Как конструктивно выглядит датчик емкости

Емкостной датчик уровня топлива на ATMega8A

Знать уровень топлива в баке не только «прикольно», но иногда жизненно необходимо. В некоторых случаях затруднительно оценить уровень топлива в баке из-за его расположения или недостаточной прозрачности. Для таких случаев и существуют датчики уровня топлива. На сегодняшний день наиболее распространены поплавковые датчики. Принцип работы таких датчиков достаточно прост. Поплавковый механизм в зависимости от уровня топлива в баке изменяет положение подвижного контакта потенциометра. Показание напряжения на потенциометре измеряются и преобразуются в человекочитаемый вид. Однако не всегда имеется возможность установить поплавковый датчик из-за его габаритов. Кроме того, в аппаратах, где крен является нормальным состоянием, например, сверхлегкие летательные аппараты, возможен перекос и подклинивание поплавкового механизма. Кроме того, положение бака в наземном и полетном положении может отличаться, что может внести изменения в работу поплавкового механизма. Однако существуют и другие способы измерения уровня топлива. Я говорю о емкостном датчике топлива. Он особо актуален, если существует необходимость избавится от подвижных частей.

Принцип измерения и особенности

Этот способ основан на измерении электрической емкости датчика, которая, в свою очередь, зависит от уровня топлива. Датчик, с помощью которого измеряется уровень топлива, называют емкостным датчиком уровня топлива. Конструкция датчика достаточно проста и представляет собой не что иное, как конденсатор. Он состоит из двух обкладок, между которыми существует зазор, который может заполнять топливо. Исполнение датчика может быть в виде двух металлических пластин или вставленных одна в другую трубок. При этом поверхности двух электродов (обкладок конденсатора) не должны иметь электрического контакта, а промежуток между обкладками должен свободно заполняться топливом при погружении датчика и так же свободно освобождаться при уменьшении уровня топлива. Поскольку топливо заполняет пространство между обкладками конденсатора (датчика), его емкость изменяется. Этот способ подходит только для жидкостей, не проводящих электрический ток. Таким способом не получится измерить уровень воды. Бензин и другие виды жидкого топлива электрический ток не проводят. Измеряя электрическую емкость датчика можно оценить уровень топлива в баке. Хотелось бы обратить внимание на некоторые недостатки такого способа измерения. Дело в том, что диэлектрические свойства топлива могут изменяться при изменении химического состава топлива. Т.е. при смене типа топлива, возможно, придется калибровать прибор. Не смотря на это, такой способ позволяет устанавливать датчик в баке под углом, или даже монтировать в крышку заливной горловины бака. Датчик не имеет подвижных частей, что в некоторых случаях крайне необходимо.

Насколько безопасно помещать электрическую схему в бак? Многих беспокоит этот вопрос. А вдруг искра? Наша схема датчика питается напряжением 5В, а датчик заряжается через резистор в несколько мегаом. В этих условиях образование искры невозможно. Напряжение в 5В ничтожно мало для возникновения искры пробоя. Кроме того, в баке любого автомобиля уже «плавает» электрический датчик уровня топлива. Низкие напряжения и токи не могут вызвать искру и возгорание топлива.

Я не ставил перед собой задачу получить супер точный датчик, способный измерить уровня топлива в 1мм и погрешностью в 0,1%, хотя это вполне возможно. Учитывая, что датчик создавался для аппаратов, где топливо в баке будет подвижно, нас вполне устроит бюджетный вариант с погрешностью в 5%.

Немного о конструктивных особенностях. Для уменьшения паразитных емкостей измерительная схема должна находиться в непосредственной близости от датчика. Не допускается подключение датчика к измерительной схеме с помощью проводов более 20 мм. Другими словами измерительная схема должна быть на датчике, датчик в баке, в то время, как дисплей должен находиться возле человека на некотором расстоянии от бака. Поэтому, конструктивно схема измерения уровня топлива разделена на два модуля — модуль емкостного датчика топлива и модуль отображения. Эти два модуля связаны между собой тремя проводами по двум из них подается питание к модулю датчика, по третьему — от модуля датчика передаются данные в цифровом виде к модулю отображения. Это позволило решить вопрос с передачей данных на несколько метров, и дает возможность конструктивно изменять модуль отображения. При этом схему модуля датчика модифицировать не придется.

