Cảm biến điện dung không tiếp xúc. Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện

Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện / Đài thiết kế nghiệp dư

 Bình luận bài viết

Cảm biến điện dung phản ứng với nhiều loại chất - rắn và lỏng, kim loại và chất điện môi. Ví dụ, chúng được sử dụng để giám sát không tiếp xúc việc đổ đầy chất lỏng và vật liệu khối vào thùng chứa, định vị và đếm các vật thể khác nhau cũng như an ninh của các vật thể. Bài viết mô tả nguyên lý hoạt động của cảm biến không tiếp xúc và đưa ra sơ đồ phù hợp để triển khai và sử dụng thực tế.Cảm biến không tiếp xúc được nhiều công ty trong và ngoài nước sản xuất [1, 2] hoạt động theo nguyên lý “tụ điện”, phản ứng với sự thay đổi do hình thức bên ngoài gây ra. của một vật thể lạ trong vùng nhạy cảm có hằng số điện môi tương đối của môi trường. Một cảm biến điển hình có đường kính bề mặt nhạy cảm là 60 mm sẽ phát hiện “mục tiêu tiêu chuẩn” (thuật ngữ theo [40]) ở khoảng cách 3 mm.

Phần tử nhạy cảm của cảm biến điện dung không tiếp xúc là một tụ điện có các tấm được bố trí trên một mặt phẳng, như trong Hình 1. XNUMX.

Tùy thuộc vào sự hiện diện hay vắng mặt của vật thể lạ, hằng số điện môi trung bình của lớp mạ xung quanh môi trường và do đó, điện dung của tụ điện thay đổi. Cái sau đóng vai trò là thành phần cài đặt tần số của bộ tự dao động. Thiết bị ngưỡng trong cảm biến theo dõi biên độ hoặc tần số dao động và khi chúng thay đổi, nó sẽ kích hoạt bộ truyền động.

Trong nhiều cảm biến điện dung, tần số dao động được chọn là vài megahertz. Máy phát điện được chế tạo trên các bóng bán dẫn rời rạc, số lượng lên tới năm. Tuy nhiên, một máy phát đủ nhạy với những thay đổi về điện dung, hoạt động ở tần số hàng trăm kilohertz, có thể được chế tạo chỉ bằng một op-amp hạng trung.

Cơ sở là mạch cổ điển của máy phát xung hình chữ nhật dựa trên op-amp, được hiển thị trong Hình. 2.

Mô tả chi tiết và tính toán của nó được đưa ra trong [4]. Nếu op-amp DA1 lý tưởng thì tần số dao động tỷ lệ nghịch với điện dung của tụ C1 (phần tử nhạy cảm của cảm biến) và biên độ của chúng không thay đổi. Trên thực tế, khi điện dung giảm và tần số tăng, sẽ đến lúc, do quán tính vốn có của op-amp thực, các điều kiện để máy phát tự kích thích không còn được đáp ứng và các dao động bị phá vỡ.

Vẫn phải đảm bảo máy phát hoạt động khi có vật lạ vào vùng nhạy cảm, khi lấy ra (tương đương với việc giảm điện dung của tụ điện) thì không còn nữa. Chế độ này có những ưu điểm nhất định so với các chế độ đã biết, khi máy phát hoạt động liên tục [5, 6] hoặc chỉ khi không có ngoại vật [7, 8].

Ý tưởng đã được thử nghiệm bằng cách mô phỏng máy phát điện sử dụng chương trình BÀN LÀM VIỆC ĐIỆN TỬ. OA NA2502 được chọn từ thư viện các thành phần chương trình tiêu chuẩn cho mô hình. Các giá trị điện trở là: R1 - 330 kOhm, R2 - 1 kOhm, R3 - 2 kOhm. Các dao động nhẹ nhàng xuất hiện và biến mất khi điện dung của tụ C1 thay đổi từ 11 lên 12 pF và ngược lại. Với độ tin cậy cao, chúng ta có thể nói rằng điều này là đủ để cảm biến điện dung hoạt động đáng tin cậy. Kết luận sau đó đã được xác nhận bằng cách thử nghiệm các cấu trúc thực tế.

