Sensores capacitivos sem contato. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Os sensores capacitivos respondem a uma ampla variedade de substâncias - sólidas e líquidas, metais e dielétricos. Eles são usados, por exemplo, para controle sem contato de tanques de enchimento com líquidos e materiais a granel, posicionamento e contagem de vários objetos e proteção de objetos. O artigo proposto descreve o princípio de operação de sensores sem contato, fornece diagramas adequados para implementação prática e uso permissividade relativa do ambiente. Um sensor típico com um diâmetro de superfície sensível de 1 mm fixa um "alvo padrão" (termo de acordo com [2]) a uma distância de 60 mm.

O elemento sensível de um sensor capacitivo sem contato é um capacitor com placas dispostas em um plano, conforme mostrado na Fig. 1.

Dependendo da presença ou ausência de um objeto estranho, a permissividade média da placa circundante do meio muda e, conseqüentemente, a capacitância do capacitor. Este último serve como um elemento de ajuste de frequência do oscilador. O dispositivo de limite presente no sensor monitora a amplitude ou frequência das oscilações, quando elas mudam, acionando a unidade atuadora.

Em muitos sensores capacitivos, a frequência do oscilador é escolhida para ser vários megahertz. Os geradores são construídos em transistores discretos, cujo número chega a cinco. No entanto, um gerador que é suficientemente sensível a mudanças na capacitância e opera em frequências de centenas de quilohertz pode ser construído em apenas um amplificador operacional de classe média.

O esquema clássico do gerador de pulsos retangulares no amplificador operacional, mostrado na fig. 2.

Sua descrição detalhada e cálculo são dados em [4]. Se o amplificador operacional DA1 for ideal, a frequência de oscilação é inversamente proporcional à capacitância do capacitor C1 (elemento sensor do sensor) e sua amplitude permanece inalterada. De fato, com a diminuição da capacitância e o aumento da frequência, chega um momento em que, devido à inércia inerente a um amplificador operacional real, as condições de autoexcitação do gerador deixam de ser atendidas e as oscilações são interrompidas .

Resta garantir que o gerador funcione na presença de um objeto estranho na zona sensível e, quando for removido (o que equivale a uma diminuição da capacitância do capacitor), ele não existe mais. Este modo tem algumas vantagens sobre os conhecidos, quando o gerador opera continuamente [5, 6], ou apenas na ausência de um objeto estranho [7, 8].

A ideia foi testada simulando um gerador usando o programa ELECTRONIC WORKBENCH. Da biblioteca de elementos de programa padrão, o OS HA2502 foi escolhido para o modelo. Os valores do resistor foram: R1 - 330 kOhm, R2 - 1 kOhm, R3 - 2 kOhm. As oscilações surgiram suavemente e foram interrompidas quando a capacitância do capacitor C1 mudou de 11 para 12 pF e vice-versa. Com um alto grau de confiança, pode-se argumentar que isso é suficiente para a operação confiável do sensor capacitivo. Posteriormente, a conclusão foi confirmada testando estruturas reais.

O elemento sensível do sensor era feito de material isolante revestido de folha unilateral, no qual foram deixadas duas seções retangulares de folha de tamanho 70x50 mm, adjacentes uma à outra com lados curtos com uma folga de 2 mm. A capacitância do "capacitor não enrolado" formado dessa maneira é de aproximadamente 5 pF. O comprimento dos fios que conectam as placas do capacitor ao gerador deve ser mínimo, não superior a 50 mm.

Um circuito prático do gerador em um dos dois amplificadores operacionais do chip KR157UD2 é mostrado na fig. 3.

Como o microcircuito é alimentado por uma única fonte, uma polarização igual à metade da tensão de alimentação é aplicada à entrada não inversora do amplificador operacional usando um divisor resistivo R3R4. O circuito de ajuste de frequência é formado por um resistor R2 e uma capacitância do elemento sensor E1. O resistor R1 serve para proteger a entrada do amplificador operacional contra interferências e interferências que podem desabilitar o amplificador operacional.

Deve-se notar o importante papel do capacitor C1, que corrige a resposta de frequência do amplificador operacional. O "ponto de trabalho" do gerador na inclinação da resposta de frequência depende da capacitância desse capacitor. Duas opções foram testadas: C1=12 pF, R5=180 kOhm (frequência 200 kHz) e C1=6,8 pF, R5=1 MΩ (frequência 500 kHz). Em ambos os casos, ajustando o resistor R2, foi possível conseguir que o gerador fosse excitado quando um objeto estranho se aproximasse do elemento sensível. O ajuste deve ser feito preferencialmente com uma chave de fenda longa feita de material isolante.

