Содержание

MLab.org.ua - Изготовление высоковольтного емкостного датчика

Высоковольтный емкостной датчик (далее датчик) – устройство для снятия формы вторичного напряжения системы зажигания и последующей передачи его на один из входов регистрирующего оборудования.

Датчик состоит из держателя, емкостной пластины, которая гальванически соединена с сигнальным проводом, экранированного кабеля и соответствующего разъема для подключения датчика к входу регистрирующего оборудования.

Важно!
Экран кабеля датчика обязательно должен быть соединен с землей регистрирующего оборудования. Экран должен представлять собой плотную металлическую оплетку, вязанную крест на крест без просветов. Чем меньше длина участка сигнального провода кабеля без экрана – тем меньше будет электромагнитных наводок с соседних ВВ проводов.
Снятие формы вторичного напряжения датчиком основано на наличии паразитной емкостной связи, возникающей между токопроводящей жилой ВВ провода и емкостной пластиной датчика.

Из чего следует:

1. Сигнал на выходе датчика будет тем больше чем ближе емкостная пластина к токопроводящей жиле ВВ провода.

2. Влияние электромагнитных наводок с соседних ВВ проводов будет тем меньше чем меньше размер емкостной пластины и чем меньше не экранированный участок сигнального провода.

3. Величина паразитной емкостной связи всегда зависит от ВВ провода (толщины токопроводящей жилы, толщины и диэлектрической проницаемости изоляции) из чего следует, что величина сигнала на выходе датчика будет разной для одного и того же истинного значения вторичного напряжения, т.е. не возможно однозначно установить соответствие 1 В на выходе датчика – 10 КВ во вторичной цепи.

4. Емкостная связь представляет собой дифференцирующую цепочку (ФВЧ) пропускающую высокочастотные колебания (область пробоя), и не пропускающую низкочастотные колебания (область горения), т.е. форма вторичного напряжения на выходе датчика будет искажена.

Сд – емкость между токопроводящей жилой ВВ провода и емкостной пластиной датчика
Rвх – входное сопротивление регистрирующего оборудования
Свх – входная емкость не учитывается, так как она фактически в данном случае ни на что не влияет

На графике красного цвета изображен исходный сигнал (меандр 1 КГц, скважность 10%, амплитуда 1 В)
На графике синего цвета изображен сигнал, полученный на выходе дифференцирующей цепочки


Сигнал с выхода датчика без использования компенсационной емкости

Для устранения искажения формы вторичного напряжения на выходе датчика, необходимо использовать дополнительную компенсационную емкость, которая с емкостью датчик-жила образует емкостной делитель:

Без учета входного сопротивления регистрирующего оборудования, коэффициент передачи емкостного делителя определяется следующим соотношением: Kп = Сд / (Сд + Ск). Как видно из соотношения, чем больше значение емкости Ск тем меньше будет значение напряжения на выходе емкостного делителя. Для идеального емкостного делителя без учета входного сопротивления регистрирующего оборудования Ск можно взять сколь угодно малое, при этом форма сигнала на выходе делителя в точности будет соответствовать форме сигнала на его входе.

При учете входного сопротивления соотношение для определения коэффициента передачи становится гораздо объемнее, но зависимость Kп от Ск остается той же. Входное сопротивление регистрирующего оборудования на прямую не влияет на Kп, оно определяет “степень вносимого искажения”.

При увеличении входного сопротивления искажения формы вторичного напряжения значительно уменьшаются. В большинстве случаев входное сопротивления практических все осциллографов используемых для автодиагностики находится в диапазоне 1 МОм, за исключением специализированных входов предназначенных исключительно для подключения ВВ датчиков. По этому при непосредственном подключении датчика к входу осциллографа (без специализированного адаптера) Rвх также можно принять за константу, и ограничится варьированием только Ск.

Примечание!
Подключение датчика к входу осциллографа просто через резистор 10 МОм приведет к увеличению входного сопротивления и соответственно уменьшению искажения формы вторичного напряжения, но при этом примерно в десять раз уменьшиться коэффициент передачи входного тракта канала. Для увеличения входного сопротивления без уменьшения коэффициента передачи необходимо использовать промежуточный буфер (повторитель – простейший адаптер) с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.
Для текущих Сд (точно не известно) и Rвх (обычно 1 МОм) значение Ск подбирается исходя из компромисса:
1. Чем меньше Ск тем больше амплитуда напряжения на выходе емкостного делителя

2. Чем больше Ск тем меньше степень искажения формы вторичного напряжения

Практически значение Ск возможно увеличивать до тех пор, пока “амплитуда” напряжения на выходе емкостного делителя будет достаточно выделяться на фоне шума.

Местоположение подключения Ск: в начале кабеля (ближе к емкостной пластине) или в конце кабеля (ближе к входу регистрирующего оборудования) – практически не влияет на форму и амплитуду сигнала с выхода датчика.

На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика и Ск = 3.3 нФ подключенной на входе осциллографа, на графике синего цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика и Ск = 3.3 нФ подключенной непосредственно возле емкостной пластины. Как видно форма сигналов практически одинакова, а амплитуда различается в пределах разброса номинала используемых емкостей +/- 20%.

Примеры осциллограмм вторичного напряжения снятого одним и тем же датчиком с емкостной пластиной в виде круга диаметром ~10 мм при разных значениях Ск, на стенде с DIS катушки 2112-3705010 (форма вторичного напряжения несколько отличается от привычной из-за разряда на открытом воздухе).


Ск = 470 пФ. Область горения значительно проседает, но амплитуда пробоя достигает 5 Вольт.


Ск = 1.8 нФ. Область горения также значительно проседает, амплитуда пробоя уменьшилась до 2 Вольт.


Ск = 3.3 нФ. Область горения не много проседает, амплитуда пробоя уменьшилась до 1 Вольта.


Ск = 10 нФ. Область горения практически не проседает, но и амплитуда пробоя уменьшилась до 0.4 Вольт.

Как видно при Ск = 10 нФ форма вторичного напряжения практически не искажена, а шум довольно не значительный.

Для сравнения приведены осциллограммы вторичного напряжения снятые с одного и того же ВВ провода без использования адаптера и с использованием специализированного адаптера зажигания.

На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 10 нФ) непосредственно подключенного к входу осциллографа. На графике синего цвета изображен сигнал, полученный с адаптера Постоловского, к которому подключен “родной” ВВ датчик Постоловского.

Как видно форма обеих сигналов практически совпадает, но с адаптера содержащего промежуточные усилители, сигнал имеет в 3 раза большую амплитуду.

Примечание!
Все адаптеры, использующие емкостные датчики искажают форму вторичного напряжения, но при высоком входном сопротивлении и достаточной Ск, вносимое искажение крайне не значительно.

В простейшем случае емкостной съемник это любой металлический предмет расположенный рядом с ВВ проводом, т.е. в роли емкостной пластины могут выступать зажим типа “крокодил”, фольга намотаня на ВВ провод, монетка и т.д.

Практически в качестве высоковольтного емкостного датчика рекомендуется использовать конструкцию, которая удовлетворяет следующим требованием:
1. Высокая степень защиты от пробоя
2. Малая подверженность электромагнитным наводкам от соседних ВВ проводов
3. Удобное конструктивное исполнение для быстрого подключения датчика к ВВ проводу

Примеры конструкции ВВ емкостных датчиков:


Жестяная пластинка 20x70 мм, выгибается, так что бы плотно прижиматься к ВВ проводу.


По сути, та же пластина только в изоляции.


ВВ датчик типа “прищепка”.


ВВ датчик аналогичный одной из конструкций Бош (поставляется по цене $7 / шт).

В качестве примера рассмотрим процесс изготовления ВВ датчика на основании выше приведенной конструкции компании Бош.

Для изготовления датчика необходимо:

1. Выше рассмотренная ручка ВВ датчика.

2. Экранированный кабель 1-3 м. Желательно использовать мягкий микрофонный кабель, так как при эксплуатации он намного удобнее жесткого коаксиального кабеля. Волновое сопротивление кабеля 50 или 75 Ом, значения не имеет, так как все исследуемые сигналы находятся в области низких частот.

3. Разъемы для подключения датчика к осциллографу или адаптеру зажигания BNC-FJ / BNCP / FC-022 Переходник гнездо F / BNC под F-ку (разъем один и тот же только у разных производителей / продавцов он по-разному называется).

BNC-M / FC-001 / RG58 / F разъем

Примечание!
При покупке F разъема и кабеля обращайте внимание на соответствие диаметра кабеля к диметру разъема для накрутки на кабель, иначе либо придется срезать часть изоляции кабеля для уменьшения его диаметра, либо наматывать ленту на кабель для увеличения его диаметра.
4. Сальник / гермоввод / кабельный ввод PG-7 с дюймовой резьбой

5. Емкостная пластина “пятачок” диаметром 9-10 мм

“Пятачок” возможно либо вырезать из жести, либо использовать специальный пробойник (лучше всего использовать пробойник на 8 мм, после развальцовки получится “пятачок” диаметром чуть больше 9 мм):

Также в качестве “пяточка” возможно, использовать подходящие по диаметру канцелярские кнопки.

6. Компенсационная емкость – не полярный (лучше керамический) конденсатор номиналом от 2.2 нФ до 10 нФ на напряжение 50 Вольт (если использовать конденсатор на 1 КВ то в случае пробоя ВВ провода он все равно сгорит). Возможно использовать как выводные конденсаторы так и планарные в корпусе 1206 или 0805.

Порядок изготовления:

1. Удалить изоляцию с экранированного кабеля до оплетки, на участке 12-13 мм. Часть оплетки под снятой изоляцией вывернуть наружу и равномерно расположить вдоль кабеля. С сигнального провода снять изоляцию на участке 10-11 мм и залудить его.

2. Накрутить на кабель F разъем, так что бы он плотно держался на кабеле и хорошо контактировал с частью вывернутой оплетки. При этом сигнальный провод должен выступать на достаточную длину из F разъема для надежного контакта с центральным стержнем разъема BNC-FJ.

3. Накрутить разъем BNC-FJ на F разъем. После чего проверить наличие контакта (прозвонить тестером) между сигнальным проводом и центральным стержнем разъема BNC-FJ, между оплеткой кабеля и экраном разъема BNC-FJ и отсутствие контакта между сигнальным проводом и оплеткой кабеля.

4. Если есть сальник PG-7 то предварительно надеть его на кабель открутив с него гайку.

5. Удалить изоляцию и оплетку с противоположного конца кабеля, на участке 3-5 мм. С сигнального провода снять изоляцию на участке 2-3 мм. Припаять к залуженному сигнальному проводу емкостную пластину.

При необходимости припаять компенсационную емкость между сигнальным проводом и оплеткой.

6. Обмотать участок сигнального провода и припаеную компенсационную емкость изолентой, так что бы емкостная пластина не болталась и была поджата краем изоленты. После чего емкостную пластину обильно смазывать солидолом.

Солидол “улучшает” диэлектрическую проницаемость и устраняет скачки области горения.

На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 3.3 нФ) без солидола. На графике синего цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 3.3 нФ) с использованием солидола. Без использования солидола область горения иногда “подскакивает” на 20-30%.

7. Надеть ручку ВВ датчика так, что бы емкостная пластина упиралась в дно колпачка датчика. После чего зажать кабель либо с помощью сальника PG-7 либо закрепить изолентой (при этом с датчиком нужно обращаться крайне осторожно, что бы случайно не вырвать кабель из ручки датчика).

В результате должен получится высоковольтный емкостной датчик, который возможно непосредственно подключать к одному из аналоговых (с наличием Ск) или к логическому (без Ск) входов осциллографа.

Диагностика классической системы зажигания с трамблером с помощью 2-х рассматриваемых датчиков...

Емкостной сенсорный датчик, электрическая схема, печатная плата

Емкостной датчик – это один из типов бесконтактных датчиков, принцип работы которого основан на изменении диэлектрической проницаемости среды между двух обкладок конденсатора. Одной обкладкой служит сенсорный датчик схемы в виде металлической пластины или провода, а второй – электропроводящее вещество, например, металл, вода или тело человека.

При разработке системы автоматического включения подачи воды в унитаз для биде возникла необходимость применения емкостного датчика присутствия и выключателя, обладающих высокой надежностью, устойчивостью к изменению внешней температуры, влажности, пыли и питающему напряжению. Хотелось также исключить необходимость прикосновения человека с органами управления системы. Предъявляемые требования могли обеспечить только схемы сенсорных датчиков, работающих на принципе изменения емкости. Готовой схемы удовлетворяющей необходимым требованиям не нашел, пришлось разработать самостоятельно.

Получился универсальный емкостной сенсорный датчик, который не требует настройки и реагирует на приближающиеся электропроводящие предметы, в том числе и человека, на расстояние до 5 см. Область применения предлагаемого сенсорного датчика не ограничена. Его можно применять, например, для включения освещения, систем охранной сигнализации, определения уровня воды и в многих других случаях.

Электрические принципиальные схемы

Для управления подачей воды в биде унитаза понадобилось два емкостных сенсорных датчика. Один датчик нужно было установить непосредственно на унитазе, он должен был выдавать сигнал логического нуля при присутствии человека, а при отсутствии сигнал логической единицы. Второй должен был служить включателем воды и находиться в одном из двух логических состояний.

При поднесении к сенсору руки датчик должен был менять логическое состояние на выходе – из исходного единичного состояния переходить в состояние логического нуля, при повторном прикосновении руки из нулевого состояния переходить в состояние логической единицы. И так до бесконечности, пока на сенсорный включатель поступает разрешающий сигнал логического нуля с датчика присутствия.

Схема емкостного сенсорного датчика

Основой схемы емкостного сенсорного датчика присутствия является задающий генератор прямоугольных импульсов, выполненный по классической схеме на двух логических элементах микросхемы D1.1 и D1.2. Частота генератора определяется номиналами элементов R1 и C1 и выбрана около 50 кГц. Значение частоты на работу емкостного датчика практически не влияет. Я менял частоту от 20 до 200 кГц и влияния на работу устройства визуально не заметил.

С 4 вывода микросхемы D1.2 сигнал прямоугольной формы через резистор R2 поступает на входы 8, 9 микросхемы D1.3 и через переменный резистор R3 на входы 12,13 D1.4. На вход микросхемы D1.3 сигнал поступает с небольшим изменением наклона фронта импульсов из-за установленного датчика, представляющего собой кусок провода или металлическую пластину. На входе D1.4, из за конденсатора С2, фронт изменяется на время, необходимое для его перезаряда. Благодаря наличию подстроечного резистора R3, есть возможность фронты импульса на входе D1.4, выставить равным фронту импульса на входе D1.3.

Если приблизить к антенне (сенсорному датчику) руку или металлический предмет, то емкость на входе микросхемы DD1.3 увеличится и фронт поступающего импульса задержатся во времени, относительно фронта импульса, поступающего на вход DD1.4. чтобы «уловить» эту задержку про инвертированные импульсы подаются на микросхему DD2.1, представляющую собой D триггер, работающий следующим образом. По положительному фронту импульса, поступающего на вход микросхемы C, на выход триггера передается сигнал, который в тот момент был на входе D. Следовательно, если сигнал на входе D не изменяется, поступающие импульсы на счетный вход C не оказывают влияния на уровень выходного сигнала. Это свойство D триггера и позволило сделать простой емкостной сенсорный датчик.

Когда емкость антенны, из за приближения к ней тела человека, на входе DD1.3 увеличивается, импульс задерживается и это фиксирует D триггер, изменяя свое выходное состояние. Светодиод HL1 служит для индикации наличия питающего напряжения, а HL2 для индикации приближения к сенсорному датчику.

Схема сенсорного включателя

Схему емкостного сенсорного датчика можно использовать и для работы сенсорного включателя, но с небольшой доработкой, так как ему необходимо не только реагировать на приближение тела человека, но и оставаться в установившемся состоянии после удаления руки. Для решения этой задачи пришлось к выходу сенсорного датчика добавить еще один D триггер, DD2.2, включенный по схеме делителя на два.

Схема емкостного датчика была немного доработана. Для исключения ложных срабатываний, так как человек может подносить и удалять руку медленно, из-за наличия помех датчик может выдавать на счетный вход D триггера несколько импульсов, нарушая необходимый алгоритм работы включателя. Поэтому была добавлена RC цепочка из элементов R4 и C5, которая на небольшое время блокировала возможность переключение D триггера.

Триггер DD2.2 работает так же, как и DD2.1, но сигнал на вход D подается не с других элементов, а с инверсного выхода DD2.2. В результате по положительному фронту импульса, приходящего на вход С сигнал на входе D изменяется на противоположный. Например, если в исходном состоянии на выводе 13 был логический ноль, то поднеся руку к сенсору один раз, триггер переключится и на выводе 13 установится логическая единица. При следующем воздействии на сенсор, на выводе 13 опять установится логический ноль.

Для блокировки включателя при отсутствии человека на унитазе, с сенсора на вход R (установка нуля на выходе триггера вне зависимости от сигналов на всех остальных его входах) микросхемы DD2.2 подается логическая единица. На выходе емкостного выключателя устанавливается логический ноль, который по жгуту подается на базу ключевого транзистора включения электромагнитного клапана в Блоке питания и коммутации.

