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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Capteurs capacitifs sans contact. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Concepteur radioamateur Les capteurs capacitifs réagissent à une grande variété de substances - solides et liquides, métaux et diélectriques. Ils sont utilisés, par exemple, pour le contrôle sans contact du remplissage de réservoirs avec des liquides et des matériaux en vrac, le positionnement et le comptage d'objets divers et la protection d'objets. L'article proposé décrit le principe de fonctionnement des capteurs sans contact, fournit des schémas adaptés à la mise en œuvre pratique et à l'utilisation de la permittivité relative de l'environnement. Un capteur typique avec un diamètre de surface sensible de 1 mm fixe une « cible standard » (terme selon [2]) à une distance de 60 mm. L'élément sensible d'un capteur capacitif sans contact est un condensateur avec des plaques déployées dans un plan, comme illustré à la Fig. 1.
Selon la présence ou l'absence d'un corps étranger, la permittivité moyenne de la plaque environnante du milieu change et, par conséquent, la capacité du condensateur. Ce dernier sert d'élément de réglage de fréquence de l'oscillateur. Le dispositif à seuil présent dans le capteur surveille l'amplitude ou la fréquence des oscillations, lorsqu'elles changent, actionnant l'unité d'actionnement. Dans de nombreux capteurs capacitifs, la fréquence de l'oscillateur est choisie à plusieurs mégahertz. Les générateurs sont construits sur des transistors discrets, dont le nombre atteint cinq. Cependant, un générateur suffisamment sensible aux changements de capacité et fonctionnant à des fréquences de centaines de kilohertz peut être construit sur un seul ampli op de classe moyenne. Le schéma classique du générateur d'impulsions rectangulaires sur l'amplificateur opérationnel, illustré à la fig. 2.
Sa description détaillée et son calcul sont donnés dans [4]. Si l'ampli-op DA1 est idéal, la fréquence d'oscillation est inversement proportionnelle à la capacité du condensateur C1 (élément sensible du capteur), et leur amplitude est inchangée. En fait, avec une diminution de la capacité et une augmentation de la fréquence, il arrive un moment où, en raison de l'inertie inhérente à un véritable amplificateur opérationnel, les conditions d'auto-excitation du générateur cessent d'être remplies et les oscillations s'effondrent. . Il reste à s'assurer que le générateur fonctionne en présence d'un corps étranger dans la zone sensible, et lorsqu'il est retiré (ce qui équivaut à une diminution de la capacité du condensateur), il n'existe plus. Ce mode présente certains avantages par rapport aux modes connus, lorsque le générateur fonctionne en continu [5, 6], ou uniquement en l'absence de corps étranger [7, 8]. L'idée a été testée en simulant un générateur à l'aide du programme ELECTRONIC WORKBENCH. Dans la bibliothèque d'éléments de programme standard, l'OS HA2502 a été choisi pour le modèle. Les valeurs de résistance étaient : R1 - 330 kOhm, R2 - 1 kOhm, R3 - 2 kOhm. Des oscillations se sont produites doucement et se sont effondrées lorsque la capacité du condensateur C1 est passée de 11 à 12 pF, et vice versa. Avec un degré de confiance élevé, on peut affirmer que cela est suffisant pour le fonctionnement fiable du capteur capacitif. Par la suite, la conclusion a été confirmée en testant des structures réelles. L'élément sensible du capteur était constitué d'un matériau isolant recouvert d'une feuille d'aluminium sur un côté, sur lequel deux sections rectangulaires de feuille de taille 70x50 mm étaient laissées, adjacentes l'une à l'autre avec des côtés courts avec un espace de 2 mm. La capacité du "condensateur non enroulé" ainsi formé est d'environ 5 pF. La longueur des fils reliant les plaques du condensateur au générateur doit être minimale, pas plus de 50 mm. Un circuit pratique du générateur sur l'un des deux amplis op de la puce KR157UD2 est illustré à la fig. 3.
