Емкостные датчики и принципы их работы

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

Как работает такой измеритель

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

Про конденсатор, его характеристики

Как известно, емкость конденсатора определяется формулой

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

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

Принцип работы емкостного измерителя

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

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

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

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

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

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

Какие бывают датчики

Все измерители на основе ёмкостного сенсора можно разделить на:

Необходимо отметить, что конструктивно емкостные датчики могут быть:

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

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

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

Одноемкостные датчики

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

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

Двухемкостные датчики

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

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

Датчики уровня

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

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

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

Датчики линейного перемещения

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

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

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

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

Датчики углового перемещения

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

Для повышения точности измерения чаше всего используют многосекционные преобразователи.

Инклинометр

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

Датчик давления

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

Емкостные датчики прикосновения

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

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

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

Датчик на основе собственной емкости

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

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

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

Как изменить состояние кнопки

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

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

Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью

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

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

Тело обладает собственной проводимостью

Это давно установленный факт.

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

Использование емкостных датчиков прикосновения

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

Датчики присутствия

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

Как это работает

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

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

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

Еще один способ обнаружения присутствия

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

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

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

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

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

Возможные сферы применения датчиков

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

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

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

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

Преимущества емкостных датчиков

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

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

Недостатки датчиков

Однако для таких измерителей характерны и некоторые недостатки:

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

Где купить

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

Переходите по ссылкам и выбирайте:

Заключение

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

Видео по теме

Источник

Емкостные датчики

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

Области применения емкостных датчиков

Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т. д.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности. Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются:

сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла;

контроль уровня заполнения прозрачных упаковок;

сигнализация обрыва обмоточного провода;

регулирование натяжения ленты;

поштучный счет любого вида и др.

Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах.

Сравнительно новыми приборами, доведенными до широкого промышленного применения в последние годы, стали малогабаритные емкостные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика. . В качестве основных можно считать следующие области применения инклинометров: использование в системах горизонтирования платформ, определение величины прогибов и деформаций различного рода опор и балок, контроль углов наклона автомобильных и железных дорог при их строительстве, ремонте и эксплуатации, определение крена автомобилей, кораблей и подводных роботов, подъемников и кранов, экскаваторов, сельскохозяйственных машин, определение углового перемещения различного рода вращающихся объектов – валов, колес, механизмов редукторов как на стационарных, так и подвижных объектах.

Емкостные датчики уровня находят применение в системах контроля, регулирования и управления производственными процессами в пищевой, фармацевтической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности. Они эффективны при работе с жидкостями, сыпучими материалами, пульпой, вязкими веществами (проводящими и непроводящими), а также в условиях образования конденсата, запыленности.

Емкостные датчики также находят применение в различных отраслях промышленности для измерения абсолютного и избыточного давления, толщины диэлектрических материалов, влажности воздуха, деформации, угловых и линейных ускорений и др.

Преимущества емкостных датчиков по сравнению с датчиками других типов

Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:

простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; — малые габариты и вес; — низкое потребление энергии; — высокая чувствительность;

отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);

долгий срок эксплуатации;

потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;

простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям;

Недостатки емкостных датчиков

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:

сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);

высокие требования к экранировке деталей;

необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;

Однако в большинстве случаев можно добиться достаточной экранировки за счет конструкции датчика, а практика показывает, что емкостные датчики дают хорошие результаты на широко распространенной частоте 400 Гц. Присущий конденсаторам краевой эффект становится значительным, лишь когда расстояние между обкладками сравнимо с линейными размерами рассматриваемых поверхностей. Этот эффект можно в некоторой степени устранить, использую защитное кольцо, позволяющее вынести его влияние за границы поверхности обкладок, реально используемой при измерении.

Емкостные датчики замечательны своей простотой, что позволяет создавать прочные и надежные конструкции. Параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов, если эти материалы правильно подобраны. Следовательно, можно сделать пренебрежимым влияние температуры на изменения площади поверхности и расстояния между обкладками, правильно подбирая марку металла для обкладок и изоляцию для их крепления. Остается лишь защищать датчик от тех факторов окружающей среды, которые могут ухудшить изоляцию между обкладками, – от пыли, коррозии, влажности, ионизирующей радиации.

Ценные качества емкостных датчиков – малая величина механического усилия, необходимого для перемещения его подвижной части, возможность регулировки выхода следящей системы и высокая точность работы – делают емкостные датчики незаменимыми в приборах, в которых допускаются погрешности лишь в сотые и даже тысячные доли процента.