Резистор R6, при отсутствии блокирующего сигнала с емкостного датчика в случае его отказа или обрыва управляющего провода, блокирует триггер по входу R, тем самым исключает возможность самопроизвольной подачи воды в биде. Конденсатор С6 защищает вход R от помех. Светодиод HL3 служит для индикации подачи воды в биде.

Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков

Когда я начал разрабатывать сенсорную систему подачи воды в биде, то наиболее трудной задачей мне казалась разработка емкостного датчика присутствия. Обусловлено это было рядом ограничений по установке и эксплуатации. Не хотелось, чтобы датчик был механически связан с крышкой унитаза, так как ее периодически надо снимать для мойки, и не мешал при санитарной обработке самого унитаза. Поэтому и выбрал в качестве реагирующего элемента емкость.

Конструкция сенсорного датчика присутствия

По выше опубликованной схеме сделал опытный образец. Детали емкостного датчика собраны на печатной плате, плата размещена в пластмассовой коробке и закрывается крышкой. Для подключения антенны в корпусе установлен одноштырьковый разъем, для подачи питающего напряжения и сигнала установлен четырех контактный разъем РШ2Н. Соединена печатная плата с разъемами пайкой медными проводниками в фторопластовой изоляции.

Сенсорный емкостной датчик собран на двух микросхемах КР561 серии, ЛЕ5 и ТМ2. Вместо микросхемы КР561ЛЕ5 можно применить КР561ЛА7. Подойдут и микросхемы 176 серии, импортные аналоги. Резисторы, конденсаторы и светодиоды подойдут любого типа. Конденсатор С2, для стабильной работы емкостного датчика при эксплуатации в условиях больших колебаниях температуры окружающей среды нужно брать с малым ТКЕ.

Установлен датчик под площадкой унитаза, на которой установлен сливной бачок в месте, куда в случае протечки из бачка вода попасть не сможет. К унитазу корпус датчика приклеен с помощью двустороннего скотча.

Антенный датчик емкостного сенсора представляет собой отрезок медного многожильного провода длинной 35 см в изоляции из фторопласта, приклеенного с помощью прозрачного скотча к внешней стенке чаши унитаза на сантиметр ниже плоскости очка. На фотографии сенсор хорошо виден.

Для настройки чувствительности сенсорного датчика необходимо после его установки на унитаз, изменяя сопротивление подстроечного резистора R3 добиться, чтобы светодиод HL2 погас. Далее положить руку на крышку унитаза над местом нахождения сенсора, светодиод HL2 должен загораться, если руку убрать, потухнуть. Так как бедро человека по массе больше руки, то при эксплуатации сенсорный датчик, после такой настройки, будет работать гарантировано.

Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя

Схема емкостного сенсорного включателя имеет больше деталей и для их размещения понадобился корпус большего размера, да и по эстетическим соображениям, внешний вид корпуса, в котором был размещен сенсорный датчик присутствия не очень подходил для установки на видном месте. Внимание на себя обратила настенная розетка rj-11 для подключения телефона. По размерам она подходила и имела хороший внешний вид. Удалив из розетки все лишнее, разместил в ней печатную плату емкостного сенсорного выключателя.

Для закрепления печатной платы в основании корпуса была установлена короткая стойка и к ней с помощью винта прикручена печатная плата с деталями сенсорного выключателя.

Датчик емкостного сенсора сделал, приклеив ко дну крышки розетки клеем «Момент» лист латуни, предварительно вырезав в них окошко для светодиодов. При закрывании крышки, пружина (взята от кремниевой зажигалки) соприкасается с латунным листом и таким образом обеспечивается электрический контакт между схемой и сенсором.

Крепится емкостной сенсорный включатель на стену с помощью одного самореза. Для этого в корпусе предусмотрено отверстие. Далее устанавливается плата, разъем и закрепляется защелками крышка.

Настройка емкостного выключателя практически не отличается от настройки сенсорного датчика присутствия, описанного выше. Для настройки нужно подать питающее напряжение и резистором отрегулировать, чтобы светодиод HL2 загорался, когда к датчику подносится рука, и гас, при ее удалении. Далее нужно активировать сенсорный датчик и поднести и удалить руку к сенсору выключателя. Должен мигнуть светодиод HL2 и загореться красный светодиод HL3. При удалении руки красный светодиод должен продолжать светиться. При повторном поднесении руки или удалении тела от датчика, светодиод HL3 должен погаснуть, то есть выключить подачу воды в биде.

Универсальная печатная плата

Представленные выше емкостные датчики собраны на печатных платах, несколько отличающихся от печатной платы приведенной ниже на фотографии. Это связано с объединением обеих печатных плат в одну универсальную. Если собирать сенсорный включатель, то необходимо только перерезать дорожку под номером 2. Если собирать сенсорный датчик присутствия, то удаляется дорожка номер 1 и не все элементы устанавливаются.

Не устанавливаются элементы, необходимые для работы сенсорного включателя, но мешающие работе датчика присутствия, R4, С5, R6, С6, HL2 и R4. Вместо R4 и С6 запаиваются проволочные перемычки. Цепочку R4, С5 можно оставить. Она не будет влиять на работу.

Ниже приведен рисунок печатной платы для накатки при использовании термического метода нанесения на фольгу дорожек.

Достаточно распечатать рисунок на глянцевой бумаге или кальке и шаблон готов для изготовления печатной платы.

Безотказная работа емкостных датчиков для сенсорной системы управления подачи воды в биде подтверждена на практике в течении трех лет постоянной эксплуатации. Сбоев в работе не зафиксировано.

Однако хочу заметить, что схема чувствительна к мощным импульсным помехам. Мне приходило письмо о помощи в настройке. Оказалось, что во время отладки схемы рядом находился паяльник с тиристорным регулятором температуры. После выключения паяльника схема заработала.

Еще был такой случай. Емкостной датчик был установлен в светильник, который подключался в одну розетку с холодильником. При его включении свет включался и при повторном выключался. Вопрос был решен подключением светильника в другую розетку.

Приходило письмо об успешном применении описанной схемы емкостного датчика для регулировки уровня воды в накопительном баке из пластика. В нижней и верхней части было приклеено силиконом по датчику, которые управляли включением и выключением электрического насоса.

Для изготовления емкостного экспресс датчика в домашних условиях

Емкостной экспресс датчик (далее датчик) – устройство для оперативного снятия формы вторичного напряжения, импульсов впрыска форсунки и т.д., последующей передачи его на один из входов регистрирующего оборудования. Основное отличие экспресс датчика от “обычного” емкостного датчика заключается в возможности быстро доступа к трудно доступным источникам сигнала, а также в наличии оперативного регулирования чувствительности датчика.

Датчик состоит из держателя, емкостной пластины, которая гальванически соединена с сигнальным проводом, компенсационной емкости между сигнальным проводом и экраном, экранированного кабеля и соответствующего разъема для подключения датчика к входу регистрирующего оборудования.

Снятие формы напряжения датчиком основано на наличии паразитной емкостной связи, возникающей между источником сигнала и емкостной пластиной датчика. Как известно величина емкости (емкостной связи) прямо пропорциональна площади емкостных пластин, т.е. чем больше пластина, тем больше уровень сигнала на выходе, и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами, т.е. чем меньше расстояние от источника сигнала до емкостной пластины датчика, тем больше уровень сигнала на выходе. Компенсационная емкость предназначена для коррекции формы сигнала искаженной дифференциальной цепочкой (паразитной емкостной связью). Чем больше величина компенсационной емкости, тем меньше будет искажена форма сигнала, но и тем меньше будет амплитуда сигнала на выходе датчика.

Для изготовления емкостного экспресс датчика в домашних условиях необходимо:
1. Экранированный кабель длинной 2-3м. Для примера взят 2,5м щуп оканчивающийся BNC разъемом и зажимами типа крокодил.
2. Монета 5 копеек используемая как емкостная пластина.
3. Металлическая линейка длинной 30-40 см. Именно металлическая взята с целью экранирования от внешних электромагнитных наводок и лучшей упругости.
4. Компенсационная емкость – выводной керамический конденсатор 33 нФ, 50 Вольт.
5. Изолента для крепления всех элементов и изоляции емкостной пластины от металлической линейки.

Порядок изготовления:
1. Обмотать один и краев линейки изолентой (достаточно 2-3 слоя), так что бы пятачок помещенный поверх изоленты не контачил с линейкой.

2. Соединить пятачок с сигнальной жилой кабеля, линейку с экраном кабеля, а компенсационную емкость установить между сигнальной жилой и экраном кабеля.

3. Закрепить пятачок и кабель на линейке. Поверх пяточка достаточно 2-3 витков.

4. В результате должна получится следующая конструкция. Для примера рядом находится емкостной экспресс датчик компании AceLab.

Для снятия формы сигнала достаточно просто приложить пятачок к соответствующему источнику сигнала (ВВ провод, форсунка и т.д.).

Кроме того, необходимо учитывать, что при наличии металлического экрана между источником сигнала и датчиком (индивидуальные катушки в глубоких шахтах, форсунки в металлическом корпусе) амплитуда сигнала значительно уменьшается, иногда до нескольких милливольт. Для увеличения амплитуды необходимо отключить компенсационный конденсатор, вследствие чего амплитуда возрастет в 20-30 раз, но форма сигнала будет искажена. Для оперативного подключения / отключения компенсационной емкости, возможно, использовать небольшой переключатель, замыкающий соединение конденсатора с пятачком.

Так как конструкция описанного емкостного экспресс датчика на первый взгляд кажется достаточно примитивной, то приведем результаты его сравнения с промышленно выпускаемым емкостным экспресс датчиком компании AceLab. Датчик AceLab изготовлен на основании тоже принципа – паразитная емкостная связь, в качестве емкостной пластины используется полигон на печатной плате, компенсационная емкость опционально подключается с помощью тумблера возле окончания датчика.


На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с датчика AceLab (Ск = 20 нФ), а на графике синего цвета изображен сигнал, полученный “5-ти копеечным” емкостным экспресс датчиком (Ск = 33 нФ). Оба датчика находятся рядом на одном и том же высоковольтном проводе. Как видно, форма обеих сигналов практически идентична.


“5-ти копеечный” емкостной экспресс датчик подключен к USB-приставке "АВТОАС-ЭКСПРЕСС".


На графике красного цвета изображен сигнал с форсунки снятый обычным измерительным щупом, а на графике синего цвета изображен сигнал, полученный “5-ти копеечным” емкостным экспресс датчиком (Ск отключена). Как видно, экспресс датчик также позволяет определить длительность импульса открытия форсунки, не производя при этом ни каких длительных подключений, но форма сигнала без использовании Ск значительно искажена.

датчики для осциллографа из "говна и палочек": uncle_sem — LiveJournal

решил таки поделиться своими датчиками с общественностью. сразу уточняю — большинство идей не мои, но все датчики я делал своими руками. врядли я расскажу что-то новое для опытных диагностов, однако для начинающих, думаю, будет полезно увидеть все датчики в одной статье.

ну что ж, приступим. для начала — система зажигания. нам нужны емкостные и индуктивные датчики.

начнем с емкостных. теория тут: mlab.org.ua/articles/do-self/34-do-self-cx.html

общие принципы — нам нужна железяка, которую мы будем прикладывать к проводу или еще куда где бежит искра. к крышке трамблера например, если бобина там внутри. место подбирается экспериментально.
из-за довольно низкого входного сопротивления осцилла форма сигнала несколько искажается, и ее нужно корректировать. для этого между сигнальным проводом и землей вешается конденсатор, емкостью ориентировочно 10нФ. емкость подбирается экспериментально, для достижения достаточно прямой полки области горения искры и при этом вменяемой амплитуды, зависит от размеров датчика. на время экспериментов я рекомендую поставить цанговые гнездышки, и в них тыкать конденсаторы. быстро и удобно. у меня они так и остались до сих пор. 😉

корректирующий кондер нужен только для «измерительного» датчика, датчик первого цилиндра в такой корректировке не нуждается, ибо там важна не форма сигнала, а его амплитуда.

первый датчик — банальная пластина стеклотекстолита 2х3см. на одну сторону экран кабеля, на другую сигнал. параллельно конденсатор. всё в термоусадку. готово 😉 конденсатор у меня получился 10нФ

дополнение тут.

это — накладной датчик, его удобно использовать для индивидуальных катушек, либо модулей, к которым особо ничем не прицепишься, либо снятия с бобин, которые стоят внутри распределителя зажигания. для систем с проводами проще и удобнее всего использовать прищепки. чем больше (шире) прищепка — тем больший кусок фольги можно к ней приклеить, и тем сильнее сигнал с датчика мы получим (шире прищепка, тем с бОльшей длиной ВВ провода будет образовываться конденсатор, и тем выше амплитуда сигнала). а задавить сигнал — всегда проще чем усилить.

берем прищепки:

вырезаем кусочки фольги, чтобы по форме они вошли в углубления прищепок.
делаем «бутерброд» — снизу у нас будет скотч двухсторонний, посередине фольга, сверху — односторонний скотч. оставляем кусочек фольги незащищенным, чтобы подпаять провод. отрисовываем по трафарету пластиночки, вырезаем, приклеиваем, припаиваем к пластинкам центральную жилу коаксиала. я использовал два таких кусочка для каждой прищепки — для двух губок. и соединял их в кучу кусочком провода. ИМХО особого смысла так делать — нет.
для датчика первого цилиндра экран со стороны датчика оставляем в воздухе, ну а со стороны осцила конечно припаиваем к корпусу разъема.3 ничего не произошло. потом выяснилось, что двухсторонний скотч, который я импользовал для приклеивания фильги к прищепкам — не самый хороший по качеству, и фольга начала отклеиваться и прикольно торчать в разные стороны, что меня несколько не устроило. пришлось таки залить термопистолетом.

для DIS-систем — собираем при желании две «гирлянды». удобно, что прищепки в наборе разноцветные. я использовал красные и синие прищепки для двух гирлянд (по полярности искры), зеленые — в качестве датчика первого цилиндра, розовые — в качестве датчика высокого напряжения. в гирляндах конденсатор ставится в месте соединения проводов от датчиков.

в моей ситуации мне крайне редко оказались нужны датчики первого цилиндра и гирлянды для DIS — лично мне оказалось быстрее проверять искру по одному циилиндру, а не обвешивать кучей датчиков. плюс, у меня есть железный минский мотортестер, и системы с распределителем я как правило смотрю именно им, а для дис-систем и индивидуальных катушек использую USB-осциллограф. поэтому датчик высокого напряжения я сделал еще один, по аналогии с накладной пластиной, но — для прищепки. прищепка — от какой-то вешалки для одежды.


идея в том, чтобы размеры самого датчика были побольше для увеличения амплитуды сигнала. получилось очень удобно и технологично.

в качестве датчика первого цилиндра — можно использовать индуктивный датчик. в том числе — обычный индуктивный датчик от стробоскопа. у кого есть в пользовании стробоскопы типа prolite со сменными шнурами знают, что эти шнуры имеют свойство переламываться в месте выхода из разъема. разок можно починить, потом лучше поменять. соответственно дохлые шнурки с целыми датчиками обычно наличествуют. можно катушечку там домотать, чтобы амплитуда повыше стала. а можно оставить и так:

также индуктивные датчики нам могут понадобиться для снятия сигнала с индивидуальных катушек. такие датчики можно делать на основе с принципе любой катушки индуктивности — можно из датчика коленвала, и из датчика ABS, и из реле. первый мой датчик был из датчика коленвала, но он получается слишком громоздкий. поэтому я собрал горку реле и выбрал с наибольшей амплитудой сигнала. в фирменном экспресс-датчике используется РЭК-23 02430692 0502. я такого не нашел, а те что нашел — были слабоваты по амплитуде, потому как все были 5В как правило эти реле имеют и самое низкое сопротивление. так что подобрал реле покрупнее, но с амплитудой повыше. сопротивление обмотки было что-то порядка 700 Ом. видел рекомендации вешать параллельно обмотке резистор на 22кОм для снижения добротности, и 6кОм последовательно — для уменьшения шунтирования при соединении параллельно нескольких датчиков. параллельно поставил точно, последовательно не помню, наверно тоже, с учетом входного сопротивления осцила это не мешает. в любом случае — нужно делать платку, в нее впаивать реле, и в нее же — провод к осцилу. так получается более надежное крепление провода, и можно быть уверенным в том, что он не отломает ножки реле в самый «интересный» момент.

с DIS часто вылазят нюансики. типа, если у нас машина с 4 цилиндрами — то два датчика вечно болтаются. а если сделать их всего 4, то будет не хватать для 6ц. плюс бывают машины где катушка на одну свечу одевается непосредственно, а на другую идет провод. соответственно, и половина датчиков будет другой.
тут у меня появлялась мысля сделать коробочку с кучей разъемов-тюльпанов, соединить ее с осциллом удлинителем для автоусилка (4 канала), и подключать к ней датчики в нужных количествах и конфигурациях. в этой же коробочке можно поставить корректирующие емкости, а то и собрать усилитель с высоким входным сопротивлением и более правильной формой сигнала на выходе. усилитель с входным сопротивлением порядка 10 МОм я собирал, эффект очень положительный, сигнал практически не искажается, и корректирующие емкости могут оказаться совсем не нужны — в зависимости от конструкции датчиков. но конструкция не прижилась — уж больно это все громоздко, плюс внешнее питание. ну и, как я уже писал — мне больше по душе пришлась «экспресс» диагностика — по очереди просмотрел сигналы по цилиндрам и радуйся жизни.

