非接触静電容量センサー。スキーム、説明

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非接触静電容量センサー。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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静電容量センサーは、固体と液体、金属と誘電体など、さまざまな物質に反応します。たとえば、タンクに液体やバルク材料を充填する際の非接触制御、さまざまな物体の位置決めと計数、物体の保護などに使用されます。提案された記事は、非接触センサーの動作原理を説明し、環境の比誘電率の実際の実装と使用に適した図を提供します。感知面の直径が 1 mm の一般的なセンサーは、「標準ターゲット」 ([2] による用語) を 60 mm の距離に固定します。

非接触容量センサーの感応要素は、図に示すように、プレートが 1 つの平面に配置されたコンデンサーです。 XNUMX.

非接触静電容量センサー

異物の有無に応じて、媒体の周囲のプレートの平均誘電率が変化し、その結果コンデンサの静電容量も変化します。後者は発振器の周波数設定要素として機能します。センサー内に存在する閾値デバイスは、振動の振幅または周波数が変化したときにそれを監視し、作動ユニットを作動させます。

多くの静電容量センサーでは、発振周波数は数メガヘルツになるように選択されます。発電機は個別のトランジスタで構築されており、その数は XNUMX つに達します。ただし、静電容量の変化に十分に敏感で、数百キロヘルツの周波数で動作する発電機は、たった XNUMX つのミドルクラスのオペアンプで構築できます。

図に示されている、オペアンプ上の方形パルス発生器の古典的なスキームは次のとおりです。 2.

非接触静電容量センサー

詳細な説明と計算は [4] に記載されています。オペアンプ DA1 が理想的であれば、発振周波数はコンデンサ C1 (センサーの検出素子) の静電容量に反比例し、その振幅は変化しません。実際、静電容量が減少し、周波数が増加すると、実際のオペアンプに固有の慣性により、ジェネレーターの自励条件が満たされなくなり、発振が停止する瞬間が生じます。。

敏感なゾーンに異物が存在しても発電機が動作することを保証することが残っており、異物が除去されると（これはコンデンサの静電容量の減少と同等です）、異物は存在しなくなります。このモードは、発電機が連続的に動作する場合 [5、6]、または異物がない場合にのみ [7、8] 、既知のモードよりも有利な点があります。

このアイデアは、ELECTRONIC WORKBENCH プログラムを使用して発電機をシミュレートすることによってテストされました。標準プログラム要素のライブラリから、OS HA2502 がモデルとして選択されました。抵抗値は、R1 - 330 kOhm、R2 - 1 kOhm、R3 - 2 kOhmでした。発振は穏やかに発生し、コンデンサ C1 の静電容量が 11 pF から 12 pF に変化したとき、またはその逆に変化したときに停止しました。高い信頼性を持って、静電容量センサーの信頼性の高い動作にはこれで十分であると主張できます。その後、実際の構造をテストすることで結論が確認されました。

センサーの感応要素は片面箔でコーティングされた絶縁材料でできており、その上にサイズ 70x50 mm の箔の 2 つの長方形セクションが残り、短辺が 5 mm のギャップで互いに隣接しています。このようにして形成された「ラップされていないコンデンサ」の静電容量は約 50 pF です。コンデンサプレートを発電機に接続するワイヤの長さは最小限、XNUMX mm 以下である必要があります。

KR157UD2 チップの 3 つのオペアンプのうちの XNUMX つにあるジェネレータの実際の回路を図に示します。 XNUMX.

非接触静電容量センサー

マイクロ回路は単一電源から電力を供給されるため、抵抗分圧器 R3R4 を使用して、電源電圧の半分に等しいバイアスがオペアンプの非反転入力に印加されます。周波数設定回路は、抵抗器 R2 と検出素子 E1 の静電容量によって形成されます。抵抗 R1 は、オペアンプの入力を干渉やオペアンプを無効にする可能性のある干渉から保護するために機能します。

オペアンプの周波数応答を補正するコンデンサ C1 の重要な役割に注意してください。周波数応答の傾きにおける発電機の「動作点」は、このコンデンサの静電容量によって異なります。 C1=12 pF、R5=180 kOhm (周波数 200 kHz) と C1=6,8 pF、R5=1 MΩ (周波数 500 kHz) の 2 つのオプションがテストされました。どちらの場合も、抵抗器 RXNUMX を調整することで、異物が感知素子に近づいたときに発電機を励起することができました。調整は絶縁材でできた長いドライバーを使用して行うのが望ましいです。