Типы емкостных преобразователей и их конструктивные особенности

Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных величин по трем направлениям в зависимости от функциональной связи измеряемой неэлектрической величины со следующими параметрами:

переменной диэлектрической проницаемостью среды ε ;

площадью перекрытия обкладок S ;

изменяющимся расстоянием между обкладками d .

В первом случае емкостные преобразователи можно применять для анализа состава вещества, поскольку диэлектрическая проницаемость является функцией свойств вещества. При этом естественной входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего пространство между пластинами. Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влажности твердых и жидких тел, уровня жидкости, а так же определения геометрических размеров небольших объектов. В большинстве случаев практического использования емкостных преобразователей их естественной входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друг друга. На основе этого принципа построены датчики линейных и угловых перемещений, приборы измерений усилий, вибраций, скорости и ускорения, датчики приближения, давления и деформации (экстензометры).

Классификация емкостных датчиков

По способу исполнения все емкостные измерительные преобразователи можно разделить на одноемкостные и двухъемкостные датчики. Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.

Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его минусам относится значительное влияние внешних факторов, таких как влажность и температура. Для компенсации указанных погрешностей применяют дифференциальные конструкции . Недостатком таких датчиков по сравнению с одноемкостными является необходимость как минимум трех (вместо двух) экранированных соединительных проводов между датчиком и измерительным устройством для подавления так называемых паразитных емкостей. Однако этот недостаток окупается существенным повышением точности, стабильности и расширением области применения таких устройств.

В некоторых случаях дифференциальный емкостный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если и при этом образцовый конденсатор разместить в одном корпусе с рабочим, выполнить их по возможности идентичными по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет обеспечена значительно меньшая чувствительность всего устройства к внешним дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.

Специфика выходного параметра двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение двух размерных физических величин (в нашем случае – емкостей), дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения.

Датчики линейных перемещений

Неэлектрические величины, подлежащие измерению и контролю, весьма многочисленны и разнообразны. Значительную их часть составляют линейные и угловые перемещения. На основе конденсатора, у которого электрическое поле в рабочем зазоре равномерно, могут быть созданы конструкции емкостных датчиков перемещения двух основных типов:

с переменной площадью электродов;

с переменным зазором между электродами.

Достаточно очевидно, что первые более удобны для измерения больших перемещений (единицы, десятки и сотни миллиметров), а вторые – для измерения малых и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее).

Датчики угловых перемещений

Емкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не слишком малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений. Обычно для угловых перемещений используют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора.

В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.

Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы.

Устройство емкостного инклинометра

Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости.

Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.

Малогабаритные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнительно новыми приборами. Их высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах.

Емкостные датчики уровня жидкости

Емкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных конденсатора

Одной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная, которая применяется для измерения абсолютного давления (электрические датчики давления).

Такой датчик состоит из металлической ячейки, разделенной на две части туго натянутой плоской металлической диафрагмой, с одной стороны которой расположен неподвижный изолированный от корпуса электрод. Электрод с диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму и изменяет емкость, что фиксируется измерительной схемой.

В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается между двумя неподвижными пластинами в одну из двух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (избыточного или разностного) давления с наименьшей погрешностью.

Источник

Датчики и преобразователи Texas Instruments: разнообразие решений для всех типов измерений. Часть 1

Емкостные датчики для измерения расстояния, уровня жидкости или присутствия; датчики влажности/температуры; датчики интенсивности окружающего освещения, датчики индуктивности для обнаружения токопроводящих объектов и измерения расстояния до них – это лишь небольшая часть линейки надежных и качественных интегральных датчиков производства компании Texas Instruments.

Сегодняшний день немыслим без всевозможных датчиков, которые помогают исследовать окружающую нас среду. Датчики помогают преобразовать аналоговые физические величины в цифровой поток для дальнейшей обработки. Независимо от того, что именно необходимо измерять, в номенклатуре Texas Instruments найдется множество решений. Для измерения всевозможных параметров в микросхемах Texas Instruments применяются различные методы и технологии. Существующие решения включают измерения с помощью емкостных, индуктивных, ультразвуковых датчиков, тензодатчиков, датчиков температуры, фотодиодов, датчиков Холла, но не ограничиваются ими.