Схема модуля датчика и модуля отображения

Схема модуля датчика основана на измерении времени заряда датчика. Чем выше уровень топлива, тем выше емкость датчика, тем больше времени потребуется для заряда датчика (конденсатора). Работает схема следующим образом. Используется встроенный в микроконтроллер ATMega8A аналоговый компаратор. На вход компаратора PD7 подается половина напряжения питания через резистивный делитель R3,R4. В момент, когда датчик зарядится до этого напряжения, сработает компаратор. На ноге PD6 устанавливается логический «0». Датчик разряжается через резистор R2. После чего выход PD6 переключается и работает как вход компаратора, запускается таймер, а датчик начинает заряжаться через резистор R1. При достижении напряжения установленного на входе PD7, срабатывает компаратор, таймер останавливается. Показания таймера используются для вычислений. Для обеспечения стабильности микроконтроллер должен тактироваться кварцем. Чем больше частота, на которой работает контроллер, тем выше точность измерения. В нашей схеме ATMega8A тактируется кварцем 16Мгц. Измерения выполняются постоянно, усредняются и один раз в секунду отправляются по последовательному порту UART на скорости 9600 в виде числового значения. На этом функции модуля датчика и заканчиваются.

В качестве датчика я использовал две полоски из фольгированного текстолита толщиной 1.5мм размерами: 290×20 мм. Полоски склеены между собой фольга к фольге через небольшие непроводящие прокладки. Расстояние между пластинами 1.5 мм. Их можно делать практически любой длины. При необходимости можно обрезать. Особо важно обеспечить равномерный зазор между пластинами по всей длине «конденсатора» .

Отображением полученных от модуля емкостного датчика данных занимается модуль отображения. Этот модуль можно спроектировать в соответствии с Вашими требованиями. Данные можно выводить на светодиодную линейку, на дисплей, как в нашем случае, на стрелочный индикатор или любое другое устройство отображения. При необходимости модуль датчика можно подключить к компьютеру через такой переходник.

Модуль отображения работает следующим образом. Данные в числовом виде принимаются от модуля датчика по порту UART на скорости 9600, рассчитываются показания уровня топлива и выводятся на дисплей. Но для того, чтобы выполнить корректный пересчет, модулю отображения потребуется знать как минимум два значения датчика — числовое показание датчика при пустом баке и числовое показание датчика при полном баке. Для этого, после установки датчика выполняется процедура калибровки прибора. Модуль отображения запоминает показания при пустом и полном баке, сохраняет в своей энергонезависимой памяти и в соответствии с этими данными выполняет пересчет. Поскольку от модуля не требуется особого быстродействия, его микроконтроллер ATMega8A работает на частоте 2Мгц от встроенного RC-генератора.

Процедура калибровки прибора:

• топливный бак должен быть пуст, прибор выключен
• нажмите и удерживайте кнопку
• включите питание прибора
• отпустите кнопку
• на экране появится «SET 0». Убедитесь, что бак пуст и нажмите кнопку
• на экране появится «SET 100». Залейте полный бак топлива и нажмите кнопку
• калибровка завершена

Пример печатных плат:

Плата модуля датчика

Плата модуля дисплея

Это наиболее простой вариант модуля отображения. В перспективе можно создать модуль с возможностью тарирования. Т.е. указать прибору не только два крайних значения при пустом и полном баке, а несколько промежуточных, которые учитывали бы особенности формы бака. Такой подход позволит не только отображать уровень топлива, но и рассчитывать оставшееся количество топлива в литрах. А также, при необходимости, вести ориентировочный расчет времени работы двигателя на текущем остатке топлива.

Фьюзы (Fuses) для модуля датчика:

Фьюзы (Fuses) для модуля отображения (дисплея):

P.S. Видео теста прототипа:

Емкостные датчики

В современное время на предприятиях промышленности используется огромное количество различных специальных приборов и устройств. Они исполняют важные функции в технологических процессах. В зависимости от конкретного примера это позволяет ускорить, обезопасить, улучшить качество или управляемость процесса.

Одним из таких устройств является датчик емкостного типа. Он позволяет контролировать значение определенных технологических параметров за счет зависимости между величиной своего емкостного сопротивления и значением контролируемого параметра.

Конструкция и принцип работы

Основным элементом емкостных датчиков является конденсатор, который может быть выполнен в плоском или цилиндрическом виде. Когда подвижная пластина конденсатора начинает перемещаться, увеличивая расстояния до неподвижной пластины, происходит деформация диэлектрика, при этом изменяется его положение, ведущее к изменению диэлектрической проницаемости и еще многих параметров.

Емкость для плоского конденсатора вычисляется по следующей формуле: С = Ɛ×Ɛ₀×S/d, где

• Ɛ – постоянное значение относительно диэлектрической проницаемости среды между пластинами;
• S – площадь пластин;
• d – расстояние между пластинами.