テスト中、センサーは数センチメートル離れたところにある人間の手や水のタンクを「感じました」。より近い距離からは、木のブロック、空のガラス瓶、さらには生徒の消しゴムを見つけることができました。

K1407UD1 チップのジェネレータ回路を図 4 に示します。四。

非接触静電容量センサー

その特性は上で説明したものとほぼ同じです。適用したオペアンプには補正回路を接続するためのピンがないため、R3C1 回路を介したフィードバックの助けを借りて性能が低下します。さらに、前のデバイスの抵抗 R1 (図 3 を参照) と同様に、抵抗 R3 はオペアンプの入力を干渉から保護します。発電機の動作周波数は約 100 kHz です。

図上。図5は、KR157DA1マイクロ回路上の非接触センサーの図を示しています[9]。

非接触静電容量センサー

以前に検討されたもの (図 3 および 4 を参照) とは対照的に、オペアンプ DA1.1 自体の帯域幅が非常に狭いため、センサージェネレーターに追加の OS は必要ありません。ただし、信頼性の高い動作を実現するには、R6C1 回路を導入する必要がありました。抵抗 R1 - 保護。

オペアンプ DA1.1 のジェネレータの発振周波数は、R20=5 kOhm の場合は 10 kHz、R80=5 kOhm の場合は 100 kHz です。感知領域に物体が存在しない場合、発電機は動作せず、HL1 LED は点灯しません。後者により、たとえば [8] に記載されているものと比較して、デバイスがより経済的になります。 R1.2C7 回路を負荷とする DA2 検出器の 1.3 番目の出力から、信号はしきい値デバイスであるオペアンプ DA7 の入力に供給されます。センサーがトリガーされると、その出力 (DA1 チップのピン XNUMX) で、低電圧レベルが高電圧レベルに置き換えられます。

外部の物体が存在しない場合、検討中のものを含む容量性センサーの発生器は、100 Hz の周波数で続く振動の短期間の「フラッシュ」を発することがあります。これはおそらくネットワーク干渉の結果です。「フラッシュ」のデューティサイクルは非常に高く、R7C2 慣性回路がフラッシュを弱め、DA1.3 のトリガーレベルに達するのを防ぎます。

テストが示したように、前に示した感知要素 E1 の寸法は縮小可能です。たとえば、K1407UD1 チップ上のデバイス (図 4 を参照) も 30x6 mm のプレートサイズで動作し、フィードバック回路の時定数を一定に維持するには、可変抵抗器 R5 の値を次の値まで増やす必要がありました。 560キロオーム。センサーの感度は非常に満足のいくものでした。

コンデンサプレートを押し広げるか、共通ワイヤに接続されているコンデンサプレートを完全に取り除くことで、感受性ゾーンのサイズを大きくすることが可能でした。後者の場合、リモートライニングの役割は、最も一般的なワイヤとそれに接続されている要素に移ります。同調抵抗器 R5 で適切に同調した後、手の残りの内壁に 100 mm の距離、または木のブロックに 30 mm 近づいたときに発電機が励起されました。ただし、周波数 100 Hz の「フラッシュ」の振幅は著しく増加しました。

文学

TURCK 近接センサー。 TURCK社（ドイツ）の非接触センサー（スイッチ）のカタログです。
BALLUFF センサー技術。 BALLUFF（ドイツ）の非接触センサー（スイッチ）のカタログ。
GOST R 50030.5.2-99 (IEC 60947-5-2) 低電圧配電および制御装置。パート5.2。制御回路の機器およびスイッチング素子。非接触センサー。
フロルキン V.、ポポフ L. インパルスデバイス。 - M.: ソ連のラジオ、1980 年。
Nechaev I.容量性リレー。 - ラジオ、1988 年、No. 1、p. 33.
Nechaev I.容量性リレー。 - ラジオ、1992 年、第 9 号、p. 48.
物体に近づくと警報装置。 - ラジオ、1999 年、第 5 号、p. 40。
Moskvin A. 静電容量センサーを備えたウォッチドッグ。 - ラジオ、2001 年、第 8 号、p. 35、36。
アタエフ D.、ボロトニコフ V. 家庭用機器用のアナログ集積回路。ディレクトリ。 - M.: PKF「印刷」、1992年。

著者: A. Moskvin、エカテリンブルク

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