Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Суббота, 23 февраля
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Термостаты от Sensata серии 1NT

В статье речь пойдет о термостатах общего применения серии 1NT компании Sensata, которые отлично зарекомендовали себя среди отечественных производителей техники, связанной с использованием и превращениями тепловой энергии.

Оптические кодеры улучшают характеристики компактных систем управления

3-канальный оптический кодер позволяет значительно уменьшить габариты системы. Возможность выбора коэффициента интерполяции позволяет, в свою очередь, увеличивать количество отсчетов за оборот без необходимости применения кодирующего диска большего размера. Статья представляет собой перевод [1].

EPIC — новая эра в измерении электрического потенциала

В статье рассматривается новый электрометр, в котором надежность сочетается с высокой чувствительностью, что позволяет применять его в медицинских и других приложениях.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

9 декабря

Емкостные датчики приближения

Датчики приближения широко используются в промышленности — в счетных устройствах на конвейере — для определения позиции приборов или других объектов. В последние годы они стали применяться в бытовых устройствах и в автомобильной отрасли. В этой статье рассмотрены принципы работы датчиков приближения.



Строение датчика

Как известно, емкость между двумя объектами обратно пропорциональна расстоянию между ними и прямо пропорциональна их геометрическим размерам.
Система определения близости объектов состоит из чувствительного элемента, блока измерения емкости датчика и логической схемы, реагирующей на изменение емкости при приближении объекта. В качестве чувствительного элемента используется провод, печатный проводник на плате или часть корпуса. Датчики приближения могут иметь один или два чувствительных элемента.
Принцип работы датчика с двумя чувствительными элементами поясняется рисунком 1. Взаимная емкость элементов САВ увеличивается по мере приближения объекта к датчику за счет увеличения емкостей между САХ и СВХ — чувствительным элементом и объектом. По изменению САВ судят о приближении объекта. Недостатком данного подхода является невысокая чувствительность.
Схема датчика с одним чувствительным элементом показана на рисунке 2. При приближении объекта емкость между объектом и датчиком САХ и, соответственно, емкость датчика СА увеличиваются. Чувствительность такой схемы выше, чем предыдущей, что позволяет распознавать объекты на большем расстоянии. Однако обе схемы характеризуются очень низкой помехоустойчивостью и могут давать ложные срабатывания при наличии посторонних металлических предметов. Вместе с тем емкостные датчики имеют простую конструкцию без намоточных деталей (катушек, контуров и т.д.), что делает их удобными и технологичными в изготовлении.

 

Рис. 1. Схема датчика с двумя чувствительными элементами

Рис. 2. Схема датчика с одним чувствительным элементом


Емкостные датчики применяются там, где высокая чувствительность и помехоустойчивость не требуются, например, в сигнализаторах прикосновения к металлическим предметам или датчиках уровня жидкости, в бытовых приборах для включения подсветки и т.д.

Методы измерения емкости

Точность и надежность работы датчиков приближения зависит от точности измерения изменившейся емкости системы. Существует несколько методов измерения емкости, которые основаны на преобразовании изменения емкости в изменение напряжения, тока, частоты или ширины импульсов.
Прямой метод измерения подразумевает заряд конденсатора от источника тока в течение определенного времени и затем — измерение напряжения на конденсаторе. Этот метод требует наличия прецизионного источника очень маленького тока и входа с высоким импедансом для измерения напряжения.
Второй метод подразумевает ис-
пользование измеряемой емкости в качестве времязадающей величины в RC-генераторе с последующим измерением постоянной времени, частоты или периода. Этот метод прост, но обычно не обеспечивает высокой точности.
Ещё один подход заключается в измерении импеданса конденсатора на переменном токе. Источник синусоидального сигнала подключается к конденсатору, и при этом измеряется напряжение и ток через конденсатор. При использовании 4-проводного логометрического подключения (при котором измеряется соотношение импедансов) и синхронного демодулятора можно получить наиболее точный результат. В то же время такая схема очень сложна и состоит из большого количества элементов. Наиболее распространенными являются метод последовательного приближения и измерение с помощью сигма-дельта модулятора.
В методе последовательного приближения (см. рис. 3) коммутируемая емкостная цепь заряжает измерительный конденсатор CMod. Напряжение с CMod подается через ФНЧ на компаратор, где сравнивается с опорным. Синхронизируемый с генератором счетчик запирается выходным сигналом компаратора. Этот сигнал и обрабатывается для определения статуса датчика. Метод последовательного приближения требует очень малого числа внешних элементов. Кроме того, на работу схемы в данном случае не влияют переходные помехи по цепи питания.
Схема с использованием сигма-дельта преобразователя показана на рисунке 4. Коммутируемая схема находится между VDD и напряжением на CMod. Генератор псевдослучайных чисел управляет частотой переключения коммутируемой конденсаторной цепи. Конденсатор CMod совершает непрерывные циклы зарядки-разрядки. При закрытии компаратора замыкается переключатель разрядного сопротивления, и CMod разряжается до тех пор, пока новое значение не запишется в регистр-защелку. Затем выходной поток битов с защелки логически умножается на сигнал с ШИМ и запускает счетчик. Выходной сигнал счетчика обрабатывается для определения статуса датчика. Данный метод идеально подходит для кухонно-бытовой техники, промышленных и автомобильных приложений, поскольку минимально восприимчив к электромагнитным помехам и наводкам.