Датчики емкостного типа работают следующим образом:

1. Для контроля объекта генерируется электрическое поле с помощью генератора;
2. Специальное электронное устройство фиксирует изменения напряжения и амплитуды высокочастотных колебаний генератора;
3. Электронный триггер выступает в роли компаратора для того, чтобы установить уровень сигнала для срабатывания устройства;
4. Усилитель масштабирует выходной сигнал до необходимой величины;
5. Срабатывание устройства отображается с помощью индикатора, в роли которого выступает светодиод. По этому индикатору можно отследить момент переключения и по нему произвести настройку чувствительности.
6. Вся электроника устройства находится в компаунде. Это необходимы для защиты электроники от негативных внешних воздействий, например, грязь, вода и т.п.
7. Весь датчик заключается в прочный корпус, который может быть изготовлен как из пластика, так и из латуни. Тем самым устройство защищается от механических воздействий.
8. Чувствительная область датчика, которая взаимодействует с объектом контроля, образована с помощью электродов из металла. При этом электроды являются элементом обратной связи для генератора.
9. Контролируемый объект входит в поле, что приводит к появлению колебаний на генераторе. Значение амплитуды этих колебаний зависит от близости объекта к датчику. Триггер срабатывает при достижении амплитуды колебаний заданного значения.

Виды емкостных датчиков?

По типу исполнения оборудование бывает 2 видов.

Одноемкостные

Простейшее устройство, которое представляет собой переменный конденсатор. При этом стоит отметить, что простота конструкции ведет к чувствительности таких приборов к негативным внешним факторам, таких как влага, перепады температур и т.п.

Двухъемкостные

В схеме таких датчиков используются два переменных конденсатора. Они могут быть дифференциальными, обладающие высокой устойчивостью к внешним факторам, стабильностью и точностью при работе, и полудифференциальными, которые применяются, если первый тип использовать не получается.

По принципу действия или по контролируемой величине емкостные датчики делятся на:

Датчики линейных перемещений. В таких датчиках линейное перемещение объекта преобразуется пропорционально в перемещение пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. По этому значению емкости можно вычислить расстояние, на которое переместился объект.

Датчики угловых перемещений. Принцип действия абсолютно схож с предыдущем типом датчика. Отличие лишь в том, что в данном устройстве идет зависимость углового перемещения от емкости.

Инклинометры. Данный тип датчиков применятся для контроля наклона или крена. Основным элементом является капсула, которая располагается в подложке с планарными электродами. В качестве чувствительного электрода выступает проводящая жидкость, которая располагается внутри корпуса. В совокупности оба эти электрода являются дифференциальным конденсатором. Величина сигнала на выходе датчика пропорциональна емкости этого конденсатора, которая зависит от того, где находится корпус по вертикали. То есть угол наклона, который определяется по вертикальному положению, прямо пропорционален емкости конденсатора. Такие датчики обладают высокой точностью измерения, имеют компактный корпус и небольшой вес, и в целом отличное соотношение цена/качество/функциональность.

Датчики уровня. Очень распространены во многих отраслях промышленности для контроля уровня различных технологических веществ в емкостях, баках и т.п. При этом датчики емкостного типа работают, как с жидкостями различной вязкости, так и с сыпучими материалами. Также такие датчики надежно работают в самых сложных ситуациях, при которых идет большое запыление в емкости или образование конденсата.

Датчики давления. Конструкция подобных датчиков давления бывает одностаторная или двухстаторная. В одностаторных устройствах используется металлическая ячейка, которая делиться на части плоской диафрагмой со статичным электродом. Диафрагма и электрод представляют собой переменный конденсатор. При деформации диафрагмы изменяется значение емкости, которое пропорционально приложенному давлению. В двухстаторных приборах диафрагма может двигаться в обе стороны, за счет этого может измеряться дифференциальное давления. Датчики подобного типа имеют незначительную погрешность.

Области применения

Емкостные датчики получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. Они применяются для непрерывного измерения параметров технологического процесса, таких как уровень, давление. Также они позволяют получать дискретные сигналы о заполнении емкостей, о положениях различных механизмов и т.п.

На сегодняшний день множество применений получают датчики приближения объекта. На многих производствах их можно встретить при выполнении функций контроля наполнения емкостей из пластика или стекла, контроля состояния конвейерной ленты и многого другого.

Датчики угловых и линейных перемещений нашли свое применений в машиностроительных, энергетических и подобны отраслях тяжелой промышленности.

Функционал инклинометра позволяет ему быть востребованным для многих областей, например:

• автоматическая установка платформы в горизонтальное положение;
• контроль прогиба или деформации различных конструкций;
• измерение наклона дорог при их строительстве или обслуживании;
• контроль углового перемещения при вращении.