Использование емкостных датчиков

Решения, применяющие различные способы измерения емкости, набирают популярность. Это можно отметить на примере таких устройств, как датчики присутствия, устройства распознавания жестов, устройства для анализа материалов и определения уровня жидкости. Главное отличие метода, основанного на измерении емкости, от других заключается в том, что его можно применять совместно с различными материалами – как токопроводящими, так и не проводящими ток. Метод позволяет проводить бесконтактные измерения. При этом возможно определение больших расстояний при малых размерах датчика. В качестве измерительного элемента может быть использован любой проводящий элемент – это дает возможность создавать легко интегрируемые бюджетные системы. Кроме того, используя современную элементную базу, можно добиться достаточно высокой точности измерения.

Для реализации емкостных датчиков Texas Instruments предлагает шесть микросхем, реализующих преобразование «емкость-код». Их краткие характеристики даны в таблице 1.

Таблица 1. Параметры семейства преобразователей «емкость-код»

Наименование	FDC1004	FDC2212	FDC2214	FDC2112	FDC2114
Количество каналов	4	2	4	2	4
Входной диапазон тип., пФ	±15	250000
Разрядность, бит	24	28	28	12	12
Каналы для экрана	2
Напряжение питания мин., В	3	2,7	2,7	2,7	2,7
Напряжение питания макс., В	3,6	3,6	3,6	3,6	3,6
Ток потребления тип., мА	0,75	2,1	2,1	2,1	2,1
Ток в режиме ожидания тип., мкА	29	35	35	35	35
Ток в режиме остановки тип., нА	–	200	200	200	200
Интерфейс	I2C
Частота выборки данных тип., выб./с	100/200/400	40…4080	40…4080	40…13300	40…13300
Рабочий диапазон температур, °C	-40…125
Корпус	10VSSOP; 10WSON	12WSON	16WQFN	12WSON	16WQFN

Кроме различия в характеристиках представленных микросхем, стоит обратить внимание на некоторые отличия внутренней архитектуры (рисунок 1) и алгоритма измерения. Так, например, в FDC1004 для измерения используется принцип заряда-разряда емкости, величина емкости измеряется посредством измерения напряжения. В микросхемах FDC2x1x емкость измеряется посредством измерения частоты.

Рис. 1. Структурная схема и пример подключения датчиков: а) FDC1004; б) FDC2x1x

Среди особенностей FDC1004 следует отметить наличие четырех каналов измерения, возможность компенсации паразитной емкости и применение активного экранирования. Компенсация паразитной емкости востребована при построении систем с применением удаленных датчиков. С помощью внутренней схемотехники FDC1004 можно компенсировать внешнюю паразитную емкость до 100 пФ. Кроме того, два дополнительных драйвера экрана позволяют уменьшить влияние внешних факторов на результаты измерения и сузить зону восприимчивости датчика, тем самым повысив точность измерений. При помощи активного драйвера экрана создается эквипотенциальное поле, что исключает влияние внешних нежелательных факторов на линию передачи. Драйверы экрана могут работать с емкостной нагрузкой до 400 пФ. Если же емкость экрана будет выше указанной – эффективность его использования будет не столь очевидной. При этом следует учитывать, что эффективная разрядность у FDC1004 составляет порядка 16 бит. Такой разрядности достаточно, чтобы, используя недорогой токопроводящий сенсор, обнаруживать удаленные объекты.

Линейка микросхем FDC2x1x разработана с учетом уменьшения влияния внешних электромагнитных возмущений и обеспечивает возможность реализации высокоточных быстрых преобразователей емкости. Для обеспечения усиленной защиты от внешних электромагнитных воздействий в микросхемах используется решение с узкополосным входным каскадом, что позволяет обеспечить высокий уровень подавления шума и помех, при этом сохранив скорость и точность преобразования. Для измерения емкости предусмотрено использование широкого диапазона возбуждающих частот 0,001…10 МГц. Высокая частота возбуждения (10 МГц) дает возможность использовать представленное решение совместно с токопроводящими жидкостями. Внутри самой линейки FDC2x1x также есть ряд отличий: FDC221x предназначена для применений, в которых требуется высокая точность (до 28 бит), тогда как FDC211x позволяет достичь большей скорости измерения (до 13 квыб./с) и предназначена для изделий, где необходимо отслеживать быстрое перемещение наблюдаемого объекта. Широкий диапазон входных емкостей до 250 нФ позволяет использовать данное решение для реализации датчиков с большими размерами или же использовать удаленные датчики, где емкость проводов вносит значительный вклад в общее значение емкости. Так как величина измеряемой входной емкости достаточно велика, реализация емкостного датчика окружающей среды не составит большого труда.

