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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Sensores capacitivos sin contacto. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / diseñador radioaficionado Los sensores capacitivos reaccionan a una amplia variedad de sustancias: sólidas y líquidas, metales y dieléctricos. Se utilizan, por ejemplo, para el control sin contacto del llenado de depósitos con líquidos y materiales a granel, para el posicionamiento y recuento de diversos objetos y para la seguridad de objetos. Este artículo describe el principio de funcionamiento de los sensores sin contacto y proporciona diagramas adecuados para su implementación y uso prácticos. Los sensores sin contacto producidos por muchas empresas nacionales y extranjeras [1, 2] funcionan según el principio de "condensador", reaccionando a un cambio causado por la apariencia. de un objeto extraño en el área sensible relativa a la constante dieléctrica del medio ambiente. Un sensor típico con un diámetro de superficie sensible de 60 mm detecta un "objetivo estándar" (término según [40]) a una distancia de 3 mm. El elemento sensible de un sensor capacitivo sin contacto es un condensador con placas desplegadas en un plano, como se muestra en la Fig. 1.
Dependiendo de la presencia o ausencia de un objeto extraño, cambia la constante dieléctrica promedio del revestimiento circundante del medio y, en consecuencia, la capacitancia del capacitor. Este último sirve como elemento de ajuste de frecuencia del autooscilador. El dispositivo de umbral en el sensor monitorea la amplitud o frecuencia de las oscilaciones y, cuando cambian, activa el actuador. En muchos sensores capacitivos, la frecuencia del oscilador se elige en varios megahercios. Los generadores se basan en transistores discretos, cuyo número llega a cinco. Sin embargo, se puede construir un generador suficientemente sensible a los cambios de capacitancia, que funcione a frecuencias de cientos de kilohercios, utilizando un solo amplificador operacional de clase media. La base es el circuito clásico de un generador de impulsos rectangular basado en un amplificador operacional, que se muestra en la Fig. 2.
Su descripción detallada y cálculo se dan en [4]. Si el amplificador operacional DA1 es ideal, la frecuencia de oscilación es inversamente proporcional a la capacitancia del condensador C1 (el elemento sensible del sensor) y su amplitud no cambia. De hecho, con una disminución de la capacitancia y un aumento de la frecuencia, llega un momento en el que, debido a la inercia inherente a un amplificador operacional real, las condiciones para la autoexcitación del generador dejan de cumplirse y las oscilaciones se rompen. Queda por asegurar que el generador funcione cuando hay un objeto extraño en la zona sensible, y cuando se retira (lo que equivale a reducir la capacitancia del condensador), ya no lo hace. Este modo tiene ciertas ventajas sobre los conocidos, cuando el generador funciona continuamente [5, 6], o sólo en ausencia de un objeto extraño [7, 8]. La idea se probó simulando el generador mediante el programa ELECTRONIC WORKBENCH. Se seleccionó OA NA2502 de la biblioteca de elementos de programa estándar para el modelo. Los valores de las resistencias fueron: R1 - 330 kOhm, R2 - 1 kOhm, R3 - 2 kOhm. Las oscilaciones surgieron y desaparecieron suavemente cuando la capacitancia del capacitor C1 cambió de 11 a 12 pF y viceversa. Con un alto grado de confianza, podemos decir que esto es suficiente para el funcionamiento confiable de un sensor capacitivo. La conclusión se confirmó posteriormente mediante pruebas de estructuras reales. El elemento sensible del sensor estaba hecho de material aislante de lámina de un lado, sobre el cual se dejaron dos secciones rectangulares de lámina de 70x50 mm, adyacentes entre sí con lados cortos con un espacio de 2 mm. La capacitancia del “condensador desplegado” formado de esta manera es de aproximadamente 5 pF. La longitud de los cables que conectan las placas del condensador al generador debe ser mínima, no más de 50 mm. En la figura 157 se muestra un circuito generador práctico basado en uno de los dos amplificadores operacionales del microcircuito KR2UD3. XNUMX.