с системой зажигания разобрались. дальше — датчик разрежения.
берем баллончик от газа для зажигалок. желтенький такой, тонкий, думаю они везде одинаковые. пьезик от часов «монтана» (помните такие?) или аналогичный по диаметру. желательно чтобы под рукой завалялись какие-нить детали от капельниц, но это непринципиально. ну и гнездо для подключения — можно «тюльпан», можно BNC. я поставил тюльпан. (я, кстати, сторонник именно тюльпанов. BNC — они круто, конечно, но больше предназначены для высокочастотных сигналов, особой необходимости применять их в автомобильном осциле — нет. плюс тюльпаны банально безопаснее — если дергуть за провод, то в случае тюльпана он банально выскочит из гнезда, а в случае BNC — выломает гнездо)

колпачок сверлим, прикручиваем гнездо. баллончик разрезаем возле самого верха. дальше придумываем что сделать с трубочкой к которой будет присоединяться шланжик. это зависит от конструкции клапана в баллончике и фантазии. для меня самым простым вариантом оказалось выкинуть нафиг родной клапан и воткнуть переходничок от капельницы — это трубочка с утолщением в середине. разрезал пополам. важно, чтобы оно внутри не торчало и не упиралось в пьезик. дальше берем пьезик, вклеиваем на место. я пробовал два варианта — на силикон, и на двухсторонний скотч (тонкий! не такой как для молдингов, в милиметр толщиной) и сверху термопистолетом. работают оба варианта. припаиваем провода, защелкиваем. датчик готов!


на фотках пьезик немного другой. это не имеет принципиального значения, важно чтобы по диаметру подходил. у меня два датчика, с разными пьезиками — работают немного по-разному, но одинаково хорошо 😉

доработка. зажим на шланжик между датчиком и коллектором — для уменьшения сечения и скачков выходного сигнала. я сделал из гайки и винта. шланг продели через гайку, в одной из граней засверлились и нарезали резьбу, туда винт, который зажимает шланг. под винт можно подложить полоску металла, чтобы не портить шланг. можно краник поставить какой-нить.

применение, думаю, понятно — это измерение резрежения во впускном коллекторе и измерение пульсаций на вакуумном выходе регулятора давления топлива — с него снимается шланг с впускного коллектора, глушится, а на РДТ одевается датчик. по сигналу с него можно оценить состояние форсунок.

крайний датчик — датчик вибрации. кажется именно так его называют. или пульсаций? я уже запутался, честно говоря. идея, к сожалению, тоже не моя, моя почему-то «не выстрелила» 🙁 мой первый вариант был с другим пьезиком, он как-бы сразу с камерой был, я думал будет круто — нет, не круто. работает, но плохо. значит делаем вот так:

та же прищепка, пьезик «монтана», и кусок пористой резины.

этот датчик позволяет смотреть пульсации топлива на моторах без обратки. одеваем прищепку на подающий шланг — и радуемся красивому сигналу пульсаций давления топлива.

работает, как ни странно, и на пластиковых топливопроводах.

при измерении пульсций топлива рекомендую синхронизироваться не от искры, а от сигнала с первой форсунки. тогда не будет заморочек о тактах впуска-выпуска и о том в каком цилиндре идет впрыск, когда в первом — искра. также, при подключении еще и датчика первого цилиндра — мы можем убедиться в каком режиме у нас идет впрыск, чтобы не ошибиться, когда форсунки работают не по одной. потому как проверка пульсаций топлива актуальна ТОЛЬКО в случе, если форсунки управляются индивидуально.

для синхронизации по форсункам и снятия сигнала с других датчиков — нам понадобится еще один шнур, или переходники. фоток тут не будет, опишу на пальцах. идея в том, чтобы использовать провода от тестера. значит нужно сделать либо провод от осцила, который заканчивается гнездами как у тестера (в магазине радиодеталей ключевое слово «банан»), либо переходник со стандартного удлинителя от осцила на эти гнезда. также на выходе такого переходника могут быть не гнезна («мамы»), а «папы» — в них замечательно вставляются старые «крокодилы», что тоже бывает нужно.

гнезда «тюльпаны» с проводом, кстати, можно добыть совершенно безвоздмездно. во-первых это разъемы от магнитол. во-вторых — часто с видеокартами идут такие проводочки. они в 90% случаев нафиг никому не нужны, и скапливаются на комповых фирмах в просто неимоверных количествах.

и емкостную пластину, и индуктивный датчик — очень удобно приклеивать на двухсторонний скотч. это если есть необходимость длительного снятия сигнала таким датчиком.

индуктивным датчиком также можно смотреть пульсации тока в проводе от генератора (очень красиво), и видимо в проводе к стартеру — тут не пробовал. думается, по пульсациям тока в проводе стартера можно оценить относительную компрессию.

Датчик вторичной цепи системы зажигания для осциллографа

Данным обзором я продолжаю цикл обзоров о датчиках, щупах и прочих прибамбасах для осциллографа hantek 2c42 (и не только), необходимых для диагностики автомобиля.

Что такое датчик вторички? Это емкостной датчик, пластина которого вместе с высоковольтным проводом образует конденсатор, и при прохождения испульса по проводу на выходе датчика имеем сигнал, который и нужно смотреть осциллографом. Как правило, конструкция датчика предусматривает компенсирующий конденсатор, без которого форма искры на экране получается не совсем корректной из-за относительно низкого входного сопротивления входа осциллографа. Чем выше емкость корректирующего конденсатора (в определенных пределах, конечно), тем корректнее сигнал, но тем меньше его амплитуда. «Классической» конструкцией емкостного датчика является пластина двухстороннего стеклотекстолита размерами примерно 2х3см, затянутая в термоусадку, емкость корректирующего конденсатора — от 4.7 до 10нФ. Теорию можно почитать тут. Практику изготовления — например у меня в ЖЖ тут и тут. Забегая вперед, скажу, что сейчас я применяю для быстрой диагностики системы зажигания два датчика: емкостную прищепку и индуктивно-емкостную линейку.

Ну да перейдём к герою обзора. Изготовлено всё качественно, в руки взять приятно, смотрится авторитетно

В комплекте мануал

Сам датчик примерно 10см в длину

и 25мм в ширину

минимальный зажимаемый диаметр провода — 7.65мм

Длина кабеля — порядка 2.5м (для портативного осцилла это избыточно, но кабель универсальный, в том числе и для приставок), длина провода до заземляющего крокодила — порядка полуметра

BNC красивый

Крокодил тоже неплох

Провод направленный

Сразу же вскроем.



Как видим — ничего нового, но конденсатор — аж 47нФ

Сравним в работе с моими датчиками. Сравнивать буду на стенде, поэтому не обращайте внимания на шумную осциллку.

Для начала емкостная прищепка

Обозреваемый датчик вверху, эталонный самопал — внизу. Как видим — сигнал с хантека поаккуратнее, но меньше по амплитуде, как и предполагалось.

Теперь сравним с индуктивно-емкостной линейкой в емкостном режиме

В принципе — всё аналогично.

Кстати, вам этот датчик ничего не напоминает? Мне — дык зажим для бумаги

Резюме: датчик понятное дело работает. Но лично я бы покупать для работы его не стал. Купил — честное слово! — чисто ради посмотреть. Работает он не лучше самопала, при этом длинный провод при использовании портативного осцилла — скорее минус, равно как и неизолированная конструкция самого датчика. При этом сам датчик изготовлен вполне качественно, и, пожалуй стоит этих денег. Но тут как например с дорогой шариковой ручкой. Стоит ли она своих денег? Ну скорее всего что да — материалы там, производство… Стоит ли её покупать, если нужно просто рецепты в записную книжку иногда записывать? да скорее всего нет, потому что она пишет точно как любая другая ручка, а в руке дешевая может лежать и получше 😉

Хотите повторить? Возьмите прищепку и кусочек стеклотекстолита 2х3см. Конденсатор — по вкусу. Можно взять зажим для бумаги, припаять к нему кусочек стеклотекстолита, на котором распаять экранированный сигнальный провод и конденсатор же, и затянуть в термоусадку — как еще один вариант конструкции, которым нет числа на самом деле 😉 И особенно актуально повторение становится в случае, когда нужно подключить к машине не один датчик, а, скажем 4+1, или 6+1. Это сразу сильно ударит по карману, хоть и отобьётся довольно быстро.

если интересует конструкция моих датчиков — могу сделать отдельный обзорчик для diy

Схема емкостного датчика на микросхеме K561TЛ1 (CD4093B)

Сегодня никого не удивишь различными по назначению и эффективности электронными устройствами превентивного предупреждения, которые оповещают людей или включают охранную сигнализацию задолго до непосредственного контакта нежелательного гостя с охраняемым рубежом (территорией). Многие из таких узлов, описанных в литературе, например в [48], по мнению автора, интересны, но усложнены.

В противовес им разработана простая электронная схема бесконтактного емкостного датчика (рис. 2.2), собрать которую по силам даже начинающему радиолюбителю. Устройство имеет высокую чувствительность по входу, что позволяет использовать его для предупреждения о приближении человека к сенсору Е1.

Принцип действия устройства основан на изменении емкости между сенсором-антенной Е1 и «землей» (общим проводом: всем тем, что соотносится к заземляющему контуру, — в данном случае это пол и стеніі помещения). При приближении человека эта емкость существенно изменяется, что оказывается достаточным для срабатывания микросхемы K561TЛ1.

 

Рис. 2.2. Электрическая схема бесконтактного емкостного датчика

В основе конструкции — два элемента микросхемы K561TЛ1 (DD1), включенные как инверторы. Эта микросхема имеет в своем составе четыре однотипных элемента с функцией 2И-НЕ с триггерами Шмита с гистерезисом (задержкой) на входе и инверсией по выходу.

Применение микросхемы K561TЛ1 обусловлено малым потреблением тока, высокой помехозащищенностью (до 45 % от уровня напряжения питания), работой в широком диапазоне питающего напряжения (в диапазоне 3—15 В), защищенностью по входу от статического электричества и кратковременного превышения входных уровней, и многими другими достоинствами, которые позволяют широко использовать микросхему в радиолюбительских конструкциях, не требуя каких-либо особых мер предосторожности и защиты.

Кроме того, микросхема K561TЛ1 позволяет включать свои независимые логические элементы параллельно, в качестве буферных элементов, вследствие чего мощность выходного сигнала пропорционально увеличивается. Триггеры Шмита—бистабильные схемы, способные работать с медленно возрастающими входными сигналами, в том числе с примесью помех. При этом обеспечивающие по выходу крутые фронты импульсов можно передавать в последующие узлы схемы для стыковки с другими ключевыми элементами и микросхемами. Микросхема K561TЛ (как, впрочем, и K561TЛ2) могут выделять управляющий сигнал (в том числе цифровой) для других устройств из аналогового или нечеткого входного импульса.

Зарубежный аналог К561ТЛ1 — CD4093B.

Схема включения инверторов — классическая, она описана в справочных изданиях. Особенность представленной разработки — в конструктивных нюансах. После включения питания на входе элемента DD1.1 присутствует неопределенное состояние, близкое к низкому логическому уровню. На выходе DD1.1 — высокий уровень, на выходе DD1.2 — опять низкий. Транзистор VT1 закрыт. Пьезоэлектрический капсюль НАІ (с внутренним генератором ЗЧ) не активен.

К сенсору Е1 подключена антенна — подойдет автомобильная телескопическая. При нахождении человека рядом с антенной изменяется емкость между штырем антенны и полом. От этого переключаются элементы DD1.1, DD1.2 в противоположное состояние. Для переключения узла человек среднего роста должен находиться (проходить) рядом с антенной длиной 35 см на расстоянии до 1,5 м. На выводе 4 микросхемы появляется высокий уровень напряжения, вследствие этого транзистор VT1 открывается и звучит капсюль НА1.

Подбором емкости конденсатора С1 можно изменить режим работы элементов микросхемы. Так, при уменьшении емкости С1 до 82—120 пФ узел работает иначе. Теперь звуковой сигнал звучит только, пока на вход DD1.1 воздействует наводки переменного напряжения — прикосновение человека.

Электрическую схему (рис. 2.2) можно использовать и как основу для триггерного сенсорного датчика. Для этого исключают постоянный резистор R1, экранированный провод, а сенсором являются контакты микросхемы 1 и 2.

Последовательно с R1 подключают экранированный провод (кабель РК-50, РК-75, экранированный провод для сигналов ЗЧ — подходят все типы) длиной 1—1,5 м, экран соединяется с общим проводом, центральная жила на конце соединяется со штырем антенны.

При соблюдении указанных рекомендаций и применении указанных в схеме типов и номиналов элементов, узел генерирует звуковой сигнал частотой около 1 кГц (зависит от типа капсюля НА1) при приближении человека к штырю антенны на расстояние 1,5—1 м. Триггерный эффект отсутствует. Как только объект удаляется от антенны, датчик переходит в режим охраны (ожидания).

Эксперимент проводился также с животными— кошкой и собакой: на их приближение к сенсору-антенне узел не реагирует.

Возможности устройства трудно переоценить. В авторском варианте оно смонтировано рядом с дверной коробкой; входная дверь — металлическая.

Громкость сигнала ЗЧ, излучаемого капсюлем НА1, достаточна для того, чтобы услышать его на закрытой лоджии (она сопоставима с громкостью квартирного звонка).

Источник питания— стабилизированный, с напряжением 9—15 В, с хорошей фильтрацией напряжения пульсаций по выходу. Ток потребления ничтожно мал в режиме ожидания (несколько микроампер) и увеличивается до 22—28 мА при активной работе излучателя НА1. Бестрансформаторный источник применять нельзя из-за вероятности поражения электрическим током. Оксидный конденсатор С2 действует как дополнительный фильтр по питанию, его тип — К50-35 или аналогичный, на рабочее напряжение не ниже напряжения источника питания.

При эксплуатации узла выявлены интересные особенности. Напряжение питания узла влияет на его работу: при увеличении напряжения питания до 15 В в качестве сенсора-антенны используется только обыкновенный многожильный неэкранированный электрический медный провод сечением 1—2 мм длиной 1 м; никакого экрана и резистора R1 в таком случае не надо, электрический медный провод подсоединяется непосредственно к выводам 1 и 2 элемента DD1.1. Эффект аналогичен. При изменении фазировки сетевой вилки источника питания узел катастрофически теряет чувствительность и способен работать только как сенсор (реагирует на прикосновение к Е1). Это актуально при любом значении напряжения источника питания в диапазоне 9—15 В. Очевидно, что второе назначение данной схемы — обыкновенный сенсор (или сенсор-триггер).

Эти нюансы следует учитывать при повторении устройства. Однако в случае правильного подключения, описанного здесь, получается важная составляющая охранной сигнализации, обеспечивающей безопасность жилищу, предупреждающей хозяев еще до возникновения нештатной ситуации.

Монтаж элементов осуществляется компактно на плате из стеклотекстолита. Корпус для устройства — любой из диэлектрического (непроводящего) материала. Для контроля включения питания устройство может быть снабжено индикаторным светодиодом, подключенным параллельно источнику питания.

Налаживание при точном соблюдении рекомендаций не требуется. Если экспериментировать с длиной экранирующего кабеля, длиной и площадью сенсора-антенны Е1 и изменением напряжения питания, возможно потребуется скорректировать сопротивление резистора R1 в широких пределах — от 0,1 до 100 МОм. Для уменьшения чувствительности увеличивают емкость конденсатора С1. Если это не приносит результатов, параллельно С1 включают постоянный резистор сопротивлением 5—10 МОм.

Рис. 2.3. Емкостной датчик

Неполярный конденсатор С1 — типа КМ6. Постоянный резистор R2— МЛТ-0,25. Резистор R1 — типа ВС-0,5, ВС-1. Транзистор VT1 необходим для усиления сигнала с выхода элемента DD1.2. Без этого транзистора капсюль НА1 звучит негромко. Транзистор VT1 можно заменить на КТ503, КТ940, КТ603, КТ801 с любым буквенным индексом.

Капсюль-излучатель НА1 может быть заменен на аналогичный с встроенным генератором ЗЧ и рабочим током не более 50 мА, например FMQ-2015B, КРХ-1212В и аналогичными.

Благодаря применению капсюля с встроенным генератором узел проявляет интересный эффект: при близком приближении человека к сенсору-антенне Е1 звук капсюля монотонный, а при удалении (или приближении человека, начиная с расстояния 1,5 м до Е1) — капсюль издает стабильный по характеру прерывистый звук в соответствии с изменением уровня потенциала на выходе элемента DD1.2. (Подобный эффект лег в основу первого электронного музыкального инструмента — «Терменвокса».)

Для более полного представления о свойствах емкостного датчика автор рекомендует ознакомиться с материалом [53].