Le microcircuit étant alimenté à partir d'une source unique, une polarisation égale à la moitié de la tension d'alimentation est appliquée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel à l'aide d'un diviseur résistif R3R4. Le circuit de réglage de fréquence est formé par une résistance R2 et une capacité de l'élément sensible E1. La résistance R1 sert à protéger l'entrée de l'ampli-op contre les interférences et les interférences pouvant désactiver l'ampli-op. Il convient de noter le rôle important du condensateur C1, qui corrige la réponse en fréquence de l'ampli-op. Le "point de fonctionnement" du générateur sur la pente de la réponse en fréquence dépend de la capacité de ce condensateur. Deux options ont été testées : C1=12 pF, R5=180 kOhm (fréquence 200 kHz) et C1=6,8 pF, R5=1 MΩ (fréquence 500 kHz). Dans les deux cas, en ajustant la résistance R2, il a été possible de faire en sorte que le générateur soit excité lorsqu'un corps étranger s'approche de l'élément sensible. Le réglage s'effectue de préférence avec un long tournevis en matière isolante. Lors des tests, le capteur "sentait" une main humaine ou un réservoir d'eau à une distance de plusieurs centimètres. À une distance plus courte, il était possible de trouver un bloc de bois, un bocal en verre vide et même la gomme d'un étudiant. Le circuit générateur sur la puce K1407UD1 est illustré à la fig. quatre.
Ses propriétés sont approximativement les mêmes que celles décrites ci-dessus. Étant donné que l'amplificateur opérationnel appliqué n'a pas de broches pour connecter les circuits de correction, ses performances sont dégradées à l'aide de la rétroaction via le circuit R3C1. De plus, comme la résistance R1 dans l'appareil précédent (voir Fig. 3), la résistance R3 protège l'entrée de l'amplificateur opérationnel des interférences. La fréquence de fonctionnement du générateur est d'environ 100 kHz. Sur la fig. La figure 5 montre un schéma d'un capteur sans contact sur un microcircuit KR157DA1 [9].
Contrairement à ceux précédemment considérés (voir Fig. 3 et 4), aucun système d'exploitation supplémentaire n'était nécessaire dans le générateur de capteurs, car la propre bande passante de l'ampli-op DA1.1 est assez étroite. Cependant, afin d'obtenir un fonctionnement fiable, le circuit R6C1 a dû être introduit. Résistance R1 - protection. La fréquence d'oscillation du générateur sur l'ampli-op DA1.1 est de 20 kHz à R5 = 10 kOhm et de 80 kHz à R5 = 100 kOhm. En l'absence d'objet dans la zone sensible, le générateur ne fonctionne pas, la LED HL1 ne s'allume pas. Ce dernier rend le dispositif plus économique par rapport, par exemple, à celui décrit dans [8]. À partir de la deuxième sortie du détecteur DA1.2, dont la charge est le circuit R7C2, le signal est envoyé à l'entrée du dispositif de seuil - ampli-op DA1.3. A sa sortie (broche 7 de la puce DA1), lorsque le capteur est déclenché, le niveau de tension bas est remplacé par un niveau haut. En l'absence d'objet extérieur, les générateurs de capteurs capacitifs, dont celui à l'étude, émettent parfois des "éclairs" de courte durée d'oscillations qui se succèdent à une fréquence de 100 Hz. Ceci est probablement le résultat d'interférences réseau. Le rapport cyclique des "flashs" est assez élevé, et le circuit inertiel R7C2 les affaiblit, les empêchant d'atteindre le niveau de déclenchement de DA1.3. Comme le test l'a montré, les dimensions de l'élément sensible E1 indiquées précédemment peuvent être réduites. Par exemple, l'appareil sur la puce K1407UD1 (voir Fig. 4) fonctionnait également avec des plaques de 30x6 mm, et afin de maintenir la constante de temps constante du circuit de rétroaction, la valeur de la résistance variable R5 devait être augmentée à 560 kOhm. La sensibilité du capteur est restée tout à fait satisfaisante. Il a été possible d'augmenter la taille de la zone sensible en écartant les armatures du condensateur ou en retirant complètement celle qui est reliée au fil commun. Dans ce dernier cas, le rôle de la garniture déportée passe au fil le plus courant et aux éléments qui lui sont reliés. Après un réglage approprié avec une résistance de réglage R5, le générateur était excité à l'approche de la doublure restante de la main à une distance de 100 mm ou d'un bloc de bois - de 30 mm. Cependant, l'amplitude des "éclairs" avec une fréquence de 100 Hz a sensiblement augmenté. littérature
Auteur : A. Moskvin, Iekaterinbourg
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