Dado que el microcircuito se alimenta desde una sola fuente, utilizando un divisor resistivo R3R4, se aplica una polarización igual a la mitad del voltaje de suministro a la entrada no inversora del amplificador operacional. El circuito de ajuste de frecuencia está formado por la resistencia R2 y la capacitancia del elemento sensible E1. La resistencia R1 sirve para proteger la entrada del amplificador operacional de interferencias e interferencias que pueden dañar el amplificador operacional. Cabe señalar el importante papel del condensador C1, que corrige la respuesta de frecuencia del amplificador operacional. El "punto de funcionamiento" del generador en la pendiente de la respuesta de frecuencia depende de la capacitancia de este condensador. Se probaron dos opciones: C1=12 pF, R5=180 kOhm (frecuencia 200 kHz) y C1=6,8 pF, R5=1 MOhm (frecuencia 500 kHz). En ambos casos, ajustando la resistencia R2, fue posible asegurar que el generador se excitara cuando un objeto extraño se acercara al elemento sensible. Es recomendable realizar ajustes utilizando un destornillador largo de material aislante. Durante la prueba, el sensor “sintió” una mano humana o un tanque de agua a una distancia de varios centímetros. A menor distancia se pudo detectar un bloque de madera, un frasco de vidrio vacío e incluso la goma de borrar de un estudiante. El circuito del generador en el chip K1407UD1 se muestra en la fig. cuatro
Sus propiedades son aproximadamente las mismas que las comentadas anteriormente. Dado que el amplificador operacional usado no tiene pines para conectar circuitos de corrección, su rendimiento se ve degradado por la retroalimentación a través del circuito R3C1. Además, al igual que la resistencia R1 en el dispositivo anterior (ver Fig. 3), la resistencia R3 protege la entrada del amplificador operacional de interferencias. La frecuencia de funcionamiento del generador es de aproximadamente 100 kHz. En la fig. 5 muestra un diagrama de un sensor sin contacto en un microcircuito KR157DA1 [9].
A diferencia de los discutidos anteriormente (ver Fig. 3 y 4), no se requirió ningún sistema operativo adicional en el generador del sensor, ya que el ancho de banda del amplificador operacional DA1.1 es bastante estrecho. Sin embargo, para lograr un funcionamiento confiable, fue necesario introducir el circuito R6C1. La resistencia R1 es protectora. La frecuencia de oscilación del generador en el amplificador operacional DA1.1 es de 20 kHz en R5=10 kOhm y de 80 kHz en R5=100 kOhm. Si no hay ningún objeto en el área sensible, el generador no funciona, el LED HL1 no se enciende. Esto último hace que el dispositivo sea más económico en comparación, por ejemplo, con el descrito en [8]. Desde la segunda salida del detector DA1.2, cuya carga es el circuito R7C2, la señal va a la entrada del dispositivo de umbral: el amplificador operacional DA1.3. En su salida (pin 7 del chip DA1), cuando se activa el sensor, el nivel de voltaje bajo se reemplaza por uno alto. Los generadores de sensores capacitivos, incluido el que estamos considerando, a veces producen "destellos" de oscilaciones de corta duración a una frecuencia de 100 Hz en ausencia de un objeto externo. Probablemente esto sea el resultado de una interferencia en la red. El ciclo de trabajo de los "flashes" es bastante alto y el circuito inercial R7C2 los debilita, impidiéndoles alcanzar el nivel de activación DA1.3. Como mostró la prueba, las dimensiones indicadas anteriormente del elemento sensible E1 se pueden reducir. Por ejemplo, el dispositivo en el microcircuito K1407UD1 (ver Fig. 4) también funcionaba con tamaños de placa de 30x6 mm, y para mantener una constante de tiempo constante para el circuito de retroalimentación, el valor de la resistencia variable R5 tuvo que aumentarse a 560 kOhmios. La sensibilidad del sensor siguió siendo bastante satisfactoria. Fue posible aumentar las dimensiones de la zona sensible moviendo las placas del capacitor hacia los lados o quitando por completo la que está conectada al cable común. En este último caso, el papel del revestimiento remoto pasa al propio cable común y a los elementos conectados a él. Después del ajuste correspondiente con la resistencia de sintonización R5, el generador se excitaba al acercarse al revestimiento restante del brazo a una distancia de 100 mm o a un bloque de madera a una distancia de 30 mm. Sin embargo, la amplitud de los "destellos" con una frecuencia de 100 Hz aumentó notablemente. Literatura
Autor: A. Moskvin, Ekaterimburgo
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