Особенности емкостных датчиков

Основными достоинствами применения емкостных датчиков являются:

• компактные габариты;
• малое энергопотребление датчика;
• высокий рабочий ресурс;
• формфактор датчика можно удобно приспособить к различным конструкциям.

Из ограничений емкостных датчиков следует выделить:

• малый коэффициент преобразования;
• хороший работа достигается на высокой частоте;
• требуется экранирование чувствительного элемента.

Схемы и методы реализации емкостных датчиков касаний

Если вы читали предыдущую статью, то вы знаете, что суть емкостных датчиков прикосновений заключается в изменении емкости, которое происходит, когда объект (обычно палец человека) приближается к конденсатору. Присутствие пальца увеличивает емкость, так как:

1. вводит вещество (т.е. человеческую плоть) с относительно высокой диэлектрической проницаемостью;
2. обеспечивает проводящую поверхность, которая создает дополнительную емкость параллельно существующему конденсатору.

Конечно, сам факт того, что емкость изменяется, не особенно полезен. Для того, чтобы на самом деле реализовать емкостной датчик касаний, нам необходима схема, которая может измерять емкость с точностью, достаточной, чтобы идентифицировать увеличение емкости, вызванное наличием пальца. Существуют различные способы сделать это, некоторые довольно просты, другие более сложные. В данной статье мы рассмотрим два основных подхода для реализации емкостного сенсорного функционала: первый основан на постоянной времени RC (резистор-конденсатор) цепи, а второй основан на сдвигах частоты.

Постоянная времени RC цепи

Возможно, вы также испытываете чувства ностальгии по университету, когда видите экспоненциальную кривую, представляющую график напряжения во время заряда или разряда конденсатора. Возможно, кто-то при взгляде на эту кривую впервые понял, что высшая математика всё-таки имеет какое-то отношение к реальному миру, да и в век роботов, работающих на виноградниках, есть что-то привлекательное в простоте разряда конденсатора. В любом случае, мы знаем, что эта экспоненциальная кривая изменяется, когда изменяется либо резистор, либо конденсатор. Скажем, у нас есть RC цепь, состоящая из резистора 1 МОм и емкостного датчика касаний с типовой емкостью (без пальца) 10 пФ.

Мы можем использовать вывод входа/выхода общего назначения (настроенный, как выход) для заряда конденсатора до напряжения, соответствующего высокому логическому уровню. Затем нам необходимо разрядить конденсатор через большой резистор. Важно понимать, что вы не можете просто переключить состояние выхода на низкий логический уровень. Вывод I/O, сконфигурированный на выход, будет управлять сигналом низкого логического уровня, то есть, он создаст низкоомное соединение выхода с землей. Таким образом, конденсатор быстро разрядится через это низкое сопротивление – так быстро, что микроконтроллер не сможет обнаружить едва заметные временные изменения, созданные небольшими изменениями емкости. Что нам здесь нужно, так это вывод с большим входным сопротивлением, что заставит почти весь ток разряда течь через резистор, а это может быть достигнуто настройкой вывода для работы, как вход. Итак, сначала вы установите вывод, как выход, выдающий высокий логический уровень, а затем этап разряда, вызывается изменением режима работы вывода на вход. Результирующее напряжение будет выглядеть примерно следующим образом:

Если кто-то прикасается к датчику и тем самым создает дополнительную емкость 3 пФ, постоянная времени будет увеличиваться следующим образом:

По человеческим меркам время разряда не сильно отличается, но современный микроконтроллер, безусловно, может обнаружить это изменение. Скажем, у нас есть таймер с тактовой частотой 25 МГц; мы запускаем таймер, когда переключаем вывод в режим входа. Мы можем использовать таймер для отслеживания времени разряда, настроив этот же вывод действовать, как триггер, который инициирует событие захвата («захват» означает хранение значения таймера в отдельном регистре). Событие захвата произойдет, когда напряжение разряда пересечет порог низкого логического уровня вывода, например, 0,6 В. Как показано на следующем графике, разница во времени разряда с порогом 0,6 В составляет ΔT = 5.2 мкс.

С периодом тактовой частоты таймера 1/(25 МГц) = 40 нс, это ΔT соответствует 130 тактам. Даже если изменение емкости будет уменьшено в 10 раз, у нас всё равно будет разница в 13 тактов между нетронутым датчиком и датчиком, к которому прикоснулись.