 

Рис. 3. Метод последовательного приближения

Рис. 4. Измерение емкости с помощью сигма-дельта модулятора


В сигма-дельта преобразователе происходит переключение конденсаторов фиксированной величины. За счет этого достигается уравнивание заряда между меняющимся сигналом на аналоговом входе и постоянным сигналом источника опорного напряжения. Однако заряд пропорционален напряжению и емкости, поэтому можно зафиксировать входное напряжение и вместо этого менять емкость. Фиксированное входное напряжение можно рассматривать как напряжение возбуждения. Конденсатор, емкость которого меняется, будем рассматривать как емкостный датчик. В результате выходной код будет соответствовать соотношению емкости датчика и опорной емкости CREF.
Данный подход позволяет осуществить прямое подключение емкостного датчика к сигма-дельта преобразователю, что само по себе обеспечивает такие преимущества как высокая разрешающая способность, точность и линейность. Кроме того, данная схема не чувствительна к величине емкости между выводами датчика и землей или к току утечки, если эти величины находятся в пределах, характерных для реальных конструкций. Преобразователь емкости в цифровой код может быть изготовлен на одном кристалле, что обеспечивает высокую степень интеграции, простоту, надежность, низкую стоимость и высокую повторяемость конечного устройства.

Чувствительный элемент

Для выбора чувствительного элемента большое значение имеет диапазон изменения емкости датчика. Путем подбора Rdis и Uопор регулируют динамический диапазон модулятора так, чтобы он стал максимальным. Оптимальное соотношение достигается тогда, когда выходное напряжение составляет 70–80% от максимального при отсутствии объектов вблизи датчика. Например, когда разрешение преобразователя равно 14, производится от 11500 до 13000 счетов.
Чувствительность датчика сильно зависит от геометрических размеров чувствительного элемента. Как правило, оптимальные размеры подбираются экспериментально. Если вблизи датчика располагаются металлические объекты, необходимо поставить защитный экран между датчиком и этими объектами, а также внести поправку при последующей обработке данных, иначе могут возникать ошибки. Защитить схему от воздействия внешних факторов, таких как изменение температуры и влажности, помогает БИХ-фильтр.

Пример

Пусть датчик приближения используется в схеме, которая при приближении руки зажигает светодиод. В качестве чувствительного элемента возьмем провод сечением 0,5 мм2 и длиной 10 см. Структурная схема устройства показана на рисунке 5. Основным элементом схемы является сигнальный процессор CY8C21434 Cypress Semiconductor. Разрешение сигма-дельта-преобразователя рав­но 14. Из внешних элементов требуется только CMod и Rdis. Показания датчика снимаются с вывода Debug по интерфейсу I2C.

 

Рис. 5. Структурная схема устройства


Выходной сигнал АЦП проходит через БИХ-фильтр, чтобы задать опорное значение. В данной схеме фильтр позволяет избавиться от высокочастотных шумов. Для защиты от медленных изменений требуются дополнительные меры. Когда разность между текущим показанием и опорным превышает пороговое значение, регист­рируется приближение объекта. Код на С для данного алгоритма приведен на рисунке 6.

 

Рис. 6. Пример реализации на С

 

Несколько функций являются специфическими для данного процессора:
ReadCSD — считывание текущих показаний сигма-дельта преобразователя;
LowPassFilter — программный БИХ-фильтр;
LED_On и LED_Off — включение и выключение светодиода;
Debug_DumpData — пересылка показаний датчика на внешний отладочный вывод.
Для калибровки системы необходимо отрегулировать Rdis и установить текущее значение АЦП на уровне 80% от максимального, затем поднести руку к датчику на расстояние, в пределах которого будет вестись обнаружение. В качестве порогового значения следует взять 80% от значения, на которое изменятся показания. Значение Hysterisis подбирается так, чтобы внешние шумы и наводки не влияли на работу.

Литература

1. Raaja G. Basics and implementation of capacitive proximity sensing//www.eetimes.com.
2. Брихта М. Преобразователи емкости — код на основе сигма-дельта-модулятора//www.compitech.ru.
3. Ранджан В. Датчики бесконтактного распознавания//Электронные компоненты, №11, 2008.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Роман Комарев, технический консультант, «ИД Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты