电容式传感器。方案、说明

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文章评论

所提出的电容式接近传感器版本经济实惠，可在较宽的电源电压值范围内工作，并且在温度变化时具有较高的响应阈值稳定性。

在过去的 20 年里，无线电爱好者的书籍和杂志上发表了许多关于接近传感器设计的描述，这些描述在工作原理、灵敏度、复杂性和所使用的元件基础上有所不同。然而，其中许多只适合在接近实验室条件、几乎恒定的环境温度和电源电压下运行。

例如，[1]中描述的传感器是在数字微电路上制成的，非常经济，但其响应阈值很大程度上取决于电源电压。由于电阻器 R2 的高电阻，其在高湿度下运行的稳定性明显不足，并且很大程度上取决于将电子组件连接到传感元件的电线的长度。

[2]中提出的传感器消耗高达几毫安的电流，这限制了它们在自供电系统中使用的可能性。由于运算放大器的阈值特性依赖于温度和电源电压，这种传感器可能会始终处于触发状态或完全停止工作。

所提出的传感器比上述传感器稍微复杂一些，但与它们的不同之处在于没有绕组元件、良好的可重复性，并且在 3 ... 15 V 的电源电压下工作，消耗约 40 μA（在 5 的电压下）。五）。其特点是响应阈值与环境温度和电源电压无关，对电磁干扰和干扰敏感度低。可以根据所使用的元件的评级准确地计算响应阈值，或者计算这些评级以获得所需的响应阈值。

传感器电路如图所示。 1、在触发器DD1.1上制作脉冲发生器。它们的持续时间（大约 0,2 ms）由 R1C1 电路设置，重复周期（大约 1,5 ms）由 R2C2 电路设置。欠压检测器DA1在设备上电后一段时间内将触发器DD1.1的输入S处的电压保持在逻辑低电平，从而排除了两个设置输入（R和S）处禁止的高电平状态触发器的。否则，在电源电压以小于 2 ... 3 V/ms 的速率增加的情况下，发电机将不会自励磁。

电容式传感器

发生器脉冲同时触发两个单个振动器。第一个（在 DD2.1 触发器上）生成示例性持续时间的脉冲，具体取决于元件 R4、R5、C4 的额定值。第二单个振动器（在触发器DD2.2上）的脉冲持续时间取决于电阻器R3的电阻以及由金属板E1和E2形成的电容器的电容。隔离电容C5可防止意外接触触发输入DD2.2直流电压。

传感器的操作基于两个单个振动器产生的脉冲持续时间的比较。如果第二个（测量）单个振动器的脉冲比第一个（示例性）的脉冲短，则在 DD2.1 触发器的反向输出处出现正压降的时刻（在点 1 处，见图 1）），DD2.2 触发器输出端的电压电平（点 2）将为低电平。由输入 C 处的正差分触发的比较触发器 DD1.2 将在输出处进入逻辑低状态。否则（测量脉冲比参考脉冲长），点 2 和触发器 DD1.2 输出处的电平将为高电平。

当 E1 和 E2 板之间的电容随着异物的接近而增大时，连接器 X2 引脚 1 处的低电平被高电平取代。电容的阈值（高于该阈值会发生这种情况）由以下公式确定

其中R4BB是调谐电阻R4的输入电阻； Svh ≈ 6 pF - 触发器的输入电容 R。根据图中所示电阻器 R5 的值，使用 R4，您可以将电容阈值从 6 pF 更改为 32 pF。

由于多谐振荡器的有源元件位于同一 DD2 微电路内部，因此当温度或电源电压发生变化时，它们的特性和生成脉冲的持续时间也会发生相同的变化。这确保了传感器响应阈值在较宽的温度和电源电压变化范围内的稳定性。

在传感器中，您可以使用固定电阻器 S2-Z3n、MLT、S2-23 或功率为 0,125 或 0,25 W 的类似电阻，容差至少为 ± 5%。 R4最好使用TKS较小的微调电阻（例如SPZ-19a、SPZ-196）。因此，不建议广泛使用SDR-38a电阻。电容器C1-C4——任何小尺寸陶瓷电容器（KM-5、KM-6、K10-17或类似进口电容器）。隔离电容器 C5 必须是高压电容器（例如 K15-5），额定电压至少为 500 V。其电容范围为 1000 ... 4700 pF。二极管 VD1 - KD103、KD503、KD521、KD522 系列中的任何一个。

K561TM2芯片可用564TM2或进口芯片替代。欠压检测器 (DA1) 的阈值电压应明显小于最小传感器电源电压。例如，当电压为 5 V 时，探测器 KR1171SP42、KR1171SP47 就适用，在 9 V 时，KR1171SP53、KR1171SP64、KR1171SP73 也适用。

传感器的电子单元组装在由 1,5 毫米厚的箔玻璃纤维制成的板上。印刷导体图和零件位置如图 2 所示。 1. 建议将传感元件（E2 和 E2 板）设计为“未缠绕”电容器 [50] 的形式，使用长度不超过 XNUMX mm 的电线将其连接到电子单元。

电容式传感器

设置传感器归结为使用电阻器 R4 和 R5 设置阈值。可以使用 LED（阳极到连接器 X2 的引脚 1）和标称值为 2,2 ... 4,7 kOhm 的电阻器（LED 阴极和连接器的引脚 3 之间）组成的电路来控制操作。打开电源，通过转动调谐电阻R4的引擎，实现LED的点亮，然后将引擎向右转动一点（按图示）——它就会熄灭。当物体接近传感元件时，LED 会亮起，表明调整正确。如果即使在电阻器 R4 滑块的最左侧位置 LED 也不亮，则应安装跳线而不是 R5 并重复设置。

该设备可以用作E2板上的人体触摸传感器，任何金属物体，例如门把手，都可以发挥其作用。这种情况下，可以完全放弃E1板，将电阻R4、R5换成一个标称值330kOhm的电阻即可。

作者制作的传感器的一种变体具有扁平电容器形式的敏感元件，极板面积为 100 cm2，电容器之间的距离为 5 mm。在-70℃的温度范围内，当板之间的空间充满30％的机油时，它可以放心地工作。 ..+85°С。未记录因水凝结、手靠近等干扰因素而导致的操作。

对于扁平或圆柱形电容器的敏感元件的这种用途和应用，建议首先根据公式估算调谐电阻R4的输入电阻的所需值

式中，Cnp 为连接线的电容； Ck 是敏感元件的电容，根据扁平或圆柱形电容器的电容的已知公式计算。

如果计算结果为负，则应将电阻器 R5 从电路中排除，如果超过 200 kOhm，则应增加 R5 的值，以使电阻 R4BB 位于 100 ... 150 kOhm 之内。最后，按上述方式调整传感器。

文学

Nechaev I. 电容继电器。 - 广播，1988 年，第 1 期，p。 33.
Moskvin A. 非接触式电容传感器。 - 广播，2002 年，第 10 期，p。 38、39。

作者：M. Ershov，图拉

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