Несмотря на повышенные скорость измерения и точность, в линейке FDC2x1x нет возможности использовать емкостные датчики с активным экраном, поэтому для решений, где важно исключить влияние человека на результаты измерения, лучше использовать FDC1004.

Рис. 2. Пример отладочной платы FDC1004

Для получения опыта работы с решениями Texas Instruments для измерения емкости компания предлагает наборы отладочных плат FDC1004EVM и FDC2114EVM с USB-подключением. Особенностью отладочных плат является их модульность. Любой элемент, будь то датчик или управляющий микроконтроллер, можно отсоединить от исследуемой микросхемы FDC, и подсоединить собственный. Совместно с отладкой компания TI предлагает использовать ПО, которое позволяет подключиться к отладочной плате и исследовать ее возможности (рисунки 2 и 3).

Рис. 3. Внешний вид окна ПО

Датчики влажности

Одной из разновидностей емкостного датчика может быть датчик влажности. Его основная задача – определение количества водяного пара/влаги в воздухе. Так как диэлектрическая проницаемость линейно зависима от содержания влаги в веществе, то, следя за изменением величины емкости, можно определить влажность окружающей среды. Датчики влажности находят широкое применение во многих системах управления технологическими процессами и контроля параметров окружающей среды в зданиях и автомобилях, системах климат-контроля и дистанционных метеостанциях.

Рис. 4. Функциональная схема: а) HDC1050; б) HDC1000

На сегодняшний день в линейке Texas Instruments имеются три микросхемы, позволяющие измерять влажность: HDC1000, HDC1008, HDC1050 (рисунок 4). Датчики являются законченным изделием, не требуют дополнительных внешних преобразователей и позволяют достичь ±3% точности при измерении влажности. Так как относительная влажность напрямую связана с температурой окружающей среды, то, кроме влажности, они позволяют дополнительно измерять температуру. Основные параметры датчиков приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры датчиков влажности Texas Instruments

Наименование	HDC1000	HDC1008	HDC1050
Точность измерения влажности тип., %	± 3	± 4	± 3
Диапазон измерения влажности тип.,%	0…100
Точность измерения температуры тип., °C	±0,2
Напряжение питания, В	2,7…5,5
Средний ток потребления тип., мкА	1,2 @ 1 выб./с
Интерфейс	I2C
Рабочий диапазон температур, °C	-40…125
Корпус	DSBGA	DSBGA	WSON

Для всех представленных датчиков влажности характерно малое энергопотребление как в рабочем режиме (1,2 мкА), так и в режиме ожидания (

100 нА), поэтому они могут быть использованы в устройствах с батарейным питанием. Помимо этого, малое энергопотребление позволяет избежать влияния самонагрева на результаты измерения.

Точность измерения датчиков зависит от выбранного времени преобразования и может составлять 8…14 бит при измерении влажности и 11…14 бит при измерении температуры. При помощи регистра конфигурации можно задать один из трех вариантов длительности преобразования: 2,5, 3,85 и 6,5 мс. Наибольшая точность достигается при установке времени преобразования 6,5 мс. Относительно точности измерения следует отметить, что, несмотря на заявленный рабочий температурный диапазон -40…125°С, точность измерения влажности гарантируется только в диапазоне температур -40…60°С. При этом в случае изменения температуры точность сохраняется во всем диапазоне.

Для коммуникации с внешним микроконтроллером в датчиках используется интерфейс I2C. С помощью данного интерфейса задаются параметры работы микросхемы и считываются данные. Кроме измеренных параметров влажности и температуры, данные содержат информацию о понижении напряжения питания микросхемы ниже заданного порога. При снижении напряжения питания менее 2,8 В в пакете данных формируется специальный флаг. Благодаря этому можно вовремя заметить проблему и заменить батарею.

Нагревательный элемент, встроенный в датчик, предназначен для тестирования функциональности и для удаления конденсата. Он также полезен для компенсации возможного сдвига данных измерения при длительном нахождении датчика в условиях повышенной влажности.

Среди основных различий между датчиками влажности Texas Instruments следует отметить используемый корпус, место размещения емкостного измерительного датчика, возможность адресации шины I2C. Так, HDC1050 выполнен в 6-выводном корпусе WSON (3х3 мм), что облегчает его монтаж на плату. В отличие от него, HDC1000 и HDC1008 выполнены в миниатюрном корпусе DBGA (2х1,66 мм), в котором преобразовательный элемент расположен в нижней части микросхемы. Такое расположение датчика позволяет уменьшить влияние внешних факторов – грязи и пыли – на результаты измерения. При использовании HDC1000 и HDC1008 у разработчика есть возможность использовать до четырех устройств на одной шине I2C, благодаря тому, что адрес устройства задается с помощью дополнительных внешних выводов.