Таким образом, идея заключается в многократном заряде и разряде конденсатора, контролируя время разряда; если время разряда превышает заданный порок, микроконтроллер предполагает, что палец вошел в «контакт» с конденсатором датчика касаний (я написал «контакт» в кавычках потому, что палец на самом деле никогда не касается конденсатора – как упоминалось в предыдущей статье, конденсатор отделен от внешней среды лаком на плате и корпусом устройства). Тем не менее, реальная жизнь немного сложнее, чем идеализированное обсуждение, представленное здесь; источники ошибок обсуждаются ниже, в разделе «Работа в реальности».

Переменный конденсатор, переменная частота

В реализации на базе изменения частоты емкостной датчик используется в качестве «С»-части в RC генераторе таким образом, что изменение емкости вызывает изменение частоты. Выходной сигнал используется в качестве входного для модуля счетчика, который подсчитывает количество фронтов или спадов, возникающих во время периода измерения. Когда приближающийся палец приводит к увеличению емкости датчика, частота выходного сигнала генератора уменьшается, и, таким образом, количество фронтов/спадов также уменьшается.

Так называемый релаксационный генератор (генератор колебаний, пассивные и активные нелинейные элементы которого не обладают резонансными свойствами) представляет собой основную схему, которая может использоваться для этой цели. Для этого в дополнение к конденсатору датчика касаний требуются несколько резисторов и компаратор. Кажется, это вызывает больше проблем по сравнению с методом заряда/разряда, который обсуждался выше, но если ваш микроконтроллер обладает встроенным модулем компаратора, это не так уж и плохо. Я не буду вдаваться в подробности схемы этого генератора, потому что, во-первых, он обсуждается во многих других местах, и, во-вторых, маловероятно, что вы захотите использовать этот метод генератора, когда есть много микроконтроллеров и отдельных микросхем, которые предлагают высокопроизводительную емкостную сенсорную функциональность. Если у вас нет другого выбора, кроме как создать свою собственную схему емкостного сенсора касаний, я думаю, что метода заряда/разряда, описанный выше более прост. В противном случае, сделайте свою жизнь немного проще, выбирая микроконтроллер со специальным аппаратным обеспечением для емкостного датчика касаний.

Примером встроенного модуля, основанного на релаксационном генераторе, является периферия емкостного датчика в микроконтроллерах EFM32 от Silicon Labs:

Мультиплексор позволяет частоте колебаний управляться восьмью различными конденсаторами датчиков касаний. С помощью быстрого переключения между каналами, контроллер может эффективно контролировать одновременно восемь сенсорных кнопок, так как рабочая частота микроконтроллера очень высока по сравнению со скоростью движения пальца.

Работа в реальности

Емкостная сенсорная система будет зависеть и от высокочастотного, и от низкочастотного шума.

Высокочастотный шум вызывает в измерениях времени разряда или количества фронтов незначительные изменения от отсчета к отсчету. Например, схема заряда/разряда без пальца, о которой говорилось выше, может иметь время разряда 675 тактов, затем 685 тактов, затем 665 тактов, затем 670 тактов и так далее. Значимость этого шума зависит от ожидаемого изменения времени разряда при поднесении пальца. Если емкость увеличивается на 30%, то ΔT будет составлять 130 тактов. Если наши высокочастотные изменения составляют только ±10 тактов, то мы можем легко отличить сигнал от шума.

Однако, увеличение емкости на 30% находится вблизи максимального значения изменения емкости, на которое мы можем рассчитывать. Если мы получим изменение только на 3%, ΔT составит 13 тактов, что слишком близко к уровню шума. Одним из способов уменьшения влияния шума является увеличение амплитуды сигнала, и вы можете сделать это за счет уменьшения физического расстояния, разделяющего печатный конденсатор и палец. Однако, часто механическая конструкция ограничена другими факторами, и вы уже больше не можете увеличить уровень сигнала. В этом случае вам необходимо понизить уровень шума, что может быть достигнуто путем усреднения. Например, каждое новое время разряда может сравниваться не с предыдущим временем разряда, а со средним значением последних 4 или 8 или 32 результатов измерений времени разряда. Метод, основанный на сдвиге частоты и описанный выше, автоматически включает усреднение, потому что небольшие изменения около средней частоты не будут существенно влиять на количество подсчитанных циклов в течение периода измерений, который более длительный по сравнению с периодом колебаний.

Низкочастотный шум относится к долговременным изменениям емкости датчика без прикосновения пальца; эти изменения могут быть вызваны условиями окружающей среды. Этот тип помехи не может быть усреднен, потому что изменения могут сохраняться в течение очель долгого периода времени. Таким образом, единственный способ эффективно бороться с низкочастотным шумом должен быть адаптивным: порог, используемы для обнаружения присутствия пальца, не может быть фиксированным значением. Вместо этого, он должен регулярно корректироваться на основе измеренных значений, которые не показывают значительные кратковременные изменения, такие как те, что вызваны приближением пальца.

Заключение

Методы реализации, обсуждаемые в данной статье, показывают, что емкостное определение касания не требует сложного аппаратного и программного обеспечения. Тем не менее, это универсальная, надежная технология, которая предоставить значительное улучшение производительности по сравнению с механическими альтернативами.

Емкостные датчики и принципы их работы

Емкостной датчик, как его определяет Большая Советская Энциклопедия, — измерительный преобразователь, позволяющий неэлектрические величины перевести в значения электрической емкости. Например, такие как давление, уровень жидкости, механическое усилие, влажность, и прочие. Изменения емкости оказываются пропорциональны колебаниям измеряемой величины, и это соответствие позволяет отследить ее поведение.

Как работает такой измеритель

По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.

Про конденсатор, его характеристики

Как известно, емкость конденсатора определяется формулой

• Ɛ0 — диэлектрическая постоянная;
• Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;
• d — зазор между обкладками;
• S — площадь обкладок.

В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.

Принцип работы емкостного измерителя

Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.

Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.

Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.

Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.

Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.

Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.

Какие бывают датчики

Все измерители на основе ёмкостного сенсора можно разделить на:

• одноемкостные;
• двухемкостные.

Необходимо отметить, что конструктивно емкостные датчики могут быть:

• плоскими;
• цилиндрическими;
• поворотными.

Сфера применения любых из них достаточно обширна. Как пример, по функциональному назначению их можно использовать в роли:

• измерителей уровня;
• приборов контроля углового перемещения;
• датчиков перемещения;
• инклинометров;
• датчиков давления.

Этими примерами далеко не исчерпываются варианты применения емкостных измерителей. Ниже будут рассмотрены и другие возможности, предоставляемые этими приборами.

Одноемкостные датчики

Это самые простые сенсоры. По сути, они являются обычными конденсаторами переменной емкости, изменения которой отслеживаются специальной схемой. Ёмкостные измерители подобного типа подвержены сильному влиянию со стороны внешней среды. Лучше всего на их основе реализовывать различные бесконтактные варианты контроля, например приближения посторонних лиц к охраняемой зоне или движения в ней.

Как выглядят на практике подобные конденсаторы, можно понять из приведенных ниже рисунков.

Двухемкостные датчики

Позволяют уменьшить влияние внешней среды. Ёмкостный сенсор подобного типа отличается большей точностью измерения из-за того, что один конденсатор служит в качестве эталонного. Это позволяет компенсировать стороннее влияние. Двухемкостные датчики бывают дифференциальными и полудифференциальными. Схематически примеры построения подобных приборов показаны ниже.

Другой способ повысить чувствительность емкостного измерителя — использовать мостовую схему включения.

Датчики уровня

Емкостные датчики уровня — устройства, позволяющие контролировать уровень жидкого или сыпучего вещества в баке или бункере. Конечно, конструктивное исполнение вариантов измерителей для различных веществ будет разным, но принцип останется неизменным.

Фактически емкостные датчики уровня подобного типа являются двумя конденсаторами, соединенными между собой параллельно. Только у одного диэлектриком служит воздух, а у другого — жидкость или иное вещество. Таким образом, емкость каждого из них будет разная, она будет меняться и зависеть от степени заполнения бункера (бака).

Приведенный рисунок или схема емкостного датчика отличается простотой построения и универсальностью. Однако, чтобы повысить точность измерения, лучше всего, как минимум, дополнительно контролировать температуру жидкости, от нее зависит значение диэлектрической проницаемости. И в зависимости от температуры в расчетах необходимо будет использовать поправочный коэффициент.

Датчики линейного перемещения

Подобные устройства могут использоваться в самых разных целях, например для:

• контроля начала-окончания рабочего хода исполнительного устройства в автоматических станках;
• позиционирования различных объектов;
• фиксации появления стороннего объекта в системе охраной сигнализации;
• как концевой выключатель.

Датчики подобного типа могут работать на различных принципах. Ниже рассмотрим два варианта их реализации.

• На основе изменения зазора между пластинами конденсатора. В таком варианте воздействие приходится на одну из обкладок, она под приложенным усилием может смещаться, что вызывает изменение емкости конденсатора, пропорциональное воздействию.
• В представленном ниже варианте работа датчика основана на изменении диэлектрической проницаемости диэлектрика между обкладками.