Если в качестве НА1 применить капсюль со встроенным гене-ратбром ЗЧ, например КРІ-4332-12, то при сравнительно большом удалении человека от сенсора-антенны звук будет напоминать сирену, а при максимальном приближении — прерывистый сигнал.

Некоторым минусом устройства можно считать отсутствие избирательности (системы распознавания «свой/чужой»), так узел будет сигнализировать о приближении к Е1 любого лица, в том числе вышедшего «за хлебом» хозяина квартиры. Основа работы устройства — электрические наводки и изменение емкости максимально полезны при эксплуатации в больших жилых массивах с развитой сетью электрических коммуникаций; очевидно, прибор будет бесполезен в лесу, в поле и везде, где нет электрических коммуникаций.

Кашкаров А. П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики.

Заметки для мастера - Емкостные реле в быту

          Емкостные реле в быту

 

          Емкостный датчик в качестве противоугонного устройства


   При несанкционированном проникновении злоумышленника в салон автомобиля срабатывает емкостное реле и разрывает контактную цепь, идущую к замку зажигания (Рис.1). Емкостное реле самоблокируется и включает реле времени, находящееся до этого в ждущем режиме. Реле времени начинает отсчет времени, находящийся в пределах 10...60 с, после чего контакты реле времени включают мощную многотональную звуковую сигнализацию. При желании владельца автомобиля контакты реле времени могут включать электрошоковое устройство, тогда угонщик будет подвержен слабому воздействию электрического тока силой 1...6 мА и напряжением 300....3000 В. Дверные замки автомобиля автоматически закрываются и самоблокируются. Может также включаться радиомаяк, расположенный внутри автомобиля. Эти дополнительные устройства могут быть установлены по желанию автовладельца.

Рис.1

Датчиком емкостного реле служит кусок металлической фольги размером 100x50 мм или же фольгированный текстолит аналогичных размеров. Датчик может быть расположен в салоне автомобиля под сидением водителя, или же выполнен в виде какой-либо декоративной панели, привлекающей угонщика, или, наоборот, спрятанной, и тем самым не заметной для глаз злоумышленника, но к которой угонщик обязательно должен прикоснуться.
Датчиков в салоне автомобиля может быть 1... 10 штук.
Приводится противоугонное устройство в действие микровыключателем, расположенным в салоне автомобиля, известным о месте его нахождения только владельцу транспортного средства.На принципиальной схеме устройства микровыключатель не указан.
Сопротивление катушки K1 от 1 кОм до 175 Ом; число витков катушки - 3400; ток срабатывания составляет 36 мA ток отпускания - 8 мА; напряжение питания - 12 В. Катушка колебательного контура L1 намотана на бумажном каркасе диаметром 8... 10 мм и содержит 26 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,3...0,4 мм, намотанных виток к витку в один слой. Отвод сделан от 7-го витка.

А.Гайдук, г. Борисов

 

         Простое емкостное устройство

 

        Устройство, схема которого показана на рис.2, работает на звуковых частотах. Для увеличения чувствительности здесь в контур генератора НЧ введен полевой транзистор, к затвору которого подключается датчик.

 

Рис.2

        Генератор прямоугольных импульсов со звуковой частотой около 1000 Гц собран на элементах DD1.1 и DD1.2. В качестве выходного каскада используется элемент DD1.3 той же микросхемы К155ЛА3, нагрузкой которого служит телефонный капсюль.

        С целью дальнейшего увеличения чувствительности емкостного реле возможно увеличение количества элементов, введенных в RC – цепочку. Однако следует учитывать, что при пяти и больше логических элементах в схеме наладка не усложняется.

        Обычное емкостное реле начинает работать сразу после включения. Требуется только подстроить резистор R1 на пороговую чувствительность.

        При отладке данного реле возможны два варианта его работы: срыв или, наоборот, возникновение генерации при введении емкости. Установка требуемого варианта осуществляется подбором переменного резистора R1. При приближении руки к датчику Е1 подстройкой резистора R1 добиваются, чтобы расстояние, с которого срабатывало бы емкостное реле, было около 10 – 20 см.

        Для подключения исполнительных механизмов к емкостному реле сигнал с элемента DD1.3 следует подать на электронное реле.

 

Крылов А.

Ярославская обл.

 

          Емкостное реле для управления освещением

 

        В часто посещаемых помещениях для экономии электроэнергии удобно применить емкостное реле для управления освещением. При входе в помещение, если необходимо включить свет, проходят вблизи емкостного датчика, который подает сигнал в емкостное реле, и лампа включается. Выходя из помещения, если нужно выключить свет, проходят вблизи емкостного датчика на выключение, и реле выключает лампу. В ждущем режиме устройство потребляет ток около 2 мА.

        Принципиальная схема емкостного реле изображена на рис.3

 

Рис.3

        Устройство по схеме подобно реле времени, у которого времязадающий узел заменен триггером на логических элементах DD1.1, DD1.2. При включении тумблера S1 через лампу HL1 будет протекать ток, если на базу транзистора VT1 с выхода элемента DD1.1 поступает напряжение высокого уровня. Транзистор VT1 при этом открыт, и тиристор VD6 открывается в начале каждого полупериода напряжения. Триггер переключается от емкостного тока утечки, при приближении человека на некоторое расстояние к одному из емкостных датчиков, если до этого он переключился от приближения к другому. При смене напряжения высокого уровня на базе транзистора VT1 на напряжение низкого уровня тиристор VD6 закроется, и лампа погаснет.

        Емкостные датчики Е1 и Е2 представляют собой отрезки коаксиального кабеля (например, РК-100, ИКМ-2), со свободного конца которых на длину около 0.5 м снят экран. Изоляцию с центрального провода снимать не нужно. Край экрана необходимо изолировать. Датчики можно прикрепить к дверной раме. Длину неэкранированной части датчиков и сопротивление резисторов R5. R6 подбирают при налаживании устройства так, чтобы триггер надежно переключался при прохождении человека на расстоянии 5...10 см от датчика.

        При налаживании устройства необходимо соблюдать меры предосторожности, так как элементы устройства находятся под напряжением сети.

 

С. Лобкович, г. Минск

 

          Схема емкостного реле на микросхеме

 

        Что такое емкостное реле? Это электронное реле, срабатывающее при изменении емкости между его датчиком и общим проводом. Чувствительным узлом большинства емкостных реле является генератор электрических колебаний довольно высокой частоты (сотни килогерц и выше). Когда параллельно контуру такого генератора подключается дополнительная емкость, то либо изменяется в определенных пределах частота генератора, либо его колебания срываются вовсе. В любом случае срабатывает пороговое устройство, соединенное с генератором, - оно включает звуковой или световой сигнализатор.

        Емкостное реле нередко используют для охраны различных объектов. При приближении к объекту человека реле извещает об этом охрану. Кроме того, оно находит применение в устройствах автоматики.

        Схема емкостного реле приведена на рис.4

 

 

Рис.4

        Устройство собрано на одной интегральной цифровой микросхеме и не содержит намоточных деталей, без которых не обойтись при изготовлении устройств с высокочастотным генератором.

        Работает емкостное реле так. Пока емкость между датчиком, подключаемым к гнезду XS1, относительно общего провода (минус источника питания) мала, на резисторе R2, а значит, на соединенном с ним входе элемента DD1.3 формируются короткие импульсы положительной полярности, а на выходе элемента (вывод 4) – такие же импульсы отрицательной полярности. Иначе говоря, напряжение на выходе элемента большую часть времени имеет уровень логической 1, а в течении очень короткого промежутка – уровень логического 0. Конденсатор С5 медленно заряжается через резистор R3, когда на выходе элемента уровень логической 1, и быстро разряжается через диод VD1 при появлении уровня логического 0. Поскольку разрядный ток значительно превышает зарядный, напряжение на конденсаторе С5 имеет уровень логического 0, и элемент DD1.4 закрыт для сигнала звуковой частоты.

        При приближении к датчику руки его емкость относительно общего провода увеличится, амплитуда импульсов на резисторе R2 уменьшится и станет меньше порога включения элемента DD1.3. На выходе элемента DD1.3 будет постоянно уровень логической 1, до этого уровня зарядится конденсатор С5. Элемент DD1.4 начнет пропускать сигнал звуковой частоты, и в капсюле BF1 раздастся звук.

        Чувствительность емкостного реле можно изменять подстроечным конденсатором С3.

        Датчик представляет собой металлическую сетку (или пластину) размерами примерно 200 х 200 мм, чтобы обеспечить сравнительно высокую чувствительность реле.

        Проверяют и настраивают реле в такой последовательности. Одной рукой берутся за неизолированный конец «земляного» провода и, поворачивая ротор подстроечного конденсатора, устанавливают его в положение, при котором звукового сигнала нет. Теперь при приближение другой руки к датчику в капсюле должен раздаваться звуковой сигнал. Если его нет, можно увеличить емкость конденсатора С3. Если же сигнал вообще не исчезает, следует уменьшить емкость конденсатора С2 или вовсе изъять его из конструкции. Более точным подбором емкости подстроечного конденсатора можно добится срабатывания реле при поднесении руки к датчику на расстоянии более десяти сантиметров.

        Если емкостное реле захотите использовать для включения мощной нагрузки, соберите схему на рис.5.

 

Рис.5

        Теперь к элементу DD1.4 подключен транзистор VT1, коллекторная цепь которого соединена с управляющим электродом тиристора VS1. Тиристор, а значит, и его нагрузка могут питаться либо постоянным, либо переменным током. В первом случае после «срабатывания» реле и последующего его «отпускания» (когда от датчика уберут руку) выключить тиристор удастся лишь кратковременным отключением питания его анодной цепи. Во втором варианте тиристор будет выключатся при закрывании транзистора.

 

Нечаев.И.

г. Курск 

 

          Емкостное реле на транзисторах

 

        На рис.6 показана схема простого транзисторного емкостного реле.

 

Рис.6

        Транзисторы VT1 – VT3 формируют усилитель электрического сигнала, возникшего в результате наводки от человеческого тела. Конденсатор С1, диоды D2 и D3 защищают реле от ложного срабатывания.

        Сенсор представляет собой пластину из алюминия или меди размером примерно 10 см х 10 см. Транзисторы VT1, VT3 возможно заменить на КТ3102, КТ815.

        При наладке данной схемы, следует соблюдать меры электробезопасности, так как все элементы конструкции находятся под напряжением электросети.

 

        

сделать базовый емкостный датчик для платы Arduino с электрической болью - Чистый проводник

Добавьте в свой проект простое сенсорное и бесконтактное взаимодействие

Емкостное зондирование - отличный способ создать интерфейсы сенсорного и дистанционного зондирования, которые легко интегрировать в самые разные проекты.

Емкостное зондирование обнаруживает изменения в локальном электрическом поле. Эти изменения обнаруживаются как событие касания и могут быть сопоставлены в программном обеспечении с бесконечными функциями.

Мы настолько большие поклонники емкостного считывания, что сделали нашу сенсорную плату, которая делает емкостное считывание с помощью Electric Paint очень простым и сверхнадежным.

Но вам не нужна сенсорная плата для создания базового емкостного датчика. Все, что вам нужно, это блокнот с краской Electric Paint, Arduino и резистор. При правильной конструкции этот датчик может обнаруживать присутствие человека на расстоянии до 300 мм и может работать за любым непроводящим материалом, например, стеклом, деревом, пластиком и т. Д. Изменяя номинал резистора и размер контактной площадки Electric Paint, вы может создать либо датчик касания, либо датчик переменного приближения.

Благодарность за библиотеку CapSense принадлежит Полу Баджеру. Спасибо, что сделали это так легко. Мы просто немного его модифицировали :).

Нам нравится, когда вы делитесь своими проектами! Опубликуйте свой проект в Instagram, YouTube или Twitter и обязательно отметьте @bareconductive или используйте #bareconductive. Вы также можете отправить свои видео и фотографии на [email protected], чтобы мы могли разместить их на нашем сайте для всеобщего обозрения.

Вам понадобится:

  • 1 x электрическая краска 10 мл
  • 1 x Arduino Uno или аналог
  • 1 кабель USB, соответствующий вашему Arduino
  • 1 резистор 1 МОм
  • 1 x Макет
  • Перемычки

Шаг 1 Покрасьте датчик

Во-первых, вам нужно покрасить датчик электрокрасочной краской.Для начала постарайтесь сделать его размером примерно с вашу руку. Внешняя форма не важна, но общее количество электрокраски имеет значение. Слишком большой, и он может быть слишком нестабильным, слишком маленький и может не работать. Вы можете попробовать нарисовать несколько разных рисунков, чтобы сравнить их характеристики. Вы можете нарисовать его на любой непроводящей поверхности, например, на бумаге, которую мы использовали здесь. Дайте сенсорной подушке высохнуть.

Шаг 2 Создайте схему

Пока краска высыхает, вы можете построить свою схему с помощью Arduino, макета, нескольких проводов и большого резистора.Мы использовали Arduino Uno и резистор 1 МОм. Подключите резистор между контактом 4 и контактом 2. Контакт 4 называется «контактом датчика», а контакт 2 называется «контактом приема».


Шаг 3 Подключение к Electric Paint

После того, как вы построили свою схему, вы можете подключить ее к подушке Electric Paint. Мы использовали зажим «крокодил» и подрезали его, чтобы соединить с краской. Другой конец подсоедините к контакту 2 на макетной плате.


Шаг 4 Загрузите код

Во-первых, вам нужно установить библиотеку Arduino CapSense.Если у вас сейчас открыта IDE Arduino, сначала закройте ее. Загрузите библиотеку и переместите ее в папку библиотеки в папке Arduino. Снова откройте Arduino и установите библиотеку через

.

Эскиз → Импортировать библиотеку

Пришло время загрузить скетч. Вы можете скачать это здесь. Откройте его, Arduino попросит вас переместить его, на что вы можете ответить «Да». Подключите Arduino Uno к компьютеру и загрузите скетч.


Шаг 5 Проверьте датчик

Откройте последовательный монитор Arduino.Вы должны увидеть постоянный поток чисел. Наведите руку на датчик, и вы увидите, как меняются числа! Этот выходной сигнал - ваш датчик в действии, отображающий текущее измерение. Коснитесь панели, чтобы увидеть самое большое изменение!


Шаг 6 Следующие шаги

Теперь, когда вы изучили емкостное сенсорное управление и определение приближения, вы можете создать свой собственный сенсор касания и датчики приближения. Датчики не обязательно должны быть квадратными. Поэкспериментируйте со своими собственными проектами и посмотрите, как это влияет на чувствительность системы.Определение приближения также во многом зависит от конструкции датчика. Мы написали наши правила проектирования для создания датчика здесь, и печатные датчики идеально подходят для определения приближения.

Емкостное считывание с Arduino очень ограничено. На емкостной датчик легко влияют электрические помехи и изменения окружающей среды, например влажность. Для настройки датчика требуется постоянная калибровка. Мы разработали сенсорную плату для решения этих проблем и создания стабильных и простых в использовании емкостных датчиков.Так что, если вы изо всех сил пытаетесь получить нужные вам результаты из этого руководства, обязательно ознакомьтесь с нашей сенсорной панелью.

Сделайте простую емкостную сенсорную клавиатуру с Arduino

Некоторые сочетания клавиш на клавиатуре, такие как копирование, вставка или печать, определенно могут упростить вашу работу. А что, если вы можете создавать эти различные операции с клавиатурой самостоятельно? Вы когда-нибудь задумывались об этом?

Этот простой проект «сделай сам» объясняет, как создать портативное устройство, которое выполняет различные операции с клавиатурой, такие как копирование и пробел.Это небольшое устройство с одной клавиатурой, которое работает на Arduino и емкостном сенсорном датчике. Датчик может быть изготовлен из любого металлического предмета, такого как алюминиевая фольга, монета и т. Д. Авторский прототип, смонтированный на макетной плате, показан на рис. 1.

Рис. 1: Авторский прототип, смонтированный на макетной плате

Аппаратные компоненты включают Arduino Micro, резистор на 1 МОм, перемычки и алюминиевую фольгу.

Arduino Micro - самая маленькая плата из семейства ATmega32U4 Arduino. Его легко интегрировать с повседневными предметами, чтобы сделать их интерактивными.Он основан на микроконтроллере ATmega32U4 (MCU) со встроенным USB-портом, который делает Micro узнаваемым как мышь или клавиатуру. Обратите внимание, что вы можете использовать только платы Arduino, которые используют ATmega32U4, такие как Micro, Leonardo, Leonardo ETH и т. Д.

Схема и рабочая

Принципиальная схема емкостной сенсорной клавиатуры с использованием Arduino показана на рис. 2. Цифровые контакты 2 и 4 Arduino используются для взаимодействия с датчиком.

Рис. 2: Принципиальная схема емкостной сенсорной клавиатуры

В состав датчика входят резистор среднего и высокого номинала, несколько перемычек и небольшой кусок алюминиевой фольги.Вы можете использовать резистор любого номинала от 100 кОм до 50 мегаом. Обратите внимание, что при более высоком сопротивлении резистора он ведет себя как датчик приближения.

