Устройство и принципы работы емкостного датчика

Рис. 2.8. Устройство емкостного датчика

Емкocтный бecконтактный датчик функционирует следующим образом:

1. Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом.
2. Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.
3. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.
4. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.
5. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособности, оперативность настройки.
6. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.
7. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.

Активная поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как обкладки "развернутого" конденсатора (см. рис.). Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотного автогенератора, настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. При приближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкость обратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта. Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал. Емкостные бесконтактные датчики срабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. При воздействии объектов из электропроводящих материалов реальное расстояние срабатывания Sr максимально, а при воздействии объектов из диэлектрических материалов расстояние Sr уменьшается в зависимости от диэлектрической проницаемости материала er (см. график зависимости Sr от er и таблицу диэлектрической проницаемости материалов). При работе с объектами из различных материалов, с разной диэлектрической проницаемостью, необходимо пользоваться графиком зависимости Sr от er. Номинальное расстояние срабатывания (Sn) и гарантированный интервал воздействия (Sa), указанные в технических характеристиках выключателей, относятся к заземленному металлическому объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение для определения реального расстояния срабатывания (Sr): 0,9 Sn < Sr < 1,1 Sn.

Рис 2.9.Зависимость реального расстояния срабатывания Sr от диэлектрической проницаемости материала объекта er

Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов: Материал - er
Бумага.........................................2,3
Бумага промасленная............4,0
Вода.............................................80
Воздух..........................................1,0
Древесина..................................2-7
Керосин.......................................2,2
Мрамор........................................8,0
Нефть...........................................2,2
Спирт этиловый........................25,8
Стекло.........................................5,0
Фторопласт (тефлон)..............2,0
Фарфор........................................4,4
Фанера........................................4,0

Емкостные датчики могут быть однополярными (в их состав входит только один конденсатор), дифференциальными (в их состав входят два конденсатора) или мостовыми (здесь уже используются четыре конденсатора). В случае дифференциальных или мостовых сенсоров, один или два конденсатора являются либо постоянными, либо переменными, включенными навстречу друг другу.

На практике при измерении перемещения электропроводного объекта, его поверхность часто играет роль пластины конденсатора. На рис.3 отображена принципиальная схема однополярного емкостного датчика, в котором одна из пластин конденсатора соединена с центральным проводником коаксиального кабеля, а другой пластиной является сам объект. Отметим, что собственная пластина датчика окружается заземленным экраном, что позволяет улучшать линейность и уменьшать краевые эффекты. Типовой емкостной датчик работает на частотах 3-МГц диапазона и может детектировать перемещения быстро двигающихся объектов. Частотные характеристики такого датчика со встроенным электронным интерфейсом лежат в диапазоне 40 кГц.

Емкостные датчики приближения очень эффективны при работе с электропроводными объектами, при этом они измеряют емкость между электродом и самим объектом. Емкостные датчики также достаточно хорошо работают и с непроводящими объектами, но при этом их точность несколько ухудшается. Любой объект, попадающий в окрестность электрода, обладает своими собственными диэлектрическими свойствами, которые изменяют емкость между электродом и корпусом датчика, что, в свою очередь, приводит к появлению выходного сигнала, пропорционального расстоянию между объектом и детектором.

Для повышения чувствительности и снижения краевых эффектов в однополярном емкостном датчике применяют активное экранирование. При этом экран размещается вокруг нерабочих сторон электрода и на него подается напряжение, равное напряжению на электроде. Поскольку напряжения на экране и электроде имеют одинаковые амплитуды и фазы, между ними нет электрического поля, и все компоненты, расположенные за экраном не оказывают никакого влияния на работу датчика. Этот метод экранирования проиллюстрирован на рис. 3.1.

