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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 비접촉 정전 용량 센서. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 라디오 아마추어 디자이너 정전 용량 센서는 고체 및 액체, 금속 및 유전체와 같은 다양한 물질에 반응합니다. 예를 들어 액체 및 벌크 재료로 탱크를 채우는 비접촉식 제어, 다양한 물체의 위치 지정 및 계수, 물체 보호에 사용됩니다. 제안된 논문은 비접촉식 센서의 작동 원리를 설명하고, 실제 구현 및 사용에 적합한 다이어그램을 제공합니다.많은 국내외 회사에서 생산하는 비접촉식 센서 [1, 2]는 "커패시터"원리에 따라 작동하여 민감 영역에서 이물질의 출현으로 인한 환경의 상대 유전율 변화에 응답합니다. 60mm의 민감한 표면 직경을 가진 일반적인 센서는 40mm의 거리에서 "표준 대상"([3]에 따른 용어)을 고정합니다. 비접촉식 정전 용량 센서의 민감한 요소는 그림 1과 같이 플레이트가 한 평면에 배치된 커패시터입니다. XNUMX.
이물질의 유무에 따라 매체 주변 판의 평균 유전율이 변경되고 결과적으로 커패시터의 정전 용량이 변경됩니다. 후자는 발진기의 주파수 설정 요소 역할을 합니다. 센서에 있는 임계값 장치는 진동이 변경될 때 진동의 진폭 또는 주파수를 모니터링하여 작동 장치를 작동시킵니다. 많은 용량성 센서에서 발진기 주파수는 수 메가헤르츠로 선택됩니다. 발전기는 이산 트랜지스터에 구축되며 그 수는 XNUMX에 이릅니다. 그러나 커패시턴스의 변화에 충분히 민감하고 수백 kHz의 주파수에서 작동하는 생성기는 중산층 연산 증폭기 하나에 구축할 수 있습니다. 그림에 표시된 연산 증폭기의 직사각형 펄스 생성기의 고전적인 구성표. 2.
자세한 설명과 계산은 [4]에 나와 있습니다. 연산 증폭기 DA1이 이상적이라면 발진 주파수는 커패시터 C1(센서의 감지 요소)의 커패시턴스에 반비례하고 진폭은 변하지 않습니다. 실제로 커패시턴스가 감소하고 주파수가 증가하면 실제 연산 증폭기 고유의 관성으로 인해 발전기의 자체 여기 조건이 충족되지 않고 진동이 중단되는 순간이 있습니다. 민감한 영역에 이물질이있는 경우 발전기가 작동하는지 확인하고 제거되면 (커패시터의 커패시턴스 감소와 동일) 더 이상 존재하지 않습니다. 이 모드는 발전기가 연속적으로 작동하거나 [5, 6] 이물질이 없는 경우에만 [7, 8] 알려진 알려진 모드에 비해 특정 이점이 있습니다. 이 아이디어는 ELECTRONIC WORKBENCH 프로그램을 사용하여 발전기를 시뮬레이션하여 테스트되었습니다. 표준 프로그램 요소 라이브러리에서 OS HA2502가 모델로 선택되었습니다. 저항 값은 R1 - 330kOhm, R2 - 1kOhm, R3 - 2kOhm입니다. 커패시터 C1의 커패시턴스가 11pF에서 12pF로 또는 그 반대로 변경될 때 진동이 부드럽게 발생하고 끊어졌습니다. 높은 수준의 확신을 가지고 정전용량 센서의 안정적인 작동에 충분하다고 주장할 수 있습니다. 이후 실제 구조물을 테스트하여 결론을 확인하였다. 센서의 민감한 요소는 단면 호일 코팅 절연 재료로 만들어졌으며 크기가 70x50mm 인 호일의 두 개의 직사각형 섹션이 2mm 간격의 짧은 변으로 서로 인접하게 남았습니다. 이렇게 형성된 "unwrapped capacitor"의 커패시턴스는 대략 5pF이다. 커패시터 판을 발전기에 연결하는 전선의 길이는 최소 50mm를 넘지 않아야 합니다. KR157UD2 칩의 두 연산 증폭기 중 하나에 있는 생성기의 실제 회로가 그림 3에 나와 있습니다. 삼.