Для схемы требуется библиотека емкостных датчиков в Arduino IDE. Библиотека превращает два или более вывода Arduino в емкостной датчик, который может определять электрическую емкость человеческого тела. Емкостный датчик может обнаруживать все, что является проводящим или имеет диэлектрическую проницаемость, значительно отличающуюся от диэлектрической проницаемости воздуха, например человеческое тело или руку.

Проект тестировался с использованием резистора сопротивлением 1 МОм. Если вы используете другое значение резистора, используйте программу (capturing_sensor_value.ino), чтобы найти значение датчика перед загрузкой основного скетча Arduino на плату Arduino.

Программа

Программное обеспечение

написано на языке программирования Arduino. Код capturing_sensor_value.ino используется для декодирования значения датчика. Код copy_operation.ino используется для операции копирования, а код space_bar.ino используется для работы с клавишей пробела на емкостной сенсорной клавиатуре.

После установки Arduino IDE на свой компьютер запустите программное обеспечение Arduino IDE, подключите Arduino Micro к компьютеру, выберите плату (Arduino / Genuino Micro) и COM-порт. Затем установите библиотеку емкостных датчиков, которую можно скачать по ссылке https://github.com/arduino-libraries/CapacitiveSensor/zipball/master

.

Для получения значений датчика откройте capturing_sensor_value.ino из Arduino IDE, скомпилируйте и загрузите на плату Arduino с датчиком, подключенным к плате. Затем откройте последовательный монитор Arduino IDE и посмотрите значения.Значения датчика по умолчанию, полученные на последовательном мониторе без касания датчика, показаны на рис. 3.

Рис. 3: Значения датчика без касания датчика

Каждый раз, когда вы касаетесь датчика, значение увеличивается. С резистором 1 мегаом при каждом прикосновении значение датчика увеличивается на 1000. Таким образом, в скетче Arduino используется выражение условия, так что всякий раз, когда значение датчика превышает 1000, выполняется операция с клавиатуры.
Значения датчика после прикосновения к датчику показаны на рис.4. Вы можете изменить значения датчика, изменив значение резистора и используя подходящие значения датчика в основных кодах (copy_operation.ino и space_bar.ino)

Рис. 4: Значения датчика после прикосновения к датчику

Скачать

Исходный код

Этапы тестирования

  1. Загрузите код capturing_sensor_value.ino на плату Arduino
  2. Откройте монитор последовательного порта и наблюдайте за значениями, не касаясь сенсора и не касаясь его. Когда вы касаетесь датчика, значение находится в диапазоне от 3700 до 4052, как показано на рис. 4. Например, возьмем значение 3800.
  3. Затем откройте код copy_operation.ino, вставьте в этот код значение 3800 как sensor1 3800.Скомпилируйте и загрузите его на плату Arduino
  4. Теперь откройте любой файл документа. Выберите строку текста из этого файла документа. Когда вы касаетесь сенсора, он выполняет операцию копирования, эквивалентную операции ctrl + c на обычной клавиатуре.
  5. Аналогичным образом откройте код space_bar.ino и используйте 1000 в коде как sensor1 1000 и Keyboard.write (32) для работы с клавишей «пробел». После компиляции и загрузки кода в плату Arduino прикоснитесь к сенсору. Он выполняет операцию пробела, просто перемещая курсор вправо при каждом касании.

Амаль Мэтью - любитель электроники

Изучены 3 простых схемы емкостных датчиков приближения

В этом посте мы подробно обсуждаем 3 основные схемы датчиков приближения со многими схемами приложений и подробными характеристиками схемы. Первые две схемы емкостного датчика приближения используют простые концепции на основе IC 741 и IC 555, в то время как последняя немного более точна и включает в себя прецизионную конструкцию на основе IC PCF8883

1) Использование IC 741

Схема, описанная ниже, может быть сконфигурирован для активации реле или любой подходящей нагрузки, такой как водопроводный кран, как только человеческое тело или рука приближается к пластине емкостного датчика.При определенных условиях близости руки достаточно только для срабатывания выхода схемы.

Вход с высоким импедансом обеспечивается Q1, который представляет собой обычный полевой транзистор, такой как 2N3819. Стандартный операционный усилитель 741 используется в виде чувствительного переключателя уровня напряжения, который впоследствии управляет токовым буфером Q2, биполярным pnp-транзистором среднего тока, таким образом активируя реле, которое можно использовать для переключения устройства, такого как сигнализация, кран и т. Д.

В то время как схема находится в состоянии ожидания в режиме ожидания, напряжение на выводе 3 операционного усилителя фиксируется на уровне выше, чем уровень напряжения на выводе 2, путем соответствующей настройки предварительно установленного VR1.

Это гарантирует, что напряжение на выходном контакте 6 будет высоким, в результате чего транзистор Q2 и реле останутся выключенными.

Когда палец приближается к сенсорной пластине или слегка касается, уменьшение противоположного смещения VGS увеличит ток стока полевого транзистора Q1, и результирующее падение напряжения на R1 снизит напряжение на выводе 3 операционного усилителя ниже напряжения. присутствует на контакте 2.

Это приведет к падению напряжения на контакте 6 и, следовательно, включит реле с помощью Q2.Резистор R4 может быть определен для того, чтобы реле оставалось выключенным в нормальных условиях, учитывая, что крошечное положительное заданное напряжение может развиться на выходе вывода 6 операционного усилителя, даже если напряжение на выводе 3 окажется ниже напряжения на выводе 2 состояние покоя (простоя). Эту проблему можно решить, просто добавив светодиод последовательно с базой Q2.

2) Использование IC 555

В сообщении объясняется эффективная схема емкостного датчика приближения на основе IC 555, которая может быть использована для обнаружения злоумышленников вблизи ценного объекта, такого как ваш автомобиль.Идея была предложена мистером Максом Пейном.

The Circuit Request

Hello Swagatam,

Пожалуйста, опубликуйте емкостную / телесную / чувствительную цепь, которую можно применить на велосипеде. Такое устройство замечено в автомобильной охранной системе. Когда кто-то приближается к машине или простая 1-дюймовая близость, срабатывает сигнализация на 5 секунд.

Как работает этот тип сигнала тревоги: сигнал тревоги срабатывает только тогда, когда кто-то подходит ближе (скажем, на 30 см). Какой тип датчика они используют?

Принципиальная схема

Изображение схемы Предоставлено: Elektor Electronics

Конструкция

Цепь емкостного датчика можно понять с помощью следующего описания:

IC1 в основном подключен как нестабильный, но без включения настоящий конденсатор.Здесь вводится емкостная пластина, которая занимает место конденсатора, необходимого для нестабильной работы.

Следует отметить, что емкостная пластина большего размера будет обеспечивать лучший и надежный отклик схемы.

Так как схема предназначена для работы в качестве охранной системы оповещения о приближении к телу автомобиля, сам корпус можно использовать в качестве емкостной пластины, и она, будучи огромной по объему, вполне подходит для этого приложения.

После того, как пластина емкостного датчика приближения установлена, IC555 переходит в режим ожидания для нестабильных действий.

При обнаружении «заземляющего» элемента в непосредственной близости, которым может быть рука человека, необходимая емкость создается между контактом 2/6 и землей ИС.

Вышеуказанное приводит к мгновенному увеличению частоты, когда ИС начинает колебаться в нестабильном режиме.

Нестабильный сигнал поступает на вывод 3 ИС, который соответствующим образом «интегрируется» с помощью R3, R4, R5 вместе с C3 ---- C5.

«Интегрированный» результат подается на каскад операционного усилителя, который используется как компаратор.

Компаратор, сформированный вокруг IC2, реагирует на это изменение от IC1 и преобразует его в напряжение запуска, управляя T1 и соответствующим реле.

Реле может быть соединено с сиреной или звуковым сигналом для необходимой сигнализации.

Однако практически видно, что микросхема IC1 генерирует пиковый импульс напряжения от положительного до отрицательного в момент, когда рядом с пластиной обнаруживается емкостное заземление.

IC2 реагирует исключительно на это внезапное повышение пикового напряжения для требуемого запуска.

Если емкостное тело продолжает находиться в непосредственной близости от пластины, пиковое частотное напряжение на выводе 3 исчезает до уровня, который может быть не обнаружен IC2, что делает его неактивным, что означает, что реле остается активным только в тот момент, когда емкостной элемент переносится или удаляется около поверхности пластины.

P1, P2 могут быть отрегулированы для получения максимальной чувствительности от емкостной пластины
Для получения фиксирующего действия выход IC2 может быть дополнительно интегрирован в схему триггера, что делает схему емкостного датчика приближения чрезвычайно точной и отзывчивой

3 ) Датчик приближения с сигнализацией

Следующая схема датчика приближения использует чрезвычайно высокий входной импеданс и высокую мощность полевого транзистора для создания простого, но очень чувствительного датчика приближения и схемы драйвера сигнализации.

Датчик Thte образован металлическим предметом размером 3x3 дюйма, который соединен с затвором Q1.

Резистор R2, представляющий собой резистор 100 МОм, отделяет затвор Q1 от R1, позволяя его входному импедансу оставаться чрезвычайно высоким. Если вы не можете найти резистор 100 M, вы можете просто подключить пять резисторов 22 M последовательно и работать с этой цепочкой резисторов вместо R2.

Точнее говоря, значение R2 можно было бы создать даже выше, чем это, для повышения чувствительности обнаружения приближения.Потенциометр R1 настраивается до точки, при которой пьезо-зуммер просто начинает гудеть, а затем R1 можно тщательно отрегулировать до точки, при которой зуммер просто перестает звучать.

Тестирование с регулировкой R1 может быть полезно для получения максимальной настройки чувствительности для этой емкостной бесконтактной цепи.

4) Использование IC PCF8883

IC PCF8883 спроектирован для работы как прецизионный переключатель емкостного датчика приближения благодаря уникальной (запатентованной EDISEN) цифровой технологии для определения мельчайших различий в емкости вокруг указанной чувствительной пластины.

Основные характеристики

Основные характеристики этого специализированного емкостного датчика приближения можно изучить, как показано ниже:

На следующем изображении показана внутренняя конфигурация ИС PCF8883

ИС не полагается на традиционный режим динамической емкости. датчик скорее обнаруживает изменение статической емкости, применяя автоматическую коррекцию посредством непрерывной автокалибровки.

Датчик в основном представляет собой небольшую проводящую фольгу, которая может быть непосредственно интегрирована с соответствующими выводами ИС для предполагаемого емкостного измерения или, возможно, подключена на большие расстояния через коаксиальные кабели для обеспечения точных и эффективных операций дистанционного емкостного измерения приближения.

На следующих рисунках представлена ​​распиновка IC PCF8883.Подробное функционирование различных выводов и встроенной схемы можно понять с помощью следующих пунктов:

Распиновка Подробная информация о IC PCF8883

Распиновка IN, которая должна быть связана с внешней емкостной чувствительной фольгой, связана с ИС внутренняя RC-сеть.

Время разряда, заданное параметром «tdch» RC-сети, сравнивается со временем разряда второй встроенной RC-сети, обозначенной как «tdchimo».

Две RC-цепи проходят периодическую зарядку с помощью VDD (INTREGD) через пару идентичных и синхронизированных коммутационных сетей, а затем разряжаются с помощью резистора на Vss или землю.

Скорость, с которой выполняется этот зарядный разряд. регулируется частотой дискретизации, обозначенной "fs".

В случае, если видно, что разность потенциалов падает ниже внутренне установленного опорного напряжения VM, соответствующий выход компаратора имеет тенденцию становиться низким. Логический уровень, который следует за компараторами, идентифицирует точный компаратор, который фактически мог переключиться перед другим.

И если определено, что верхний компаратор сработал первым, это приводит к отображению импульса на CUP, тогда как если обнаруживается, что нижний компаратор переключился раньше верхнего, тогда импульс активируется на CDN.

Вышеупомянутые импульсы участвуют в управлении уровнем заряда внешнего конденсатора Ccpc, связанного с контактом CPC. Когда на CUP генерируется импульс, Ccpc заряжается через VDDUNTREGD в течение заданного периода времени, что вызывает повышение потенциала на Ccpc.

Совершенно аналогично, когда импульс рендерится в CDN, Ccpc связывается с устройством стока тока на землю, что разряжает конденсатор, вызывая коллапс его потенциала.

Всякий раз, когда емкость на выводе IN становится выше, это соответственно увеличивает время разряда tdch, что вызывает падение напряжения на соответствующем компараторе с соответственно более длительным временем.Когда это происходит, выходной сигнал компаратора имеет тенденцию становиться низким, что, в свою очередь, создает импульс в CDN, заставляя внешний конденсатор CCP разряжаться в меньшей степени.

Это означает, что CUP теперь генерирует большинство импульсов, которые заставляют CCP заряжаться еще больше, не выполняя никаких дальнейших шагов.

Несмотря на это, функция автоматической калибровки ИС с управляемым напряжением, которая полагается на «ism» регулирования тока стока, связанного с выводом IN, пытается сбалансировать время разряда tdch, соотнося его с внутренне установленным временем разряда tdcmef.

Напряжение на Ccpg регулируется по току и становится ответственным за разряд емкости на IN довольно быстро всякий раз, когда обнаруживается, что потенциал на CCP возрастает. Это идеально уравновешивает увеличивающуюся емкость на входном контакте IN.

Этот эффект приводит к возникновению замкнутой системы слежения, которая непрерывно отслеживает и задействует автоматическое выравнивание времени разряда tdch по отношению к tdchlmf.

Это помогает исправить вялые изменения емкости на выводе IN IC.В режимах быстрой зарядки, например, когда человеческий палец быстро приближается к чувствительной фольге, обсуждаемая компенсация может не проявляться, в условиях равновесия длительность периода разряда не различается, в результате чего импульс поочередно колеблется между CUP и CDN.

Это дополнительно означает, что с большими значениями Ccpg можно ожидать относительно ограниченное изменение напряжения для каждого импульса для CUP или CDN.

Следовательно, внутренний сток тока вызывает более медленную компенсацию, тем самым повышая чувствительность датчика.Напротив, когда CCP падает, чувствительность сенсора падает.

Встроенный монитор датчика

Встроенный каскад счетчика отслеживает срабатывания датчика и, соответственно, подсчитывает импульсы через CUP или CDN, счетчик сбрасывается каждый раз, когда направление импульса через CUP к CDN чередуется или изменяется.

Выходной вывод, обозначенный как OUT, активируется только при обнаружении достаточного количества импульсов через CUP или CDN. Умеренные уровни помех или медленное взаимодействие через датчик или входную емкость не оказывают никакого влияния на запуск выхода.

Микросхема учитывает несколько условий, таких как неравные схемы заряда / разряда, так что подтверждается переключение выхода и устраняется ложное обнаружение.

Расширенный запуск

ИС включает в себя усовершенствованную схему запуска, которая позволяет микросхеме довольно быстро достигать равновесия, как только на нее включается питание.

Внутренне вывод OUT сконфигурирован как открытый сток, который инициирует вывод выводов с высокой логикой (Vdd) с максимальным током 20 мА для подключенной нагрузки.В случае, если выход подвергается нагрузке более 30 мА, питание немедленно отключается из-за функции защиты от короткого замыкания, которая мгновенно срабатывает.
Эта распиновка также совместима с CMOS и поэтому подходит для всех нагрузок или каскадов на основе CMOS.

Как упоминалось ранее, параметр частоты дискретизации "fs" относится к 50% частоты, используемой в сети синхронизации RC. Частоту дискретизации можно установить в заранее определенном диапазоне, соответствующим образом зафиксировав значение CCLIN.

Внутренне модулированная частота генератора на 4% посредством псевдослучайного сигнала подавляет любую возможность помех от окружающих частот переменного тока.

Режим выбора состояния выхода

В ИС также есть полезный «режим выбора состояния выхода», который можно использовать для включения выходного контакта в моностабильное или бистабильное состояние в ответ на емкостное определение входных контактов. Он отображается следующим образом:

Mode # 1 (TYPE включен при Vss): выход становится активным в течение sp, пока вход удерживается под внешним емкостным влиянием.

Mode # 2 (TYPE включен в VDD / NTRESD): в этом режиме выход попеременно включается и выключается (высокий и низкий) в ответ на последующее емкостное взаимодействие через фольгу сенсора.

Mode # 3 (CTYPE включен между TYPE и VSS): при этом условии выходной контакт срабатывает (низкий уровень) в течение некоторого заранее определенного периода времени в ответ на каждый вход емкостного считывания, продолжительность которого пропорциональна значению CTYPE и может изменяться со скоростью 2,5 мс на емкость нФ.

Стандартное значение для CTYPE для получения задержки около 10 мс в режиме № 3 может составлять 4,7 нФ, а максимально допустимое значение для CTYPE - 470 нФ, что может привести к задержке около секунды. Любые резкие емкостные вмешательства или воздействия в этот период просто игнорируются.

Как использовать схему

В следующих разделах мы изучаем типичную конфигурацию схемы с использованием одной и той же ИС, которая может применяться во всех продуктах, требующих точных операций с дистанционным стимулированием.

Предлагаемый емкостной датчик приближения может быть использован во многих различных приложениях, как показано в следующих данных:

Типичная конфигурация приложения с использованием ИС может быть засвидетельствована ниже:

Конфигурация прикладной схемы

Источник питания + подключен с VDD. Сглаживающий конденсатор может быть предпочтительно подключен через VDD и землю, а также через VDDUNTREGD и землю для более надежной работы микросхемы.

Значение емкости COLIN, полученное на выводе CLIN, эффективно фиксирует частоту дискретизации.Увеличение частоты дискретизации может позволить увеличить время реакции на вход датчика с пропорциональным увеличением потребления тока

Пластина датчика приближения

Чувствительная емкостная чувствительная пластина может быть в виде миниатюрной металлической фольги или пластины, экранированной и изолированной не проводящий слой.

Эта чувствительная область может быть либо завершена на более длинных расстояниях через коаксиальный кабель CCABLE, другие концы которого могут быть связаны с IN IC, либо пластина может быть просто напрямую подключена к INpinout IC, в зависимости от потребностей приложения. .

ИС оснащена внутренней схемой фильтра нижних частот, которая помогает подавить все формы радиочастотных помех, которые могут попытаться проникнуть в ИС через вывод IN ИС.

Дополнительно, как показано на схеме, можно также добавить внешнюю конфигурацию с использованием RF и CF для дальнейшего усиления подавления RF и усиления защиты от RF для схемы.

Для достижения оптимальной производительности схемы рекомендуется, чтобы сумма значений емкости CSENSE + CCABLE + Cp находилась в заданном соответствующем диапазоне, хороший уровень может составлять около 30 пФ.

Это помогает контуру управления работать лучше со статической емкостью по сравнению с CSENSE для выравнивания довольно медленных взаимодействий на чувствительной емкостной пластине.

Достигните увеличенных емкостных входов

Для достижения повышенных уровней емкостных входов может быть рекомендовано включить дополнительный резистор Rc, как показано на диаграмме, который помогает контролировать время разряда в соответствии со спецификациями внутренних временных характеристик.

Площадь поперечного сечения прикрепленной чувствительной пластины или чувствительной фольги становится прямо пропорциональной чувствительности цепи, в сочетании со значением конденсатора Ccpc, уменьшение значения Ccpc может сильно повлиять на чувствительность чувствительной пластины.Следовательно, для достижения эффективного количества чувствительности Ccpc может быть увеличено оптимально и соответственно.

Распиновка с маркировкой CPC внутренне приписана высокому импедансу и, следовательно, может быть восприимчива к токам утечки.

Убедитесь, что Ccpc выбран с высококачественной PPC конденсатора типа MKT или типа X7R для получения оптимальных характеристик конструкции.

Работа при низких температурах

В случае, если система предназначена для работы с ограниченной входной емкостью до 35 пФ и при отрицательных температурах -20 градусов C, тогда может быть целесообразно снизить напряжение питания ИС примерно до 2.8V. Это, в свою очередь, снижает рабочий диапазон напряжения Vlicpc, спецификация которого составляет от 0,6 В до VDD - 0,3 В.

Более того, уменьшение рабочего диапазона Vucpc может привести к пропорциональному уменьшению диапазона входной емкости схемы.

Кроме того, можно заметить, что значение Vucpc увеличивается с понижением температуры, как показано на диаграммах, что говорит нам, почему соответствующее снижение напряжения питания помогает при понижении температуры.

Рекомендуемые спецификации компонентов

В таблицах 6 и 7 указан рекомендуемый диапазон значений компонентов, которые могут быть надлежащим образом выбраны в соответствии с требуемыми техническими характеристиками приложения со ссылкой на приведенные выше инструкции.

Ссылка: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCF8883.pdf

Датчик касания

| Емкостные и резистивные сенсорные датчики

В этом руководстве мы узнаем о сенсорных датчиках. Сегодня почти весь пользовательский интерфейс основан на прикосновении. Диапазон приложений неисчислим, и некоторые из них - мобильные телефоны, планшеты, портативные компьютеры, автомобили, лифты, банкоматы, камеры и т. Д. Сенсорные датчики являются важными компонентами в современных приложениях для сенсорных экранов.

Введение

Чувство осязания является важным сенсорным каналом у многих животных и некоторых растений.Наши чувства сообщают нам, когда наши руки что-то касаются. Компьютерные устройства ввода безразличны к человеческому контакту, поскольку программное обеспечение не реагирует на установление, поддержание или разрыв физического контакта, такого как прикосновения или освобождение.

Таким образом, сенсорные устройства ввода предлагают многочисленные возможности для новых методов взаимодействия. Технология сенсорных датчиков постепенно заменяет механические объекты, такие как мышь и клавиатура.

Сенсор касания определяет прикосновение или близость, не полагаясь на физический контакт.Сенсорные датчики находят применение во многих приложениях, таких как мобильные телефоны, пульты дистанционного управления, панели управления и т. Д. Современные сенсорные датчики могут заменить механические кнопки и переключатели.

Сенсорные датчики с простыми поворотными ползунками, сенсорными панелями и поворотными колесами предлагают значительные преимущества для более интуитивно понятных пользовательских интерфейсов. Сенсорные датчики удобнее и надежнее использовать без движущихся частей. Использование сенсорных датчиков дает разработчикам системы большую свободу действий и помогает снизить общую стоимость системы.Общий вид системы может быть более привлекательным и современным.

НАЗАД В начало

Принцип работы

Сенсорные датчики также называются тактильными датчиками и чувствительны к прикосновению, силе или давлению. Это одни из самых простых и полезных датчиков. Датчик касания работает так же, как и простой переключатель.

При контакте с поверхностью датчика касания цепь внутри датчика замыкается и протекает ток.Когда контакт размыкается, цепь размыкается и ток не течет.

Наглядное изображение работы сенсорного датчика показано ниже.

НАЗАД В начало

Емкостный сенсорный датчик

Емкостный сенсорный датчик широко используется в большинстве портативных устройств, таких как мобильные телефоны и MP3-плееры. Емкостные сенсорные датчики можно найти даже в бытовой технике, автомобилестроении и промышленности. Причины этой разработки - долговечность, надежность, привлекательный дизайн и стоимость.

Датчики касания, в отличие от механических устройств, не содержат движущихся частей. Следовательно, они более долговечны, чем механические устройства ввода. Сенсорные датчики прочны, так как в них нет отверстий для проникновения влаги и пыли.

Принцип емкостного сенсорного датчика поясняется ниже.

Самая простая форма конденсатора может быть выполнена с двумя проводниками, разделенными изолятором. Металлические пластины можно рассматривать как проводники. Формула емкости приведена ниже.

C = ε 0 * ε r * A / d

Где

ε 0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства

ε r - относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость

A - площадь пластины, а d - расстояние между ними.

Емкость прямо пропорциональна площади и обратно пропорциональна расстоянию.

В емкостных сенсорных датчиках электрод представляет собой одну из пластин конденсатора. Вторая пластина представлена ​​двумя объектами: один - это окружение сенсорного электрода, который образует паразитный конденсатор C 0 , а другой - проводящий объект, такой как человеческий палец, который образует сенсорный конденсатор C T .

Электрод датчика подключен к измерительной цепи, и емкость периодически измеряется.Выходная емкость увеличивается, если проводящий объект касается электрода датчика или приближается к нему. Схема измерения обнаружит изменение емкости и преобразует его в сигнал запуска.

Работа емкостного сенсорного датчика показана на рисунке ниже.

 Ссылка на ресурс изображения: www.fujitsu.com/downloads/MICRO/fme/articles/fujitsu-whitepaper-capacitive-touch-sensors.pdf 

Если площадь электрода датчика больше, а толщина крышки Материал меньше, сенсорная емкость C T также большая.В результате разница в емкости между сенсорной панелью и нетронутой сенсорной панелью также велика. Это означает, что размер сенсорного электрода и покрывающего материала будет влиять на чувствительность сенсора.

Измерение емкости используется во многих приложениях, таких как определение расстояния, давления, ускорения и т. Д. Емкостные сенсорные датчики - еще одна область применения. Существует множество методов измерения емкости. Некоторые из них: амплитудная модуляция, частотная модуляция, измерение временной задержки, рабочий цикл и т. Д.

В случае емкостных сенсорных датчиков присутствия проводящего материала достаточно для срабатывания нагрузки и не требуется никакого усилия. Следовательно, риск ложных или непреднамеренных срабатываний выше в случае емкостных сенсорных датчиков. Эта проблема больше возникает при наличии влаги или воды, которая является хорошим проводником.

Для метода измерения емкости в сенсорных датчиках требуется эталонная плоскость, расположенная рядом с сенсорной площадкой. В емкостных сенсорных датчиках прикосновение пальца формирует емкость между чувствительным электродом и плоскостью отсчета.Кожный жир или пот человеческого тела могут вызвать ложный срабатывание.

Чтобы различать преднамеренные и ложные прикосновения, используются дополнительные сенсорные панели или программные алгоритмы. Лучшее решение - избавиться от заземляющего электрода сравнения.

Есть два типа емкостных датчиков касания: поверхностные емкостные датчики и проецируемые емкостные датчики.

При поверхностном емкостном измерении изолятор наносится с проводящим покрытием на одной стороне его поверхности. Поверх этого проводящего покрытия наносится тонкий слой изолятора.Ток подается на все углы токопроводящего покрытия.

Когда внешний проводник, такой как человеческий палец, соприкасается с поверхностью, между ними образуется емкость, которая потребляет больше тока из углов. Измеряется сила тока в каждом углу, и их соотношение определяет положение касания на поверхности.

При проецированном емкостном считывании вся поверхность не заряжается, но X - Y сетка из проводящего материала помещается между двумя изоляционными материалами.Сетка часто изготавливается из меди или золота на печатной плате или из оксида индия и олова на стекле. ИС используется для зарядки и контроля сети.

Когда заряд вытягивается внешним проводящим объектом, например пальцем (пальцами) из области на сетке, ИС вычисляет положение пальца на сенсорной поверхности. Сенсорные датчики, изготовленные на основе проективной емкостной технологии, могут использоваться для определения пальца, который не касается его поверхности. Они действуют как датчики приближения.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Резистивный датчик касания

Резистивные сенсоры касания используются дольше, чем емкостные решения, поскольку они представляют собой простые схемы управления.Резистивный датчик касания не зависит от электрических свойств емкости. Следовательно, резистивные сенсорные датчики могут работать с непроводящими материалами, такими как стилус и палец, обернутый перчаткой.

В отличие от емкостных сенсорных датчиков, которые измеряют емкость, резистивные сенсорные датчики определяют давление на поверхность.

Резистивный датчик касания состоит из двух проводящих слоев, разделенных небольшими точками-разделителями. Нижний слой состоит из стекла или пленки, а верхний слой - из пленки.Проводящий материал покрыт металлической пленкой, как правило, оксидом индия и олова, и по своей природе является прозрачным. Напряжение прикладывается к поверхности проводника.

Когда какой-либо датчик, например палец, стилус, ручка и т. Д., Используется для давления на верхнюю пленку датчика, он активирует датчик. При приложении сильного давления верхняя пленка прогибается внутрь и соприкасается с нижней пленкой. Это приводит к падению напряжения, и точка контакта создает сеть делителей напряжения в направлениях X - Y.

Это напряжение и изменения напряжения обнаруживаются контроллером и вычисляют положение касания, в котором прикладывается давление, на основе координат X - Y касания.

Функционирование резистивного сенсорного датчика можно пояснить с помощью следующего рисунка.

Сопротивление объекта, касающегося электродов, проявляется в работе резистивных сенсорных датчиков. Например, когда палец касается поверхности, небольшое сопротивление пальца позволяет протекать через него току, замыкая цепь.Транзистор действует как переключатель. Резистор Rp используется для защиты транзистора от возможного короткого замыкания электродов. Резистор Rb используется для удержания базы на земле, когда цепь разомкнута, то есть нет пальца.

При касании обоих электродов через палец проходит небольшой ток, и транзистор включается, в результате чего нагрузка становится активной.

Ниже показана простая резистивная чувствительная к прикосновению схема.

Он состоит из двух электродов, двух транзисторов, соединенных по схеме Дарлингтона, резистора и светодиода.Когда на электроды кладут палец, цепь замыкается и происходит усиление тока. Резистор используется для ограничения силы тока светодиода.

Существует три типа резистивных датчиков касания: 4-проводные, 5-проводные и 8-проводные.

4-проводной резистивный датчик касания является наиболее экономичным. 5 - Проволочные резистивные сенсорные датчики наиболее долговечны. Они похожи на 4-проводные датчики, за исключением того, что все электроды этого типа находятся на нижнем слое. Верхний слой в 5-проводных датчиках действует как зонд для измерения напряжения.Благодаря такой конструкции 5-проводные резистивные сенсорные датчики допускают большее количество срабатываний.

В 8-проводных резистивных датчиках касания каждый край датчика образует линию чувствительности. Эти чувствительные линии действуют как стабильный градиент напряжения для сенсорного контроллера. Фактические базовые уровни напряжения в области касания сообщаются этими измерительными линиями контроллеру. Это самый точный тип резистивных сенсорных датчиков.

Любой предмет, например палец, стилус, ручка, палец в перчатке и т. Д.используются для оказания давления на резистивные сенсорные датчики, в основном они используются в суровых условиях. Но время отклика резистивных сенсорных датчиков меньше, чем у емкостных сенсорных сенсоров. Следовательно, емкостные сенсорные датчики постепенно заменяют их.

НАЗАД К НАЧАЛУ

ПРЕДЫДУЩАЯ - ИК-ДАТЧИК

Проектирование печатных плат емкостного сенсорного датчика в Altium Designer

Захария Петерсон

| & nbsp Создано: 10 ноября 2020 г.

Если вы знакомы с тем, как работают смартфоны и другие устройства с сенсорными экранами, то вы уже знакомы с емкостными сенсорными датчиками.Эти датчики не только позволяют сенсорным экранам отличать пальцы от других объектов. Многие датчики используют емкостное зондирование, датчики для измерения приближения, смещения, силы, влажности и уровня жидкости. Учитывая количество устройств HMI, которые, по прогнозам, станут востребованными в ближайшем будущем, инженерам нужны инструменты для проектирования и моделирования этих датчиков непосредственно на печатных платах. Altium Designer содержит все функции, необходимые для проектирования печатных плат емкостного сенсорного датчика, и многое другое.

ALTIUM DESIGNER ®

Единственный пакет для проектирования печатных плат с полным набором инструментов для емкостных сенсорных датчиков для проектирования печатных плат и многого другого.

Эра Интернета вещей уже наступила, и новые устройства становятся доступными для взаимодействия с окружающей средой и людьми. Этим устройствам требуются массивы датчиков для сбора данных, а также возможности обработки для обработки, хранения и передачи этих данных в облако. Одним из типов датчиков с широкими функциональными возможностями являются емкостные датчики, которые преобразуют изменение емкости и результирующий ток в результате зарядки или разрядки в цифровой сигнал.

Когда дело доходит до конструкции печатной платы емкостного сенсорного экрана, конструкция и компоновка печатной платы играют решающую роль в определении характеристик сенсора устройства.Правильная компоновка для вашего датчика может максимизировать чувствительность датчика и снизить паразитную емкость, что помогает максимизировать отношение сигнал / шум для этих устройств. С помощью правильных инструментов проектирования вы можете легко интегрировать емкостные сенсорные датчики в свою следующую печатную плату.

Для проектирования емкостного датчика касания на печатной плате необходимо определить, воспользуетесь ли вы преимуществами изменений собственной емкости или взаимной емкости чувствительного элемента. Сенсорным датчиком можно легко управлять с помощью MCU.Самостоятельному емкостному датчику требуется только один входной вывод (Rx), который будет использоваться для восприятия сигнала от сенсорного датчика, в то время как общий емкостной датчик использует выводы Tx и Rx для приема сигнала от датчика.

Если вы не используете имеющийся в продаже емкостной сенсорный датчик, вам нужно будет напечатать проводники для вашего датчика прямо на вашей плате. Затем вам нужно будет соединить ваши проводники с непрерывной заземляющей пластиной, которая проходит под каждым проводником. При использовании взаимного емкостного сенсорного датчика вам нужно будет отправить поток битов от вывода Tx к одному проводнику, а другой проводник останется плавающим при подключении к выводу Rx.С емкостным сенсорным датчиком вам нужно беспокоиться только о подключении контакта Rx к вашему проводнику.

Печать сенсорных элементов с помощью инструментов САПР

Правильные инструменты САПР в программном обеспечении для проектирования печатных плат позволят вам выполнить две важные задачи при проектировании емкостных сенсорных датчиков. Во-первых, вы можете точно определить размер и разметку проводов, необходимых для вашего датчика. Во-вторых, вы можете получить доступ к 3D-модели диэлектрической крышки сенсорного сенсора и разместить ее прямо на сенсоре.

Это всего лишь несколько примеров массивов проводников, которые вы можете создать с помощью инструментов САПР в Altium Designer

.

Емкостный сенсорный датчик может использоваться для ряда приложений. В дополнение к датчику прямого контакта между пальцем человека и диэлектриком, емкостной датчик касания может быть настроен на определение близости без прямого контакта с датчиком. Эти датчики также могут быть разработаны для измерения точного положения пальца на датчике.С некоторыми дополнительными вычислениями в MCU этот же массив можно настроить для обнаружения движения по датчику. Если важно избегать помех от воды, лучше использовать взаимный емкостный датчик касания.