Рис.3 Емкостный датчик с экранирующим кольцом, поперечное сечение

Рис. 3.1 Емкостный датчик, измеряющий расстояние до объекта, с активным экраном вокруг электрода

В последние годы очень популярными стали мостовые емкостные датчики перемещений. На рис. 3.2. отображен линейный мостовой емкостной датчик перемещений, состоящий из двух групп плоских электродов, расположенных параллельно на фиксированном расстоянии d. Для увеличения емкости расстояние между электродами делается достаточно маленьким. Стационарная группа электродов состоит из четырех прямоугольных элементов, а подвижная группа - из двух. Все шесть элементов имеют одинаковые размеры.

Для увеличения диапазона линейности желательно делать размер каждого элемента, как можно, крупным (здесь, как правило, начинают сказываться ограничения по механической прочности). Четыре электрода стационарной подгруппы перекрестно соединены друг с другом электрическими проводами, что делается для формирования емкостной схемы мостового типа.

На мостовую схему подается синусоидальное напряжение с частотой 5...50 кГц. Дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между парой электродов в подвижной группе. Выходной сигнал усилителя поступает на вход синхронного детектора. Емкость конденсатора. Емкостной датчик мостового типа с двумя параллельными пластинами: А — устройство расположения групп, Б — эквивалентная схема ном расстоянии друг от друга, пропорциональна площади части подвижной пластины, расположенной напротив соответствующей области стационарной пластины. На рис.3.2. отображена эквивалентная схема датчика перемещений с конфигурацией емкостного моста. Емкостные датчики перемещений имеют широкую сферу применения. Они могут использоваться как самостоятельно для определения положения и перемещения объектов, так и входить в состав других сенсоров, в которых перемещения отдельных элементов вызываются воздействием на них различных сил, давления, температуры и т.д.

Рис 3.2. Мостовой емкостный датчик

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ ПРИСУТСТВИЯ

Второй пластиной этого конденсатора может быть либо корпус автомобиля, либо отдельная пластина, расположенная под ковриком на полу. В качестве эталонного конденсатора Сх используется либо постоянный, либо переменный конденсатор. Его необходимо размещать недалеко от сидения. Эталонный и чувствительный конденсаторы подключаются к соответствующим входам детектора зарядов (через резисторы R1 и R2). Для уменьшения паразитных наводок соединительные провода рекомендуется скручивать. Дифференциальный детектор зарядов управляется генератором прямоугольных импульсов (рис. 3.4.). Когда на сидении никто не сидит, эталонный конденсатор устанавливается приблизительно равным конденсатору Сp. Резисторы и соответствующие конденсаторы определяют постоянные времени двух цепей. В исходном состоянии обе Сцепи имеют одинаковые постоянные времени, равные t1. Напряжения с резисторов подаются на входы ОУ, выходной сигнал того Uc практически равен нулю. Небольшие пики на выходном сигнале свидетельствуют о некотором разбалансе схемы. Когда человек садится на сидение, его тело формирует дополнительную емкость параллельно Ср, что приводит к увеличению постоянной времени цепи от t, до t2. Это сказывается на увеличении амплитуды пиков на выходе ОУ Компаратор сравнивает Uc с эталонным уровнем напряжения Uret. Когда Uc становится больше Uret, компаратор посылает сигнал на логическое устройство, вырабатывающее сигнал тревоги V, свидетельствующий о том, что в машине кто-то находится рекомендуется отметить, что емкостной детектор является активным устройством, поскольку для его работы необходим сигнал генератора

Рис. 3.3. Емкостной детектор для охраны автомобиля охранного детектора

Рис. 3.4. Временные диаграммы работы емкостного датчика

Оптический датчик

Фотосенсор – это устройство, которое регистрирует и реагирует на изменение интенсивности светового потока.

Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления освещением.

Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при достижении заданного значения освещенности.

Оптические датчики применяются во всех отраслях для позиционирования или счета объектов.

После механических контактных и потенциометрических сенсоров оптические детекторы возможно являются наиболее популярными устройствами для определения положения и перемещений объектов.

В состав оптического датчика перемещений, как правило, входят три компонента: источник света, фотодетектор и устройства, управляющие светом (линзы, зеркала, оптические волокна и т.д.