Bộ phận nhạy cảm của cảm biến được làm bằng vật liệu cách điện bằng giấy bạc một mặt, trên đó để lại hai phần giấy bạc hình chữ nhật có kích thước 70x50 mm, liền kề nhau với các cạnh ngắn có khoảng cách 2 mm. Điện dung của “tụ điện mở” được hình thành theo cách này là khoảng 5 pF. Chiều dài của dây nối các tấm tụ điện với máy phát điện phải tối thiểu, không quá 50 mm.

Một mạch máy phát thực tế dựa trên một trong hai op-amps của vi mạch KR157UD2 được hiển thị trong Hình 3. XNUMX.

Do vi mạch được cấp nguồn từ một nguồn duy nhất, sử dụng bộ chia điện trở R3R4, độ lệch bằng một nửa điện áp cung cấp được áp dụng cho đầu vào không đảo của op-amp. Mạch cài đặt tần số được hình thành bởi điện trở R2 và điện dung của phần tử nhạy E1. Điện trở R1 có tác dụng bảo vệ đầu vào op-amp khỏi nhiễu và nhiễu có thể làm hỏng op-amp.

Cần lưu ý vai trò quan trọng của tụ điện C1, có tác dụng điều chỉnh đáp ứng tần số của op-amp. “Điểm làm việc” của máy phát trên độ dốc của đáp ứng tần số phụ thuộc vào điện dung của tụ điện này. Hai phương án đã được thử nghiệm: C1=12 pF, R5=180 kOhm (tần số 200 kHz) và C1=6,8 pF, R5=1 MOhm (tần số 500 kHz). Trong cả hai trường hợp, bằng cách điều chỉnh điện trở R2, có thể đảm bảo rằng máy phát điện được kích thích khi có vật lạ tiếp cận phần tử nhạy cảm. Nên điều chỉnh bằng tuốc nơ vít dài làm bằng vật liệu cách điện.

Trong quá trình thử nghiệm, cảm biến “cảm nhận được” bàn tay người hoặc một thùng nước ở khoảng cách vài cm. Ở khoảng cách ngắn hơn, có thể phát hiện một khối gỗ, một lọ thủy tinh rỗng và thậm chí cả cục tẩy của học sinh.

Mạch tạo trên chip K1407UD1 được hiển thị trong hình. 4.

Các thuộc tính của nó gần giống như những gì đã thảo luận ở trên. Do op-amp đã qua sử dụng không có chân để kết nối các mạch hiệu chỉnh nên hiệu suất của nó bị suy giảm do phản hồi qua mạch R3C1. Ngoài ra, giống như điện trở R1 trong thiết bị trước (xem Hình 3), điện trở R3 bảo vệ đầu vào op-amp khỏi nhiễu. Tần số hoạt động của máy phát điện là khoảng 100 kHz.

Trên hình. Hình 5 hiển thị sơ đồ cảm biến không tiếp xúc trên vi mạch KR157DA1 [9].

Không giống như những điều đã thảo luận trước đây (xem Hình 3 và 4), bộ tạo cảm biến không yêu cầu hệ điều hành bổ sung nào vì băng thông riêng của op-amp DA1.1 khá hẹp. Tuy nhiên, để đạt được hoạt động đáng tin cậy, cần phải sử dụng mạch R6C1. Điện trở R1 có tác dụng bảo vệ.

Tần số dao động của máy phát tại op-amp DA1.1 là 20 kHz tại R5=10 kOhm và 80 kHz tại R5=100 kOhm. Nếu không có vật thể trong vùng nhạy cảm, máy phát điện không hoạt động, đèn LED HL1 không sáng. Ví dụ, cái sau làm cho thiết bị tiết kiệm hơn so với cái được mô tả trong [8]. Từ đầu ra thứ hai của máy dò DA1.2, tải là mạch R7C2, tín hiệu đi đến đầu vào của thiết bị ngưỡng - op-amp DA1.3. Ở đầu ra của nó (chân 7 của chip DA1), khi cảm biến được kích hoạt, mức điện áp thấp sẽ được thay thế bằng mức cao.

Các máy phát điện của cảm biến điện dung, bao gồm cả cảm biến đang được xem xét, đôi khi tạo ra các dao động “chớp sáng” ngắn hạn ở tần số 100 Hz khi không có vật thể bên ngoài. Đây có lẽ là kết quả của sự can thiệp của mạng. Chu kỳ hoạt động của các “đèn nháy” khá cao và mạch quán tính R7C2 làm chúng yếu đi, không cho chúng đạt đến mức kích hoạt DA1.3.