Durante os testes, o sensor "sentiu" uma mão humana ou um tanque de água a uma distância de vários centímetros. A uma distância menor, foi possível encontrar um bloco de madeira, uma jarra de vidro vazia e até uma borracha de aluno.

O circuito do gerador no chip K1407UD1 é mostrado na fig. quatro.

Suas propriedades são aproximadamente as mesmas discutidas acima. Como o amplificador operacional aplicado não possui pinos para conectar os circuitos de correção, seu desempenho é degradado com a ajuda do feedback através do circuito R3C1. Além disso, como o resistor R1 no dispositivo anterior (ver Fig. 3), o resistor R3 protege a entrada do amplificador operacional contra interferências. A frequência de operação do gerador é de aproximadamente 100 kHz.

Na fig. 5 mostra um diagrama de um sensor sem contato em um microcircuito KR157DA1 [9].

Em contraste com os considerados anteriormente (ver Fig. 3 e 4), um SO adicional não foi necessário no gerador do sensor, uma vez que a própria largura de banda do op-amp DA1.1 é bastante estreita. No entanto, para obter uma operação confiável, o circuito R6C1 teve que ser introduzido. Resistor R1 - protetor.

A frequência de oscilação do gerador no amplificador operacional DA1.1 é de 20 kHz em R5=10 kOhm e 80 kHz em R5=100 kOhm. Na ausência de um objeto na área sensível, o gerador não funciona, o LED HL1 não acende. Este último torna o dispositivo mais econômico em comparação, por exemplo, com o descrito em [8]. Da segunda saída do detector DA1.2, cuja carga é o circuito R7C2, o sinal é alimentado na entrada do dispositivo de limite - amplificador operacional DA1.3. Em sua saída (pino 7 do chip DA1), quando o sensor é acionado, o nível de baixa tensão é substituído por um alto.

Na ausência de um objeto externo, os geradores de sensores capacitivos, incluindo o que está sendo considerado, às vezes emitem "flashes" de oscilações de curto prazo que seguem a uma frequência de 100 Hz. Este é provavelmente o resultado de interferência de rede. O ciclo de trabalho dos "flashes" é bastante alto, e o circuito inercial R7C2 os enfraquece, impedindo-os de atingir o nível de disparo de DA1.3.

Como o teste mostrou, as dimensões do elemento sensor E1 indicadas anteriormente podem ser reduzidas. Por exemplo, o dispositivo no chip K1407UD1 (ver Fig. 4) também operava com tamanhos de placa de 30x6 mm e, para manter a constante de tempo constante do circuito de feedback, o valor do resistor variável R5 teve que ser aumentado para 560 kOhm. A sensibilidade do sensor permaneceu bastante satisfatória.

Foi possível aumentar o tamanho da zona sensível afastando as placas do capacitor ou removendo completamente aquela que está conectada ao fio comum. Neste último caso, o papel do revestimento remoto passa para o fio mais comum e os elementos a ele conectados. Após o ajuste apropriado com um resistor de ajuste R5, o gerador foi excitado ao se aproximar do forro restante da mão a uma distância de 100 mm ou de um bloco de madeira - em 30 mm. No entanto, a amplitude dos "flashes" com frequência de 100 Hz aumentou visivelmente.

Literatura

1. Sensores de Proximidade TURCK. Catálogo de sensores sem contato (interruptores) da TURCK (Alemanha).
2. BALLUFF Sensor Technik. Catálogo de sensores sem contato (interruptores) da BALLUFF (Alemanha).
3. GOST R 50030.5.2-99 (IEC 60947-5-2) Distribuição de baixa tensão e equipamentos de controle. Parte 5.2. Aparelhos e elementos de comutação de circuitos de controle. Sensores sem contato.
4. Frolkin V., Dispositivos de impulso de Popov L.. - M.: rádio soviética, 1980.
5. Nechaev I. Relé capacitivo. - Rádio, 1988, nº 1, p. 33.
6. Nechaev I. Relé capacitivo. - Rádio, 1992, nº 9, p. 48.
7. Dispositivo de alarme ao se aproximar de um objeto. - Rádio, 1999, nº 5, p. 40.
8. Moskvin A. Watchdog com sensor capacitivo. - Rádio, 2001, n.º 8, p. 35, 36.
9. Ataev D., Bolotnikov V. Circuitos integrados analógicos para equipamentos domésticos. Diretório. - M.: PKF "Impressão", 1992.

Autor: A. Moskvin, Ecaterimburgo

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