마이크로 회로는 단일 소스에서 전원을 공급 받기 때문에 저항 분배기 R3R4를 사용하여 연산 증폭기의 비 반전 입력에 공급 전압의 절반에 해당하는 바이어스가 적용됩니다. 주파수 설정 회로는 저항 R2와 감지 요소 E1의 커패시턴스로 구성됩니다. 저항 R1은 연산 증폭기를 비활성화할 수 있는 간섭 및 간섭으로부터 연산 증폭기의 입력을 보호하는 역할을 합니다. 연산 증폭기의 주파수 응답을 보정하는 커패시터 C1의 중요한 역할에 주목해야 합니다. 주파수 응답 기울기에 대한 발전기의 "작동점"은 이 커패시터의 커패시턴스에 따라 달라집니다. C1=12pF, R5=180kOhm(주파수 200kHz) 및 C1=6,8pF, R5=1MΩ(주파수 500kHz)의 두 가지 옵션이 테스트되었습니다. 두 경우 모두 저항 R2를 조정하여 이물질이 민감한 요소에 접근했을 때 발전기가 여기되도록 할 수 있었습니다. 절연 재료로 만든 긴 드라이버를 사용하여 조정하는 것이 좋습니다. 테스트 중에 센서는 몇 센티미터 거리에서 사람의 손이나 물 탱크를 "느꼈습니다". 더 짧은 거리에서는 나무 블록, 빈 유리 병, 학생의 지우개까지 찾을 수 있습니다. K1407UD1 칩의 생성기 회로는 그림 4에 나와 있습니다. XNUMX.
속성은 위에서 설명한 속성과 거의 동일합니다. 적용된 연산 증폭기는 보정 회로를 연결하기 위한 핀이 없기 때문에 R3C1 회로를 통한 피드백에 의해 성능이 저하됩니다. 또한 이전 장치의 저항 R1(그림 3 참조)과 마찬가지로 저항 R3은 연산 증폭기의 입력을 간섭으로부터 보호합니다. 발전기의 작동 주파수는 약 100kHz입니다. 무화과. 그림 5는 KR157DA1 마이크로 회로의 비접촉식 센서 다이어그램을 보여줍니다[9].
이전에 고려한 것과는 달리(그림 3 및 4 참조) 연산 증폭기 DA1.1의 자체 대역폭이 상당히 좁기 때문에 센서 생성기에 추가 OS가 필요하지 않았습니다. 그러나 안정적인 작동을 위해서는 R6C1 회로를 도입해야 했습니다. 저항 R1 - 보호. 연산 증폭기 DA1.1에서 발생기의 발진 주파수는 R20=5kOhm에서 10kHz이고 R80=5kOhm에서 100kHz입니다. 민감한 영역에 물체가 없으면 발전기가 작동하지 않고 HL1 LED가 켜지지 않습니다. 후자는 예를 들어 [8]에 설명된 것과 비교하여 장치를 더 경제적으로 만듭니다. 부하가 R1.2C7 회로인 DA2 검출기의 두 번째 출력에서 신호가 임계값 장치인 연산 증폭기 DA1.3의 입력으로 공급됩니다. 출력(DA7 칩의 핀 1)에서 센서가 트리거되면 낮은 전압 레벨이 높은 레벨로 대체됩니다. 외부 물체가 없는 경우 고려 중인 센서를 포함하여 용량성 센서의 생성기는 때때로 100Hz의 주파수에서 뒤따르는 진동의 단기 "플래시"를 제공합니다. 이것은 아마도 네트워크 간섭의 결과일 것입니다. "플래시"의 듀티 사이클은 상당히 높고 R7C2 관성 회로는 이를 약화시켜 DA1.3의 트리거 레벨에 도달하지 못하게 합니다. 테스트에서 알 수 있듯이 이전에 표시된 감지 요소 E1의 크기를 줄일 수 있습니다. 예를 들어 K1407UD1 칩의 장치(그림 4 참조)는 30x6mm의 플레이트 크기로도 작동했으며 피드백 회로의 일정한 시간 상수를 유지하기 위해 가변 저항 R5의 값을 560kOhm으로 늘려야 했습니다. 센서의 감도는 상당히 만족스러웠습니다. 커패시터 판을 밀어서 벌리거나 공통선에 연결된 것을 완전히 제거하여 민감 영역의 크기를 늘릴 수 있습니다. 후자의 경우 원격 라이닝의 역할은 가장 일반적인 와이어와 연결된 요소로 전달됩니다. 튜닝 저항 R5로 적절하게 튜닝 한 후 100mm 거리 또는 나무 블록에서 30mm 떨어진 손의 나머지 안감에 접근하면 발전기가 여기되었습니다. 그러나 주파수가 100Hz인 "깜박임"의 진폭이 눈에 띄게 증가했습니다. 문학
저자: A. Moskvin, 예카테린부르크
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