Như thử nghiệm đã chỉ ra, kích thước được chỉ định trước đó của phần tử nhạy cảm E1 có thể được giảm xuống. Ví dụ, thiết bị trên vi mạch K1407UD1 (xem Hình 4) cũng hoạt động với các tấm có kích thước 30x6 mm và để duy trì hằng số thời gian không đổi cho mạch phản hồi, giá trị của biến trở R5 phải được tăng lên đến 560 kOhm. Độ nhạy của cảm biến vẫn khá khả quan.

Có thể tăng kích thước của vùng nhạy cảm bằng cách di chuyển các tấm tụ điện sang hai bên hoặc loại bỏ hoàn toàn tấm được kết nối với dây chung. Trong trường hợp sau, vai trò của lớp lót từ xa chuyển sang chính dây chung và các phần tử được kết nối với nó. Sau khi điều chỉnh thích hợp với điện trở điều chỉnh R5, máy phát điện bị kích thích khi tiếp cận lớp lót còn lại của cánh tay ở khoảng cách 100 mm hoặc khối gỗ ở khoảng cách 30 mm. Tuy nhiên, biên độ của các “chớp sáng” có tần số 100 Hz tăng lên rõ rệt.

Văn chương

1. Cảm biến tiệm cận TURCK. Catalogue cảm biến (công tắc) không tiếp xúc của TURCK (Đức).
2. Kỹ thuật cảm biến BALLUFF. Catalogue cảm biến (công tắc) không tiếp xúc của BALLUFF (Đức).
3. GOST R 50030.5.2-99 (IEC 60947-5-2) Thiết bị điều khiển và phân phối điện áp thấp. Phần 5.2. Các thiết bị và phần tử chuyển mạch của mạch điều khiển. Cảm biến không tiếp xúc.
4. Frolkin V., Popov L. Thiết bị xung. - M.: Đài phát thanh Liên Xô, 1980.
5. Nechaev I. Rơle điện dung. - Đài phát thanh, 1988, số 1, tr. 33.
6. Nechaev I. Rơle điện dung. - Đài, 1992, số 9, tr. 48.
7. Thiết bị báo động khi đến gần đối tượng. - Đài phát thanh, 1999, số 5, tr. 40.
8. Thiết bị Moskvin A. Watchdog có cảm biến điện dung. - Đài phát thanh, 2001, số 8, tr. 35, 36.
9. Ataev D., Bolotnikov V. Mạch tích hợp tương tự cho thiết bị gia dụng. Danh mục. - M.: PKF “Kinh doanh in ấn”, 1992.

Tác giả: A. Moskvin, Yekaterinburg

Xem các bài viết khác razdela Đài thiết kế nghiệp dư.

Đọc và viết hữu ích bình luận về bài viết này.

<< Quay lại

Tin tức khoa học công nghệ, điện tử mới nhất:

Một cách mới để kiểm soát và điều khiển tín hiệu quang 05.05.2024

Thế giới khoa học và công nghệ hiện đại đang phát triển nhanh chóng, hàng ngày các phương pháp và công nghệ mới xuất hiện mở ra những triển vọng mới cho chúng ta trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một trong những đổi mới như vậy là sự phát triển của các nhà khoa học Đức về một phương pháp mới để điều khiển tín hiệu quang học, phương pháp này có thể dẫn đến tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực quang tử học. Nghiên cứu gần đây đã cho phép các nhà khoa học Đức tạo ra một tấm sóng có thể điều chỉnh được bên trong ống dẫn sóng silica nung chảy. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng lớp tinh thể lỏng, cho phép người ta thay đổi hiệu quả sự phân cực của ánh sáng truyền qua ống dẫn sóng. Bước đột phá công nghệ này mở ra triển vọng mới cho việc phát triển các thiết bị quang tử nhỏ gọn và hiệu quả có khả năng xử lý khối lượng dữ liệu lớn. Việc điều khiển phân cực quang điện được cung cấp bởi phương pháp mới có thể cung cấp cơ sở cho một loại thiết bị quang tử tích hợp mới. Điều này mở ra những cơ hội lớn cho ... >>

