非接触式电容传感器。方案、说明

非接触式电容传感器。无线电电子电气工程百科全书

免费技术库

电容式传感器对多种物质做出反应 - 固体和液体、金属和电介质。例如，它们用于非接触式监控液体和散装材料罐的填充、各种物体的定位和计数以及物体的安全。本文介绍了非接触式传感器的工作原理，并提供了适合实际实施和使用的图表。许多国内外公司生产的非接触式传感器[1, 2]都是基于“电容器”原理工作的，对因外观引起的变化做出反应敏感区域内异物环境的相对介电常数。敏感表面直径为 60 mm 的典型传感器可检测 40 mm 距离处的“标准目标”（术语根据 [3]）。

非接触式电容传感器的敏感元件是一个在一个平面上部署极板的电容器，如图 1 所示。 XNUMX.

非接触式电容传感器

根据是否存在异物，介质周围镀层的平均介电常数以及电容器的电容会发生变化。后者用作自振荡器的频率设置元件。传感器中的阈值装置监视振荡的幅度或频率，当它们发生变化时，它会激活执行器。

在许多电容式传感器中，振荡器频率选择为几兆赫。发电机采用分立晶体管构建，数量达到五个。然而，仅使用一个中级运算放大器即可构建对电容变化足够敏感、在数百千赫兹频率下运行的发生器。

其基础是基于运算放大器的矩形脉冲发生器的经典电路，如图2所示。 XNUMX.

非接触式电容传感器

其详细描述和计算在[4]中给出。如果运放DA1是理想的，则振荡频率与电容器C1（传感器的敏感元件）的电容成反比，并且它们的幅度不变。事实上，随着电容的减小和频率的增加，由于实际运算放大器固有的惯性，发电机自激的条件不再满足并且振荡被破坏。

仍然要确保敏感区域有异物时发生器工作，而当它被移除时（相当于减小电容器的电容），它不再工作。当发电机连续运行 [5, 6] 或仅在没有外来物体的情况下运行 [7, 8] 时，这种模式比已知的模式具有一定的优势。

通过使用 ELECTRONIC WORKBENCH 程序模拟发电机来测试这个想法。 OA NA2502 是从该模型的标准程序元素库中选择的。电阻值为：R1 - 330 kOhm、R2 - 1 kOhm、R3 - 2 kOhm。当电容器 C1 的电容从 11 pF 变为 12 pF 并返回时，振荡缓慢地出现并消失。我们可以充满信心地说，这足以保证电容式传感器的可靠运行。随后，通过测试真实结构证实了这一结论。

传感器的敏感元件由单面箔绝缘材料制成，其上留有两个70x50mm的矩形箔片，短边彼此相邻，间隙为2mm。这样形成的“展开电容器”的电容约为5pF。连接电容器板和发电机的电线长度应最短，不超过 50 毫米。

基于 KR157UD2 微电路的两个运算放大器之一的实用发生器电路如图 3 所示。 XNUMX.

非接触式电容传感器

由于微电路由单电源供电，使用电阻分压器 R3R4，因此将等于电源电压一半的偏置施加到运算放大器的非反相输入。频率设定电路由电阻R2和敏感元件E1的电容组成。电阻器 R1 用于保护运算放大器输入免受干扰以及可能损坏运算放大器的干扰。

应该注意电容器C1的重要作用，它校正运算放大器的频率响应。频率响应斜率上发生器的“工作点”取决于该电容器的电容。测试了两个选项：C1=12 pF、R5=180 kOhm（频率 200 kHz）和 C1=6,8 pF、R5=1 MOhm（频率 500 kHz）。在这两种情况下，通过调节电阻器R2，可以确保当异物接近敏感元件时发电机被励磁。建议使用绝缘材料制成的长螺丝刀进行调整。

在测试过程中，传感器在几厘米的距离“感觉到”人手或一箱水。在较短的距离内，可以检测到木块、空玻璃罐，甚至学生的橡皮。

K1407UD1芯片上的发生器电路如图所示。四。

非接触式电容传感器

其性质与上面讨论的性质大致相同。由于所使用的运算放大器没有用于连接校正电路的引脚，因此通过 R3C1 电路的反馈会降低其性能。此外，与之前器件中的电阻器 R1 一样（见图 3），电阻器 R3 可以保护运算放大器输入免受干扰。发生器的工作频率约为 100 kHz。