Разработка приложений для емкостного распознавания касаний

Так же, как датчик, измеряющий прямой статический контакт с пальцем человека, программное обеспечение для проектирования печатных плат для емкостных сенсорных датчиков требует точных инструментов САПР, которые не ограничивают расположение проводников определенной геометрией.Имея правильные библиотеки компонентов, вы можете легко добавлять модели для поддерживающей электроники на свою печатную плату и создавать законченное решение для емкостного сенсорного датчика.

Доступ к компонентам в унифицированных библиотеках компонентов

Сенсоры

- это обманчиво простые элементы, но для их проектирования требуются правильные инструменты САПР и компоновки. Ваши инструменты САПР должны позволять вам определять заливку меди в любой геометрии, которую вы можете себе представить, и вам понадобится диспетчер стека слоев, чтобы разместить плоскости заземления и питания в нужных местах в стеке слоев.С Altium Designer у вас будет доступ ко всем этим и многому другому в единой среде проектирования.

Используйте Altium Designer для вашей следующей печатной платы емкостного сенсорного датчика

Altium Designer содержит важные инструменты, необходимые для проектирования печатной платы емкостного сенсорного датчика, а также множество других инструментов, которые помогут вам интегрировать эти датчики с другими компонентами. Это программное обеспечение для проектирования включает в себя полную иерархию проектирования, которая стандартизирует ваши проектные данные и помогает беспрепятственно переходить к производству в рамках единой среды проектирования.Ни одно другое программное обеспечение для проектирования не предлагает такого уровня интеграции.

На других платформах проектирования отсутствуют функциональные возможности, необходимые для разработки заказных емкостных сенсорных датчиков непосредственно на печатной плате. Вместо этого вы будете ограничены функциональностью, предлагаемой имеющимися в продаже датчиками, а другие программы могут не включать модели для этих компонентов. Вместо этого вам нужно работать с единственным интегрированным программным обеспечением для проектирования, которое включает поддержку огромного количества компонентов и объединяет все ваши важные инструменты проектирования в единую программу.

Выбрав Altium Designer, вы всегда будете иметь доступ к ресурсам, необходимым для успешного проектирования. От форума AltiumLive до подкастов и обширной базы знаний у вас будет множество ресурсов, которые помогут вам добиться успеха в дизайне. Пришло время переключиться на лучшую платформу для проектирования печатных плат на рынке. Пришло время попробовать Altium Designer.

Емкостные датчики

: привлекательный вариант для бесконтактных датчиков

Загрузите эту статью в формате.Формат PDF

Емкостное зондирование - это метод бесконтактного зондирования с множеством приложений, начиная от зондирования приближения (Рис. 1) , распознавания жестов, автомобильных датчиков дождя и дистанционного определения уровня жидкости до обработки материалов и профилирования металла с высоким разрешением. Как мы узнаем, он даже используется для создания музыки.

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee21097c" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing F1 "data-embed-src =" https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2016/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_02_0316_TI_CapSensing_F1.png?auto=format&fit=max&w= Caption] Датчики приближения = 900% caption49 "data-embed" 900-embed доступны в прочных корпусах для промышленного применения (любезно предоставлено Automation Direct)

Датчик в емкостной сенсорной системе может быть из любого металла или проводника, что обеспечивает очень гибкую конструкцию системы.Благодаря низкому энергопотреблению, низкой стоимости и высокому разрешению емкостные датчики заменяют индуктивные, оптические и ультразвуковые технологии во многих приложениях.

Хотя емкостный датчик может быть таким же простым, как выделенная область на печатной плате, для разработчиков систем существует множество других вариантов, включая устройства со встроенной электроникой.

Емкостное считывание - это не то же самое, что емкостное прикосновение, родственная технология, оптимизированная для выполнения функции цифрового переключателя.В системе с емкостным сенсорным управлением часто используется много каналов в ряду и столбце; подумайте о сенсорном экране мобильного телефона или планшета. Для работы требуется контакт, и он работает на небольшом расстоянии - максимум несколько миллиметров. Обнаружение, а не прикосновение

Напротив, емкостный датчик представляет собой аналоговую систему, которая работает на расстояниях до 70 см. Он имеет гораздо большую чувствительность и точность, поскольку он должен разрешать изменения емкости в несколько пикофарад.

Принципы емкостного измерения

Емкость системы представляет ее способность накапливать электрический заряд и является фундаментальным электрическим свойством.Конденсатор - это компонент, используемый для хранения электрической энергии в электрическом поле; простейшая модель состоит из двух электрических проводников или пластин, разделенных изолирующим диэлектриком (рис. 2) .

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee21097e" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing F2 "data-embed-src =" https: //img.electronicdesign.com / files / base / ebm / electronicdesign / image / 2016/04 / electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_02_0316_TI_CapSensing_F2.png? auto = format & fit = max & w = 1440 "data-embed-caption =" "]} Модель%
2 простейшая. состоит из заряженной пластины, диэлектрика и земли. Диэлектрик находится между двумя пластинами. Емкость зависит от площади пластины, материала диэлектрика и расстояния между ними. (Любезно предоставлено TI)

Для конденсатора, показанного на рис.2 емкость в фарадах определяется как:

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee210980" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing Equation "data-embed-src =" https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2016/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_02_Caploads_2015_02_03 = format & fit = max & w = 1440 "data-embed-caption =" "]}%

где:

A = площадь пластин (Ш x Д)

d = расстояние между пластинами в метрах

ε r = диэлектрическая проницаемость материала между пластинами

ε 0 = диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8.85 x 10-12 Ф / м)

Когда сенсорная пластина заряжена, она создает электрическое поле (рис. 3) .

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee210982" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = »Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузки файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing F3 "data-embed-src =" https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2016/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_02_03png? auto = format & fit = max & w = 1440 "data-embed-caption =" "]}%
3. Электрическое поле конденсатора с параллельными пластинами равномерно между пластинами, но может распространяться далеко от пластин и включать эффекты окантовки вблизи края пластины (любезно предоставлено TI)

Превращение конденсатора в датчик

Как превратить это устройство в емкостной датчик? Рисунок 4 показывает три варианта.

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee210984" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing F4 "data-embed-src =" https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2016/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_02_0316_TI_CapSensing_F4.png?auto=format&fit=max&w=1440}% topologies для 900-встраиваемых данных датчики: датчик приближения с использованием пальца в качестве заземляющей пластины (a), измерение уровня жидкости с параллельным датчиком и заземлением (b), а также обнаружение и анализ материала (c) (любезно предоставлено TI)

Датчик приближения формируется путем создания изолированной сенсорной пластины из проводящей области на печатной плате и ее зарядки.Тогда конденсатор будет формироваться каждый раз, когда заземленный проводящий объект или объект с диэлектрической проницаемостью, отличной от воздуха, приближается к пластине датчика. Палец подходит, потому что человеческое тело по существу находится под потенциалом земли.

Емкость увеличивается по мере приближения пальца к датчику. Несмотря на то, что изменение является нелинейным, обнаруживаемой разницы достаточно для обнаружения приближения.

Чтобы расширить это до датчика жестов , мы можем использовать несколько независимых датчиков для обнаружения вверх / вниз и влево / вправо (рис.5) . Когда палец перемещается по датчикам, он изменяет емкость всех четырех датчиков. Многоканальный детектор считывает все четыре значения; затем программное обеспечение может рассчитать скорость и направление на основе разницы в показаниях.

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee210986" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing F5 "data-embed-src =" https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2016/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_02_0316_TI_CapSensing_F5.png?auto=format&fit=fit=max&w=1440} "требуется четыре-встраивание данных" data49-embed49. емкостные датчики приближения и многоканальный преобразователь. (Предоставлено автором)

Во многих приложениях, таких как хранение химикатов, управление производственными процессами или промывочные машины, необходимо определять уровень жидкости .В этом случае пластины датчика и заземления могут быть расположены рядом друг с другом, как показано на рис. 4b, что дает конфигурацию с высокой чувствительностью вдоль вертикального доступа.

При изменении уровня жидкости изменяется значение диэлектрической проницаемости и, следовательно, емкость. Эта конфигурация датчика использует линии периферийного поля; таким образом, расчет емкости более сложен, чем в случае простой пластины.

Датчик для анализа материалов состоит из базовой топологии пластины, показанной на рис.4с с анализируемым материалом - например, бумагой - изменяющей диэлектрическую проницаемость между пластинами при его добавлении или удалении. Ненагруженный датчик имеет воздушный диэлектрик и служит эталонной емкостью. Затем емкость увеличивается, когда между пластинами вставляется бумага или другой материал.

Конечно, это не единственные конфигурации датчиков. Другие варианты включают расположение нескольких датчиков и заземления, как отдельных, так и расположенных в виде взаимосвязанной гребенки, что требует большой площади датчика и высокой чувствительности.

Экранирование и емкостное зондирование

Одна проблема с емкостным датчиком приближения заключается в том, что силовые линии будут течь от сенсорной пластины к любому ближайшему потенциалу земли. В идеале обнаруживаемая цель будет иметь доминирующее влияние. Однако многочисленные паразиты (например, плоскости земли или следы земли) обычно уводят заряд и уменьшают чувствительность датчика и расстояние обнаружения. Это особая проблема в среде, чувствительной к шуму, поскольку плоскости заземления являются стандартным дизайнерским решением.

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee210988" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = »Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing F6 "data-embed-src =" https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2016/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_02_03 = format & fit = max & w = 1440 "data-embed-caption =" "]}%
6.Влияние паразитных характеристик печатной платы (a) на характеристики датчика можно уменьшить, если подключить экранирующие электроды (b). Драйверы Shield включены в устройства интерфейса емкостных датчиков и специализированные микроконтроллеры. (С любезного разрешения TI)

Добавление активного экрана может помочь уменьшить паразитные помехи и помехи окружающей среды, а также позволить датчику работать на полную мощность (рис. 6) . Хорошо спроектированный активный экран также сфокусирует выходной сигнал датчика и направит его в желаемом направлении.

Драйвер экрана - это активный выход, на который подается то же напряжение, что и на входе датчика. Следовательно, нет разницы потенциалов между экраном и входом датчика. Любые внешние помехи будут воздействовать на экранирующий электрод с минимальным взаимодействием с сенсорным электродом.

Блок-схема интерфейса емкостного датчика

Специализированный аналоговый интерфейс преобразует сигнал емкостного датчика в цифровое значение, пригодное для дальнейшей обработки (рис.7) . Он периодически производит выборку выходного сигнала сенсора и выдает сигнал возбуждения для зарядки сенсорной пластины. Частота дискретизации выходного сигнала датчика относительно невысока - менее 500 выборок в секунду, - но аналого-цифровое преобразование с высоким разрешением необходимо для выявления небольших различий в емкости. 16-разрядный сигма-дельта АЦП обеспечивает хороший компромисс между скоростью, разрешением и низким энергопотреблением.

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee21098a" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing F7 "data-embed-src =" https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2016/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_02_0316_TI_CapSensing_F7.png?auto=format&fit=max&w=1440}% -встроить данные В измерительном устройстве ступенчатая форма волны возбуждения заряжает электрод датчика. Затем заряд передается в схему выборки и хранения и измеряется аналого-цифровым преобразователем. (Любезно предоставлено TI)

Многоканальное устройство может выполнять дифференциальные измерения для получения точного представления разницы емкостей между двумя датчиками.Например, если факторы окружающей среды вызывают колебания емкости, один канал можно выделить для датчика окружающей среды, который отслеживает изменения диэлектрической проницаемости, вызванные температурой, влажностью, типом материала, нагрузкой на материал и т. Д. Дифференциальное измерение может обнулить изменения, вызванные этими переменными.

Для некоторых приложений также важны ратиометрические измерения. При измерении уровня жидкости один канал измеряет емкость, связанную с уровнем жидкости; второй канал предназначен для эталонного датчика, который измеряет емкость нулевого уровня.Поскольку емкость уровня пропорциональна высоте жидкости, логометрическое измерение измеряет соотношение или разницу между датчиком уровня и эталоном.

Емкостный датчик на основе ЖК

Одной из проблем емкостного считывания является появление паразитных шумов. Модификация датчика с включением в него частотно-чувствительного компонента - полезный способ повысить помехозащищенность. В дополнение к элементу переменного конденсатора к датчику добавляются дополнительный конденсатор и катушка индуктивности для формирования резонансной индуктивной цепи резервуара (рис.8) .

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee21098c" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing F8 "data-embed-src =" https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2016/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_02_03 = format & fit = max & w = 1440 "data-embed-caption =" "]}%
8.Показаны контур резервуара LC (a) и его характеристическая кривая (b). Узкополосный отклик позволяет подавлять внеполосный шум. (С любезного разрешения TI)

Хотя архитектура резервуара LC проста, он имеет несколько основных преимуществ, если он интегрирован как часть емкостного датчика (рис. 9) . Во-первых, из-за присущих ему узкополосных характеристик LC-резонатор обеспечивает отличную устойчивость к электромагнитным помехам (EMI). Во-вторых, если известно, что источники шума существуют на определенных частотах, смещение рабочей частоты датчика может отфильтровать эти источники шума без использования внешних схем.Это поможет повысить чувствительность системы и упростить ее.

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee21098e" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left" data-embed-alt = "Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing F9 Big "data-embed-src =" https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2016/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_TI_02_02_png? auto = format & fit = max & w = 1440 "data-embed-caption =" "]}%
9. Интегрированная реализация многоканальной емкостной сенсорной системы на основе LC (любезно предоставлено TI) (Щелкните изображение, чтобы увеличить.)

При таком подходе изменение емкости LC-контура рассматривается как сдвиг резонансной частоты. Компания TI применила этот принцип в своем FDC2214, преобразователе емкости в цифровой, который измеряет частоту колебаний датчика на основе LC-резонатора. Устройство выводит цифровое значение, пропорциональное частоте.Это измерение частоты может быть преобразовано в эквивалентную емкость нисходящим MCU.

Пора сделать перерыв!

А теперь о чем-то совершенно другом ... в дополнение к его многочисленным промышленным применениям, можно даже использовать емкостное считывание для создания музыки. Терменвокс, изобретенный в 1919 году Леоном Терменом, может воспроизводить звуки в диапазоне семи октав (рис. 10) . Каждая из рук исполнителя изменяет емкость LC-цепи, регулируя громкость и высоту звука с помощью двух независимых гетеродинных цепей.

% {[data-embed-type = "image" data-embed-id = "5df275eef6d5f267ee210990" data-embed-element = "aside" data-embed-align = "left» data-embed-alt = "Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2015 02 0316 Ti Cap Sensing F10 "data-embed-src =" https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2016/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2015_02_03 = format & fit = max & w = 1440 "data-embed-caption =" "]}%
10.Терменвокс использует емкостное зондирование для создания устрашающе красивой музыки. Левая рука исполнителя контролирует высоту тона; правая регулирует громкость. (С любезного разрешения TED.com)

В действии исполнительница выглядит так, как будто она просто машет руками рядом с двумя радиоантеннами, но звуки напоминают голос, скрипку и даже бас. Вот видео, на котором терменвокс Памелия Курстин объясняет технику и исполняет две старые джазовые мелодии. Как вы понимаете, создание музыки таким способом требует точного контроля положения руки и кисти.Неожиданное чихание или кашель могут иметь катастрофические последствия!

Заключение

Емкостное зондирование - это гибкая технология, которая становится все более популярной. Создание датчика может быть таким же простым, как добавление проводящей области к печатной плате, и легко доступны недорогие интегральные интерфейсные микросхемы. Его низкая стоимость и низкое энергопотребление делают его идеальным выбором для широкого спектра потребительских и промышленных приложений.

Ищете запчасти? Зайдите в SourceESB.

Датчики емкости для интерфейса человека с электронным оборудованием

Q: Что такое датчик емкости?

A: Датчики емкости обнаруживают изменение емкости, когда что-то или кто-то приближается к датчику или касается его. Этот метод уже много лет используется в промышленности для измерения уровня жидкости, влажности и состава материала. Новое приложение, получившее широкое распространение, связано с интерфейсами человек-машина.Механические кнопки, переключатели и поворотные колеса долгое время использовались в качестве интерфейса между пользователем и машиной. Однако из-за множества недостатков дизайнеры интерфейсов все чаще ищут более надежные решения. Емкостные датчики можно использовать так же, как кнопки, но они также могут работать с большей универсальностью, например, при использовании полосы прокрутки на 128 позиций.

Интегральные схемы, специально разработанные для измерения емкости в приложениях интерфейса человек-машина, теперь доступны от Analog Devices.Например, AD7142 и AD7143 могут стимулировать до 14 и до восьми емкостных датчиков и реагировать на них соответственно. Они обеспечивают возбуждение емкостного датчика, определяют изменения емкости, вызванные приближением пользователя, и выдают цифровой выходной сигнал.

Q : Как работает измерение емкости?