Bàn phím Primium Seneca 05.05.2024

Bàn phím là một phần không thể thiếu trong công việc máy tính hàng ngày của chúng ta. Tuy nhiên, một trong những vấn đề chính mà người dùng gặp phải là tiếng ồn, đặc biệt là ở các dòng máy cao cấp. Nhưng với bàn phím Seneca mới của Norbauer & Co, điều đó có thể thay đổi. Seneca không chỉ là một bàn phím, nó là kết quả của 5 năm phát triển để tạo ra một thiết bị lý tưởng. Mọi khía cạnh của bàn phím này, từ đặc tính âm thanh đến đặc tính cơ học, đều được xem xét và cân bằng cẩn thận. Một trong những tính năng chính của Seneca là bộ ổn định im lặng, giúp giải quyết vấn đề tiếng ồn thường gặp ở nhiều bàn phím. Ngoài ra, bàn phím còn hỗ trợ nhiều độ rộng phím khác nhau, thuận tiện cho mọi người dùng. Mặc dù Seneca vẫn chưa có sẵn để mua nhưng nó được lên kế hoạch phát hành vào cuối mùa hè. Seneca của Norbauer & Co đại diện cho các tiêu chuẩn mới trong thiết kế bàn phím. Cô ấy ... >>

Khai trương đài quan sát thiên văn cao nhất thế giới 04.05.2024

Khám phá không gian và những bí ẩn của nó là nhiệm vụ thu hút sự chú ý của các nhà thiên văn học từ khắp nơi trên thế giới. Trong bầu không khí trong lành của vùng núi cao, cách xa ô nhiễm ánh sáng thành phố, các ngôi sao và hành tinh tiết lộ bí mật của chúng một cách rõ ràng hơn. Một trang mới đang mở ra trong lịch sử thiên văn học với việc khai trương đài quan sát thiên văn cao nhất thế giới - Đài thiên văn Atacama của Đại học Tokyo. Đài quan sát Atacama nằm ở độ cao 5640 mét so với mực nước biển mở ra cơ hội mới cho các nhà thiên văn học trong việc nghiên cứu không gian. Địa điểm này đã trở thành vị trí cao nhất cho kính viễn vọng trên mặt đất, cung cấp cho các nhà nghiên cứu một công cụ độc đáo để nghiên cứu sóng hồng ngoại trong Vũ trụ. Mặc dù vị trí ở độ cao mang lại bầu trời trong xanh hơn và ít bị nhiễu từ khí quyển hơn, việc xây dựng đài quan sát trên núi cao đặt ra những khó khăn và thách thức to lớn. Tuy nhiên, bất chấp những khó khăn, đài quan sát mới mở ra triển vọng nghiên cứu rộng lớn cho các nhà thiên văn học. ... >>

Tin tức ngẫu nhiên từ Kho lưu trữ Du hành tốc độ cao tới sao Hỏa 26.01.2023 NASA đã chọn một số dự án không gian mới để có thể thực hiện trong tương lai. Trong số đó có dự án của các nhà khoa học Mỹ, bao gồm việc sử dụng một loại động cơ hạt nhân mới trong tên lửa vũ trụ để nó có thể bay tới sao Hỏa trong 45 ngày. NASA hiện có những kế hoạch rất sâu rộng về khám phá không gian và do đó tích cực thu hút các nhà khoa học phát triển các dự án công nghệ mới có thể thực hiện trong không gian. Focus đã viết về một số trong số chúng, chẳng hạn như liên quan đến việc tạo ra một đường ống dẫn oxy trên Mặt trăng và một chiếc máy bay mới cho các chuyến bay trên Titan. Ở giai đoạn này, NASA đã chọn 14 dự án ban đầu nhận được tài trợ để phát triển thêm. Tức là đây mới chỉ là giai đoạn đầu của nghiên cứu, và chỉ có một số dự án sẽ chuyển sang giai đoạn thứ ba. NASA sẽ đưa các phi hành gia lên mặt trăng trong vài năm nữa, và sau đó vào cuối thập kỷ này sẽ bắt đầu xây dựng căn cứ mặt trăng đầu tiên. Giai đoạn tiếp theo trong khám phá không gian sẽ là hạ cánh trên sao Hỏa, có thể đã diễn ra trong thập kỷ tới. Do đó, các dự án liên quan đến Hành tinh Đỏ được cơ quan vũ trụ Mỹ đặc biệt quan tâm. Trong số những dự án như vậy có khái niệm động cơ đẩy hạt nhân mới cho tên lửa vũ trụ của Ryan Gosse thuộc Đại học bang Florida ở Mỹ. Trên thực tế, khái niệm này không hoàn toàn mới, mặc dù nó là một công nghệ tiên tiến có thể nhận được nhiều tài trợ hơn. Quay trở lại thế kỷ 20, Hoa Kỳ đã tham gia vào việc tạo ra động cơ nhiệt hạt nhân và động cơ điện hạt nhân cho tên lửa vũ trụ. Nhưng những dự án này đã không nhận được sự phát triển hơn nữa. Gosse đề xuất kết hợp hai loại động cơ hạt nhân thành một, bao gồm hai phần, tức là nhiệt và điện. Điều này sẽ cho phép, theo nhà khoa học, đến sao Hỏa sau 45 ngày. Động cơ hạt nhân này, như đã đề cập ở trên, sẽ bao gồm hai thành phần sẽ bổ sung cho nhau. Ví dụ, động cơ đẩy nhiệt hạt nhân bao gồm một lò phản ứng hạt nhân làm nóng nhiên liệu hydro lỏng, biến nhiên liệu này thành khí hydro bị ion hóa, sau đó tạo ra lực đẩy. Mặt khác, lực đẩy điện hạt nhân bao gồm một lò phản ứng hạt nhân cung cấp năng lượng điện cho lực đẩy hiệu ứng Gall, tức là lực đẩy ion tạo ra trường điện từ. Trường này ion hóa và tăng tốc khí trơ như xenon để tạo lực đẩy. Cả hai động cơ này đều có những lợi thế đáng kể so với động cơ đẩy hóa học thông thường trong tên lửa vũ trụ. Động cơ mới, theo Gosse, sẽ kết hợp những ưu điểm của cả động cơ tên lửa hạt nhân - nhiệt và điện. Một cấu trúc kép như vậy có thể cung cấp một chuyến bay nhanh tới sao Hỏa trong 45 ngày, và do đó con người có thể nhanh chóng bay tới các hành tinh khác xa hơn trong hệ mặt trời. Ngày nay, động cơ tên lửa thông thường có khả năng đưa phi hành gia lên sao Hỏa trong 9-12 tháng. Do đó, một chuyến đi ngắn 45 ngày như vậy sẽ giảm đáng kể rủi ro của chuyến bay có người lái, đồng thời cũng sẽ an toàn hơn cho sức khỏe của các phi hành gia.

Tin tức thú vị khác:

▪ Một rào cản khác đối với sao Hỏa

▪ Đã phê duyệt một bộ sạc tiêu chuẩn duy nhất cho tất cả các thiết bị

▪ Máy chiếu TLP-T71U của Toshiba

▪ Mèo và chó: bí mật của sự hòa hợp

▪ Vợt tennis giảm xóc điện tử

Nguồn cấp tin tức khoa học và công nghệ, điện tử mới

Tài liệu thú vị của Thư viện kỹ thuật miễn phí:

▪ phần của bộ khuếch đại công suất RF của trang web. Lựa chọn các bài viết

▪ bài viết Để biết thêm những nhà thơ hay và khác biệt. biểu hiện phổ biến

▪ bài viết Triều đại quân chủ châu Âu nào được các Phật tử tôn kính là hóa thân trần thế của một nữ bồ tát? đáp án chi tiết

▪ Bài viết Thợ điện sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị điện của máy vận thăng. Hướng dẫn tiêu chuẩn về bảo hộ lao động

▪ bài viết Ổn áp bù nhiệt đơn giản cho ô tô. Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện

▪ bài viết Thuyền xà. bí mật tập trung

Để lại bình luận của bạn về bài viết này:

Tất cả các ngôn ngữ của trang này

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Trang chủ | Thư viện | bài viết | Sơ đồ trang web | Đánh giá trang web

www.diagram.com.ua
2000-2024