Датчики углового перемещения

По своей сути подобные сенсоры похожи на датчики линейного перемещения, и чаще всего для этих целей используют приборы с изменяемой площадью. Одна из обкладок конденсатора прикреплена к валу объекта, а другая остается неподвижной. Изменение степени перекрытия пластин вызывает колебания емкости.

Для повышения точности измерения чаше всего используют многосекционные преобразователи.

Инклинометр

Принцип работы такого устройства схож с тем, как работает емкостный датчик уровня. В специальной капсуле крепится подложка, на которой располагаются два изолированных участка, которые являются одним из выводов конденсатора. Внутри капсула заполнена токопроводящей жидкостью. Она является другим электродом конденсатора. Его емкость определяется положением прибора по вертикали и не зависит от угла наклона в других направлениях.

Датчик давления

В подобном измерителе давление вызывает изменение расстояния между обкладками конденсатора. Достигается это тем, что между его пластинами располагается эластичная мембрана, на которую и оказывается воздействие. Перегородка в зависимости от давления движется в ту или иную сторону, что приводит к изменению емкости.

Емкостные датчики прикосновения

Рассматривая разнообразные типы сенсоров на основе электрической емкости, нельзя обойти вниманием такое их использования как датчики прикосновения. Самым наглядным примером подобных приборов служат смартфоны. Реализация датчиков прикосновения может быть достаточно сложной, но она базируется на некоторых простых основополагающих принципах. Работа таких устройств основана:

• на использовании собственной емкости;
• на использовании взаимной емкости.

Далее будет рассмотрен принцип работы датчиков прикосновения на основе собственной емкости.

Датчик на основе собственной емкости

Конденсатор существует не только в виде отдельного объемного элемента с выводами. Емкостью также обладают два обычных проводника, расположенные параллельно. Исходя из этого, можно получить конденсатор, основываясь на электропроводных слоях, разделенных каким-либо диэлектриком. Такой конденсатор может быть получен на основе печатной платы.

Он представлен на рисунке ниже (в двух проекциях — сверху и сбоку). Мы видим обособленный участок (сенсорная кнопка), отделенный от общего слоя меди. А так как остальные участки соединены с землей, то сенсорная площадка может быть представлена как конденсатор между ней и землей.

Емкость такого конденсатора будет мала, порядка 10 пФ. Но для различных устройств ее значение не принципиально. При контроле зачастую важна не емкость, а ее изменение. Именно на это рассчитаны те схемы, которые обрабатывают состояние сенсорной кнопки.

Как изменить состояние кнопки

Самое простое, что можно сделать, — прикоснуться пальцем. Надо сразу отметить, что никакой опасности для человека такое касание не представляет. Обычно все платы покрываются лаком, так что прямого контакта с токопроводящими элементами не произойдет. Тем не менее, изменения состояния конденсатора будут. Это возможно по двум причинам:

• из-за диэлектрической проницаемости человеческого тела;
• из-за собственной проводимости

Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью

Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость тела отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, который служит изолятором в первоначальный момент, то емкость конденсатора изменится. Здесь расчет простой — диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а воды — 80 (человеческое тело по большей части состоит из воды). Значит, емкость сенсорной кнопки увеличится.

Для этого изменения даже не надо ее касаться. Как показали исследования ученых, порой достаточно просто поднести палец к контакту.

Тело обладает собственной проводимостью

Это давно установленный факт.

И хотя выше говорилось, что касание не несет опасности для человека, тем не менее, оно вносит свою лепту в изменение состояния сенсорной кнопки. Упрощенно можно считать, что емкость пальца подключена параллельно емкости сенсорной кнопки. Поэтому общая емкость системы, как и в предыдущем случае, увеличится. А значит, оба рассмотренных механизма (изменение диэлектрической проницаемости и собственная проводимость человеческого тела) приводят к увеличению емкости.

Использование емкостных датчиков прикосновения

Подобные сенсоры нашли широкое применение не так давно, хотя в повседневной жизни они встречаются повсеместно. Можно ожидать, что благодаря им использование механических переключателей и кнопок будет минимизировано. Самое главное — такая технология позволяет определить момент касания, а уж современная электроника его обработает без каких либо проблем.

Датчики присутствия

Другим, не менее важным и востребованным вариантом применения датчиков на основе емкости является их использование для обнаружения кого- или чего-либо в зоне контроля. Самый простой пример — включение освещения на лестничной площадке. Хотя этим далеко не исчерпываются возможности таких измерителей. Не менее востребовано применение таких сенсоров в системах охранной сигнализации. Или подсчета количества штучной продукции.