A : Базовый датчик включает приемник и передатчик, каждый из которых состоит из металлических дорожек, сформированных на слоях печатной платы (PCB).Как показано на рис. 1, AD714x имеет встроенный источник возбуждения, который подключен к дорожке передатчика сенсора. Между приемником и следом передатчика образуется электрическое поле. Большая часть поля сосредоточена между двумя слоями печатной платы датчика. Однако граничное электрическое поле распространяется от передатчика за пределы печатной платы и возвращается обратно в приемник. Напряженность поля в приемнике измеряется встроенным сигма-дельта-емкостным преобразователем емкости в цифровой.Электрическая среда изменяется, когда человеческая рука вторгается в периферийное поле, при этом часть электрического поля шунтируется на землю, а не заканчивается на приемнике. Результирующее уменьшение емкости - порядка фемтофарад по сравнению с пикофарадами для основной части электрического поля - обнаруживается преобразователем.

Рисунок 1. Чувствительная емкость.

В общем, решение для измерения емкости состоит из трех частей, все из которых могут быть предоставлены Analog Devices.

  • ИС драйвера, обеспечивающая возбуждение, преобразователь емкости в цифровой и схему компенсации для обеспечения точных результатов в любых условиях.
  • Датчик - печатная плата с рисунком следов, например кнопок, полос прокрутки, колесика прокрутки или некоторой их комбинации. Следы могут быть медными, углеродными или серебряными, а печатная плата может быть FR4, гибкой, ПЭТ или ITO.
  • Программное обеспечение на главном микроконтроллере для реализации последовательного интерфейса и настройки устройства, а также процедуры обслуживания прерываний. Для датчиков с высоким разрешением, таких как полосы прокрутки и колеса, хост запускает программный алгоритм для достижения вывода с высоким разрешением. Для кнопок не требуется никакого программного обеспечения.
Рис. 2. Трехкомпонентное решение для измерения емкости.

Q : Каковы преимущества емкостного измерения?

A : Датчики емкости более надежны, чем механические датчики, по ряду причин. В нем нет движущихся частей, поэтому датчик не изнашивается, он защищен покровным материалом, например пластиковой крышкой MP3-плеера. Люди никогда не контактируют напрямую с датчиком, поэтому его можно изолировать от грязи или утечек.Это делает емкостные датчики особенно подходящими для устройств, которые необходимо регулярно чистить, поскольку датчик не будет поврежден агрессивными абразивными чистящими средствами, а также для портативных устройств, где вероятность случайного разлива (например, кофе) немалая.

Q : Расскажите подробнее о том, как работают микросхемы AD714x.

A : Эти преобразователи емкости в цифровые разработаны специально для измерения емкости в приложениях с интерфейсом пользователя.Ядром устройств является 16-битный сигма-дельта-емкостной преобразователь емкости в цифровой (CDC), который преобразует емкостные входные сигналы (маршрутизируемые коммутационной матрицей) в цифровые значения. Результат преобразования сохраняется во встроенных регистрах. Источником возбуждения на кристалле является прямоугольный сигнал частотой 250 кГц.

Хост считывает результаты через последовательный интерфейс. AD7142, доступный с интерфейсами, совместимыми с SPI ® или I 2 C ® , имеет 14 входных контактов емкости.AD7143 с интерфейсом I 2 C имеет восемь входных контактов емкости. Последовательный интерфейс, наряду с выходом прерывания, позволяет устройствам легко подключаться к главному микроконтроллеру в любой системе.

Рисунок 3. Блок-схема AD7142.

Эти устройства взаимодействуют с 14 внешними датчиками емкости, расположенными в виде кнопок, полос, колесиков или комбинации типов датчиков. Внешние датчики состоят из электродов на двух- или четырехслойной печатной плате, которая напрямую взаимодействует с ИС.

Устройства можно настроить для взаимодействия с любым набором входных датчиков путем программирования регистров на кристалле. Регистры также можно запрограммировать для управления такими функциями, как усреднение и регулировка смещения для каждого из внешних датчиков. Встроенный секвенсор управляет тем, как опрашивается каждый из емкостных входов.

AD714x также включает встроенную цифровую логику и 528 слов ОЗУ, которые используются для компенсации воздействия окружающей среды. Влажность, температура и другие факторы окружающей среды могут влиять на работу емкостных датчиков; таким образом, прозрачно для пользователя, устройства выполняют непрерывную калибровку, чтобы компенсировать эти эффекты, всегда давая безошибочные результаты.

Одной из ключевых функций AD714x является регулировка чувствительности, при которой каждому датчику присваиваются разные настройки чувствительности, контролирующие, насколько мягким или жестким должно быть прикосновение пользователя для активации датчика. Эти независимые настройки для порогов срабатывания , которые определяют, когда датчик активен, жизненно важны при рассмотрении работы датчиков разного размера. Возьмем, к примеру, приложение, в котором есть большая кнопка диаметром 10 мм и маленькая кнопка диаметром 5 мм.Пользователь ожидает, что оба активируются с одинаковым давлением касания, но емкость зависит от площади сенсора, поэтому для сенсора меньшего размера требуется более сложное касание для его активации. Конечному пользователю не нужно нажимать одну кнопку сильнее, чем другую для того же эффекта, поэтому наличие независимых настроек чувствительности для каждого датчика решает эту проблему.

Q : Как учитывается окружающая среда?

A : AD714x непрерывно измеряет уровень емкости датчика.Когда датчик не активен, измеренное значение емкости сохраняется как значение окружающей среды . Когда пользователь приближается к датчику емкости или касается его, измеренная емкость уменьшается или увеличивается. Уровни пороговой емкости хранятся во встроенных регистрах. Когда измеренное значение емкости превышает верхний или нижний пороговые пределы, датчик считается активным, как показано на рисунке 4, и выдается сигнал прерывания.

Рисунок 4. Активация датчика.

На рис. 4 показана идеальная ситуация, когда значение емкости окружающей среды не меняется.На самом деле емкость окружающей среды постоянно и непредсказуемо изменяется из-за изменений температуры и влажности. Если значение емкости окружающей среды изменится в достаточной степени, это может повлиять на активацию датчика. На рисунке 5 значение емкости окружающей среды увеличивается; Датчик 1 активируется правильно, но когда пользователь пытается активировать датчик 2, возникает ошибка. Окружающее значение увеличилось, поэтому изменение емкости, измеренной датчиком 2, недостаточно велико, чтобы снизить значение ниже нижнего порога.Датчик 2 теперь не может быть активирован, независимо от того, что делает пользователь, поскольку его емкость не может упасть ниже нижнего порога в этих обстоятельствах. Хуже всего то, что уровень внешней емкости продолжает увеличиваться, пока не превысит верхний порог. В этом случае датчик 1 станет активным, даже если пользователь не активировал его, и он будет оставаться активным - датчик будет «зависать» - до тех пор, пока окружающая емкость не упадет.

Рисунок 5. Активация датчика при изменении окружающей емкости.Встроенные логические схемы

работают с эффектами изменения уровней внешней емкости. Как показано на рисунке 6, пороговые уровни непостоянны; они отслеживают любые изменения уровня внешней емкости, сохраняя фиксированное расстояние от уровня окружающей среды, чтобы гарантировать, что изменение емкости из-за активации пользователя всегда будет достаточным для превышения пороговых уровней. Пороговые уровни автоматически адаптируются встроенной логикой и сохраняются во встроенном ОЗУ. Никаких действий со стороны пользователя или хост-процессора не требуется.

Рисунок 6. Активация датчика с автоподстройкой пороговых значений.

Q : Как применяется измерение емкости?

A : Как отмечалось ранее, сенсорные следы могут иметь любое количество различных форм и размеров. Кнопки, колеса, полоса прокрутки, джойстик и тачпад можно расположить в виде дорожек на печатной плате датчика. На рис. 7 показаны некоторые схемы расположения емкостных датчиков.

Датчик

Рисунок 7.Подбор емкостных датчиков.

Разработчику доступно множество вариантов реализации пользовательского интерфейса, от простой замены механических кнопок емкостными кнопочными датчиками до исключения кнопок с помощью джойстика с восемью выходными положениями или колеса прокрутки, обеспечивающего 128 выходных положений.

Количество датчиков, которые могут быть реализованы с использованием одного устройства, зависит от типа требуемых датчиков. AD7142 имеет 14 входных контактов емкости и 12 каналов преобразования.AD7143 имеет восемь емкостных входов и восемь каналов преобразования. В таблице ниже показано количество входных контактов и ступеней преобразования, необходимых для каждого типа датчика. Можно комбинировать любое количество датчиков, вплоть до предела, установленного количеством доступных входов и каналов.

Тип датчика Количество необходимых входов C IN Количество необходимых каналов преобразования
Кнопка 1 1 (0.5 для дифференциального режима)
8-позиционный переключатель 4 - сверху, снизу, слева и справа 3
Слайдер 8–1 на сегмент 8–1 на сегмент
Колесо 8–1 на сегмент 8–1 на сегмент

Клавиатура

Сенсорная панель

1 на строку, 1 на столбец 1 на строку, 1 на столбец

Измерения выполняются на всех подключенных датчиках последовательно - в «циклическом» режиме.Тем не менее, все датчики могут быть измерены в течение 36 мс, что позволяет практически одновременно определять состояние каждого датчика, поскольку пользователю потребуется очень быстро активировать или деактивировать датчик в течение 40 мс.

Q : Какую помощь в дизайне вы можете предложить начинающим пользователям?

A : Компания Analog Devices предлагает ряд ресурсов для разработчиков емкостных датчиков. Первый шаг в процессе проектирования - решить, какие типы датчиков необходимы в приложении.Потребуется ли пользователю быстро просматривать длинные списки, такие как контакты на телефоне или песни на MP3-плеере? Если да, то подумайте об использовании полосы прокрутки или колеса прокрутки, чтобы пользователь мог быстро и эффективно просматривать эти списки. Потребуется ли пользователю управлять курсором, перемещающимся по экрану? Джойстик X-Y подойдет для этого приложения. После определения типа, количества и размеров требуемых датчиков можно приступать к проектированию печатной платы датчика.

Как часть ресурсов проектирования, доступных для измерения емкости, библиотека компоновки Mentor Graphics PADs доступна в Интернете.В этой библиотеке доступно множество датчиков различных типов и размеров в виде компонентов, которые можно перетаскивать непосредственно в компоновку печатной платы. Библиотека доступна как интерактивная часть блок-схемы системы сенсорного контроллера. Также доступна инструкция по применению AN-854, в которой содержатся подробные сведения, советы и рекомендации о том, как использовать библиотеку датчиков для быстрого размещения требуемых датчиков.

При разработке печатной платы разместите AD7142 или AD7143 на той же плате, что и датчики, чтобы минимизировать вероятность системных ошибок из-за перемещения разъемов и изменения емкости.Другие компоненты, светодиоды, разъемы и другие микросхемы, например, могут находиться на той же печатной плате, что и датчики емкости, но печатная плата датчика должна быть приклеена или приклеена к покрывающему материалу для предотвращения воздушных зазоров над датчиками, поэтому размещение любые другие компоненты на печатной плате должны учитывать это.

Для приложений, в которых возникает проблема радиочастотного шума, можно использовать RC-фильтр, чтобы минимизировать любые помехи для датчиков. Использование заземляющего покрытия вокруг датчиков также минимизирует любые помехи.

Печатная плата может состоять из двух или четырех слоев. Четырехслойная конструкция должна использоваться, когда за пределами активных областей датчика нет места для прокладки маршрута между ИС и датчиками, но можно использовать двухслойную конструкцию, если места для маршрутизации достаточно. Максимально допустимое расстояние между дорожками датчика и контактом емкостного входа составляет 10 см, но один датчик может располагаться на расстоянии 10 см от контактов в одном направлении, а другой - на 10 см от контактов в противоположном направлении, что дает возможность 20 см между датчиками.

Q : Моя печатная плата датчика готова, что теперь?

A : Емкость, как известно, сложно смоделировать, поэтому отклик датчика в каждом приложении необходимо охарактеризовать, чтобы обеспечить оптимальную настройку AD7142 / AD7143 для этого приложения. Этот процесс определения характеристик должен выполняться только один раз для каждого приложения, с одинаковыми значениями настройки, которые затем используются для каждого отдельного продукта.

Датчики охарактеризованы в приложении.Это означает, что любой покрывающий материал должен быть на месте поверх датчика, а любые другие печатные платы или компоненты, которые могут влиять на работу датчика, должны быть размещены вокруг датчика.

Для каждого канала конверсии нам нужно настроить:

  • Внутреннее соединение входного контакта C IN устройства с преобразователем. Это гарантирует, что каждый датчик подключен к преобразователю через один канал преобразования.
  • Значение смещения датчика, для смещения для C BULK .Это емкость, связанная с электрическим полем, которое ограничено внутри печатной платы между электродами передатчика и приемника. Это значение не изменяется, когда датчик активен, а вместо этого обеспечивает постоянное смещение для значения емкости полосы измерения.
  • Начальные значения для верхнего и нижнего регистров смещения. Эти значения используются внутренней логикой для определения порога активации для каждого датчика.

Самый простой способ выполнить определение характеристик - это подключить печатную плату датчика к оценочной плате AD7142 / AD7143, которую можно приобрести в компании Analog Devices.Микроконтроллер и программное обеспечение, включенные в оценочную плату, можно использовать для определения характеристик отклика датчика и сохранения значений настройки.

Q : Какой ответ я могу ожидать?

A : Практическая реакция датчика определяется изменением выхода преобразователя, когда датчик переходит из неактивного состояния в активное. Это изменение будет зависеть от площади датчика - чем больше площадь датчика, тем больше изменение, когда датчик активен.Отклик сенсора также будет зависеть от толщины укрывающего материала - если он очень толстый (4 мм и более), отклик сенсора будет минимальным. Причина в том, что электрическое поле не проникает сквозь очень толстый покрывающий материал, поэтому пользователь не сможет шунтировать достаточное количество поля на землю, чтобы вызвать большой отклик. На рис. 8 показан типичный отклик кнопочного сенсора. В этом случае он показывает изменение примерно на 250 младших битов между активным и неактивным датчиком.

Рисунок 8. Типичный отклик кнопочного сенсора.

Q : Вы упомянули программное обеспечение?

A : Взаимодействие между хост-процессором и AD7142 / AD7143 осуществляется по прерыванию. Хост реализует последовательный интерфейс: SPI или I 2 C. AD7142 / AD7143 прерывает работу хоста при прикосновении к датчику. Затем хост может считывать данные из регистров на кристалле. Если датчики являются кнопками или другими датчиками простого включения / выключения, хост просто считывает данные из регистров состояния на кристалле; активная кнопка вызывает установку бита в регистре состояния.Однако, если датчики имеют выход с высоким разрешением, программный алгоритм должен работать в программе обработки прерывания хоста для обработки данных AD7142 / AD7143.

Код предоставляется бесплатно или в виде отчислений клиентам, подписавшим лицензионное соглашение с Analog Devices. Для полосы прокрутки код обычно занимает 500 байт памяти данных и 8 Кбайт памяти кода. Для колеса прокрутки код обычно занимает 600 байт памяти данных и 10 Кбайт памяти кода.

Analog Devices предоставляет образцы драйверов, написанных на C-коде, для базовой конфигурации, сенсоров кнопок и 8-позиционных переключателей, использующих SPI- и I 2 C-совместимые интерфейсы.Образцы драйверов для колес прокрутки и полос прокрутки доступны после подписания лицензии на программное обеспечение.

Q : Идеи по сборке моего готового продукта?

A : Не допускается наличие воздушного зазора между печатной платой датчика и материалом покрытия или корпусом продукта, поскольку его наличие приведет к тому, что меньшее электрическое поле будет распространяться над пластиком, уменьшая реакцию датчика. Кроме того, пластик или другой покрывающий материал может изгибаться при контакте, заставляя пользователя взаимодействовать с переменным электрическим полем и приводя к нелинейному отклику датчика.Таким образом, печатная плата датчика должна быть приклеена к покрывающему материалу, чтобы предотвратить образование воздушных зазоров.

Кроме того, вокруг датчиков не должно быть плавающего металла. Требуется расстояние 5 см « Keep Out ». Металл ближе к датчикам, чем на 5 см, должен быть заземлен, но не может быть металла ближе к датчикам, чем на 0,2 мм.

Наконец, толщина пластика, закрывающего активные области датчика, должна составлять около 2 мм. Сенсор большего размера следует использовать с более толстым пластиком; и пластика толщиной до 4 мм.

Заключение

Датчики емкости - это новая технология для интерфейса человек-машина, которая быстро становится предпочтительной технологией для целого ряда различных продуктов и устройств. Датчики емкости обеспечивают инновационные, но простые в использовании интерфейсы для широкого спектра портативных и потребительских товаров. Простые в проектировании, они используют стандартные технологии изготовления печатных плат и более надежны, чем механические переключатели. Они дают промышленному дизайнеру свободу сосредоточиться на дизайне, зная, что можно положиться на емкостные датчики, чтобы получить высокопроизводительный интерфейс, соответствующий дизайну.Разработчик может извлечь выгоду из портфеля технологий и продуктов ИС компании Analog Devices, а также получить опыт, а также доступные аппаратные и программные инструменты, которые сделают проектирование датчиков емкости максимально простым и быстрым.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *