы они ни применялись, хоть в Москве, хоть в Антарктиде, стоит отметить:

• малый вес, габариты, незначительное потребление электроэнергии;
• отсутствие контактов;
• длительный срок эксплуатации;
• возможность адаптировать датчики к использованию для решения различных задач;
• незначительные усилия для перемещения подвижных частей.
• простоту изготовления, а также применение для этих целей доступных, недорогих материалов;

Основные преимущества емкостных датчиков

Необходимо заметить, что емкостной датчик обладает большим количеством преимуществ, если сравнивать его с аналогичными приборами, которые выполнены по несколько иным принципам. Давайте перечислим основные достоинства этих КИПов:

• В изготовлении они чрезвычайно просты. Кроме того, в их производстве могут быть использованы самые простые и дешевые материалы. Даже емкостные датчики уровня топлива, используемые на важных объектах нефтяной промышленности, имеют крайне скромные габариты, обладают минимально возможным уровнем потребления электрической энергии. При всех этих характеристиках они отличаются превосходным уровнем чувствительности, который нередко недостижим и для более дорогих приборов.
• В принципе, можно сделать емкостной датчик своими руками, используя в качестве его основы любой более-менее надежный и качественный промышленный конденсатор.
• Контактов у них нет (очень редко используется один токосъемник), что крайне благоприятно сказывается на работе в условиях высокой запыленности и влажности в помещении.
• Срок эксплуатации чрезвычайно долог, прибор многократно успевает «отбить» свою невысокую стоимость. Соответственно, датчик емкостной (цена которого находится в пределах 1200-1700 рублей) является чрезвычайно выгодным приобретением.
• Для перемещения подвижной части прибора требуется приложить удивительно мало усилий.
• Устройство очень легко сочетается практически со всеми категориями оборудования, которое только используется в промышленной деятельности.

Где купить

Различные сенсорные устройства можно купить в специализированном магазине. Но существует другой вариант, который недавно получил ещё и значительные улучшения. Долго ждать посылку из Китая больше не требуется: в интернет-магазине АлиЭкспресс появилась возможность отгрузки с перевалочных складов, расположенных в различных странах. Например, при заказе вы можете указать опцию «Доставка из Российской Федерации».

Переходите по ссылкам и выбирайте:

Емкостный датчик влажности почвы	Емкостный сенсорный выключатель, пружинный переключатель	Емкостная сенсорная кнопка
Высококачественный LJC18A3-H-Z/BX 1-10 мм емкостный датчик приближения	LJC18A3-H-Z/BX 1-10 мм емкостной датчик приближения	Емкостная сенсорная кнопка переключателя постоянного тока