图上。图 5 显示了 KR157DA1 微电路 [9] 上的非接触式传感器的示意图。

非接触式电容传感器

与之前讨论的不同（参见图 3 和 4），传感器发生器中不需要额外的操作系统，因为 DA1.1 运算放大器本身的带宽非常窄。但为了实现可靠工作，必须引入R6C1电路。电阻R1起保护作用。

运算放大器 DA1.1 处发生器的振荡频率在 R20=5 kOhm 时为 10 kHz，在 R80=5 kOhm 时为 100 kHz。如果敏感区域内没有物体，发生器不工作，HL1 LED不亮。例如，与[8]中描述的设备相比，后者使设备更加经济。信号从检测器 DA1.2 的第二个输出（其负载是电路 R7C2）进入阈值器件 - 运算放大器 DA1.3 的输入。在其输出端（DA7 芯片的引脚 1），当传感器被触发时，低电压电平被高电平取代。

在没有外部物体的情况下，电容式传感器的发生器（包括正在考虑的发生器）有时会产生频率为 100 Hz 的短期“闪光”振荡。这可能是网络干扰的结果。 “闪烁”的占空比相当高，惯性电路R7C2削弱了它们，不允许它们达到DA1.3的触发电平。

正如测试所示，前面指出的敏感元件E1的尺寸可以减小。例如，K1407UD1 微电路上的器件（见图 4）也使用 30x6 mm 的板尺寸运行，为了保持反馈电路的恒定时间常数，必须将可变电阻器 R5 的值增加到560 欧姆。传感器的灵敏度仍然令人满意。

通过将电容器板移至侧面或完全移除连接到公共电线的电容器板，可以增加敏感区域的尺寸。在后一种情况下，远程衬里的作用传递给公共电线本身以及与其连接的元件。通过调谐电阻R5进行适当调整后，当发电机接近手臂剩余衬里100毫米或接近木块30毫米时，发电机被激励。然而，频率为100赫兹的“闪烁”幅度明显增加。

文学

图尔克接近传感器。图尔克（德国）非接触式传感器（开关）目录。
巴鲁夫传感器技术。 BALLUFF（德国）非接触式传感器（开关）目录。
GOST R 50030.5.2-99 (IEC 60947-5-2) 低压配电和控制设备。第 5.2 部分。控制电路的装置和开关元件。非接触式传感器。
Frolkin V.、Popov L. Impulse 设备。 - M.：苏联电台，1980。
Nechaev I. 电容继电器。 - 广播，1988 年，第 1 期，p。 33.
Nechaev I. 电容继电器。 - 广播，1992 年，第 9 期，p。 48.
接近物体时的警报装置。 - 广播，1999 年，第 5 期，第 40 页。 XNUMX.
Moskvin A. 带电容传感器的看门狗设备。 - 广播，2001 年，第 8 期，第 35 页36、XNUMX。
Ataev D.，Bolotnikov V。家用设备的模拟集成电路。目录。 - M.：PKF“印刷业务”，1992 年。

作者：A. Moskvin，叶卡捷琳堡

查看其他文章 部分业余无线电设计师.

读和写 有帮助对这篇文章的评论.

<< 返回

科技、新电子最新动态：

控制和操纵光信号的新方法 05.05.2024

现代科学技术发展迅速，每天都有新的方法和技术出现，为我们在各个领域开辟了新的前景。其中一项创新是德国科学家开发了一种控制光信号的新方法，这可能会导致光子学领域取得重大进展。最近的研究使德国科学家能够在熔融石英波导内创建可调谐波片。这种方法基于液晶层的使用，可以有效地改变通过波导的光的偏振。这一技术突破为开发能够处理大量数据的紧凑高效光子器件开辟了新的前景。新方法提供的偏振电光控制可以为新型集成光子器件提供基础。这为以下人员提供了绝佳的机会： ... >>