Как это работает

Выше уже отмечалось, что человеческое тело обладает определенной диэлектрической проницаемостью и проводимостью.

На рисунке представлено схематическое изображение такой системы. Имеются два электрода, подключенные к измерителю. Каждый из них обладает своей емкостью, обозначенной С1. В результате есть определенная результирующая емкость у всей системы.

При появлении в контролируемой зоне какого-то нового объекта, например человека, у системы образуются две дополнительные емкости: Са — между электродом и телом человека, и Сb — между человеком и землей. Результирующая емкость всей системы изменится, и это изменение может быть отслежено схемой контроля.

Еще один способ обнаружения присутствия

В этом случае также используется эффект увеличения емкости при появлении постороннего предмета в зоне контроля. Только в данном случае применяется механизм активного воздействия на контролируемый участок. Для этого используется схема датчика с активным излучателем.

В состав такого измерителя входят генератор сигналов, компаратор и усилитель-преобразователь. При включении схемы в пространстве перед измерителем возникает электрическое поле. Генератор настроен таким образом, чтобы при отсутствии посторонних предметов он не запускался. Достигается это тем, что свободное пространство считается развернутым конденсатором с диэлектрической проницаемостью равной 1. Значение емкости получается недостаточным для запуска генератора.

При появлении каких-либо материалов, объектов, людей перед измерителем диэлектрическая проницаемость среды изменяется (увеличивается), также растет емкость конденсатора. Это приводит к запуску генератора. Амплитуда колебаний будет зависеть от расстояния до предмета, его материала и диэлектрической проницаемости.

При достижении амплитуды колебаний определенной величины, срабатывает компаратор и выдает сигнал на усилитель. Посторонний предмет обнаружен.

Данная схема может применяться не только в системах охранной сигнализации для фиксации вторжения в закрытую зону, но и для других целей. На этом принципе может работать система подсчета количества штучного товара, например, упаковок молока, консервных банок или любых других аналогичных предметов.

Возможные сферы применения датчиков

Рассмотренные емкостные датчики уровня, давления, положения и другие типы подобных изделий, а также особенности конструкции, позволяют сделать вывод об их универсальности. А значит, они могут быть использованы в разных областях промышленности, схемах регулирования и контроля. В качестве примера можно назвать следующие области народного хозяйства, где могут применяться подобные измерители:

• нефтегазовая промышленность;
• добыча и переработка металлов;
• горнодобывающая промышленность;
• сельское хозяйство, в том числе животноводство и растениеводство;
• деревообрабатывающая промышленность;
• производство напитков и продуктов питания;
• станкостроение и роботизированные комплексы;
• целлюлозно-бумажная промышленность;
• химическая промышленность и другие.

Использование емкостных преобразователей позволяет решить самые различные задачи. Перечислить их все просто нереально, но опять же в качестве примеров можно перечислить такие варианты их использования:

• указание положения жидкости, сыпучих веществ, в том числе продуктов, в трубе или хранилище, контроль их заполнения;
• сигнализация обрыва провода, ленты, иных подобных предметов при намотке;
• подсчет количества штучных изделий;
• контроль натяжения ленты;
• использование в охранных системах для обнаружения несанкционированного вторжения.

Преимущества емкостных датчиков

Среди несомненных достоинств таких сенсоров, где бы они ни применялись, хоть в Москве, хоть в Антарктиде, стоит отметить:

• малый вес, габариты, незначительное потребление электроэнергии;
• отсутствие контактов;
• длительный срок эксплуатации;
• возможность адаптировать датчики к использованию для решения различных задач;
• незначительные усилия для перемещения подвижных частей.
• простоту изготовления, а также применение для этих целей доступных, недорогих материалов;

Недостатки датчиков

Однако для таких измерителей характерны и некоторые недостатки:

• ошибки и погрешности, порой значительные, в процессе измерений;
• необходимость использования преобразователей и измерителей, работающих на высоких частотах;
• экранирование измерительных и высокочастотных цепей;

Где купить

Различные сенсорные устройства можно купить в специализированном магазине. Но существует другой вариант, который недавно получил ещё и значительные улучшения. Долго ждать посылку из Китая больше не требуется: в интернет-магазине АлиЭкспресс появилась возможность отгрузки с перевалочных складов, расположенных в различных странах. Например, при заказе вы можете указать опцию «Доставка из Российской Федерации».

Переходите по ссылкам и выбирайте:

Заключение

Различные измерители, построенные на емкостных датчиках, широко используются в самых разных отраслях промышленности, отличаются простотой в изготовлении и применении. Имеют длительный срок службы и высокую надежность.