Primium Seneca 键盘 05.05.2024

键盘是我们日常计算机工作中不可或缺的一部分。然而，用户面临的主要问题之一是噪音，尤其是对于高端型号。但随着 Norbauer & Co 推出的新型 Seneca 键盘，这种情况可能会改变。 Seneca 不仅仅是一个键盘，它是五年开发工作的成果，创造了理想的设备。这款键盘的每个方面，从声学特性到机械特性，都经过仔细考虑和平衡。 Seneca 的主要特点之一是其静音稳定器，它解决了许多键盘常见的噪音问题。此外，键盘支持各种键宽，方便任何用户使用。尽管 Seneca 尚未上市，但预计将于夏末发布。 Norbauer & Co 的 Seneca 代表了键盘设计的新标准。她 ... >>

世界最高天文台落成 04.05.2024

探索太空及其奥秘是一项吸引世界各地天文学家关注的任务。在高山的新鲜空气中，远离城市的光污染，恒星和行星更加清晰地揭示它们的秘密。随着世界最高天文台——东京大学阿塔卡马天文台的落成，天文学史上翻开了新的一页。阿塔卡马天文台位于海拔5640米，为天文学家研究太空开辟了新的机遇。该地点已成为地面望远镜的最高位置，为研究人员提供了研究宇宙中红外波的独特工具。虽然海拔高，天空更晴朗，大气干扰也更少，但在高山上建设天文台却面临着巨大的困难和挑战。然而，尽管困难重重，新天文台为天文学家开辟了广阔的研究前景。 ... >>

来自档案馆的随机新闻

高速前往火星 26.01.2023

NASA 已经选择了几个新的太空项目以备将来实施。其中包括美国科学家的项目，该项目包括在太空火箭中使用新型核发动机，使其能够在 45 天内飞向火星。

美国宇航局现在对太空探索有着非常深远的计划，因此积极吸引科学家开发可以在太空中实施的新技术项目。 Focus 已经写过其中一些内容，例如，在月球上建造氧气管道和在土卫六上飞行的新飞机。在这个阶段，NASA 已经选择了 14 个项目，这些项目最初获得了进一步发展的资金。也就是说，这只是第一阶段的研究，只有少数项目会进入第三阶段。

美国宇航局打算在几年内将宇航员炸毁到月球，然后在十年后开始建造第一个月球基地。太空探索的下一阶段将是登陆火星，这可能会在未来十年内发生。因此，与这颗红色星球相关的项目引起了美国航天局的特别关注。

在这些项目中，美国佛罗里达州立大学的 Ryan Gosse 提出了一种新的太空火箭核推进概念。事实上，这个概念并不是全新的，尽管它是一项可能获得更多资助的创新技术。早在 20 世纪，美国就已经致力于制造用于太空火箭的核热机和核电发动机。但是这些项目没有得到进一步的发展。

戈斯提出将两种类型的核发动机合二为一，由热能和电能两部分组成。根据科学家的说法，这将允许在 45 天内到达火星。如上所述，该核发动机将由两个相互补充的部件组成。

例如，核热推进包括一个核反应堆，该反应堆加热液态氢燃料，将其转化为电离氢气，然后产生推力。另一方面，核电推进由核反应堆组成，为伽尔效应推进提供电力，即产生电磁场的离子推进。该场电离并加速惰性气体（例如氙气）以产生推力。

与太空火箭中的传统化学推进相比，这两种发动机都具有显着优势。据 Gosse 称，这款新发动机将结合热能和电动两种核火箭发动机的优点。

这种双重结构可以在 45 天内快速飞往火星，因此人们可以快速飞往太阳系中其他更遥远的行星。

今天，传统的火箭发动机能够在 9-12 个月内将宇航员送上火星。因此，如此短的45天行程，将大大降低载人飞行的风险，对航天员的健康也更加安全。

其他有趣的新闻：

▪ 火星的另一个障碍

▪ 批准了适用于所有小工具的单一标准充电器

免费技术图书馆的有趣材料：

▪ 文章哪个欧洲君主王朝被佛教徒尊为女菩萨的人间化身？详细解答

▪ 维修和保养起重机械电气设备的电工。劳动保护标准说明

▪ 文章一种简单的汽车热补偿电压调节器。无线电电子电气工程百科全书

▪ 文章肥皂船。焦点秘密

留下您对本文的评论：

本页所有语言

主页 | 图书馆 | 用品 | 网站地图 | 网站评论