Рис. 5. Отладочная плата HDC1000

Для проведения экспериментов с датчиками влажности компания TI предоставляет отладочные платы HDC1000EVM и HDC1050EVM (рисунки 5 и 6). Платы предоставляются совместно с ПО. Для того чтобы датчик можно было использовать в условиях, максимально приближенных к реальным, на отладочной плате присутствует перфорация, позволяющая отсоединить датчик от платы и подключиться к нему с помощью 5-проводного кабеля.

Рис. 6. Программный интерфейс отладочной платы HDC1000

Датчики освещенности

Еще одним законченным решением в линейке датчиков, предлагаемых Texas Instruments, является ALS (Ambient Light Sensors) – датчик интенсивности окружающего освещения OPT3001. OPT3001 предоставляет данные об окружающем освещении в цифровом виде. Для этого в микросхему интегрирован фотодиод, сигнальный тракт, цифровой преобразователь и цифровой интерфейс. Микросхема OPT3001 применяется для управления освещением в различных системах и устройствах, начиная от планшетов и телефонов и заканчивая автоматизацией уличного и домового освещения. С помощью OPT3001 можно повысить эффективность использования освещения, исходя из условий окружающей среды.

Для коммуникации в датчике используется интерфейс I2C, отображающий данные об уровне освещенности в люксах. Особенностью OPT3001 является соответствие результатов измерения интенсивности ее уровню, воспринимаемому человеком. Благодаря использованию фильтра, подавляющего практически весь инфракрасный спектр (>99%), результаты измерения интенсивности освещения практически полностью соответствуют спектру, воспринимаемому человеческим глазом (рисунки 7 и 8).

Рис. 7. Спектр восприимчивости человеческого
глаза и OPT3001

Рис. 8. Внешний вид датчика OPT3001

Используемая конструкция фотоэлемента и оптического фильтра кроме подавления инфракрасной части спектра обеспечивает невосприимчивость к незначительным оптическим неоднородностям, возникающим при появлении пыли или царапин. Чтобы получить широкий диапазон измерений освещенности 0,01…83 лк, в датчик встроен усилитель с переменным коэффициентом усиления (рисунок 9). Коэффициент усиления можно как задать самостоятельно, так и установить функцию автоматической коррекции усиления. Автоматический режим уменьшает ручное управление при проведении измерений, подбирая оптимальный режим работы усилителя с помощью установки одного из возможных значений коэффициента усиления.

Рис. 9. Блок-схема OPT3001

Переменный коэффициент усиления позволяет достичь максимального динамического диапазона в 23 бита. Также датчик обладает малым электропотреблением 2,5 мкА в диапазоне рабочего напряжения питания 1,6…3,6 В. Перечисленное, а также возможность формирования цифровых прерываний при достижении пороговых значений уровня освещения позволяет реализовать решения с длительным сроком работы от одной батарейки.

Отладочная плата OPT3001EVM (рисунок 10) позволяет разобраться со всеми режимами работы датчика освещенности. Отладка состоит из двух частей: платы с датчиком, тестовыми выводами и разъемом; USB-интерфейса. ПО позволяет считывать параметры освещенности и задавать все необходимые для работы датчика режимы.

Рис. 10. Отладочная плата OPT3001 EVM

Измерение индуктивности

Применение индуктивных датчиков позволяет реализовать технологию бесконтактного обнаружения предметов и измерения расстояния до них. Единственное отличие индуктивных датчиков от емкостных заключается в том, что индуктивные датчики могут использоваться только с токопроводящими объектами. В качестве индуктивных датчиков возможно использование любой катушки индуктивности, начиная от обычных моточных катушек, катушек, реализованных на печатной плате, или даже простой металлической пружины. Это позволяет реализовать бюджетные, надежные и легко интегрируемые решения малого энергопотребления. Так как в качестве индуктивности может выступать простая пружина, это дает возможность реализовать измерение степени сжатия и растяжения пружин. Одним из преимуществ использования индуктивных датчиков является их способность работать в условиях повышенного загрязнения. С помощью индуктивных датчиков можно реализовать различные органы управления (кнопки, регуляторы, переключатели). Они применяются также в турбинных расходомерах, в драйверах двигателей.

В номенклатуре Texas Instruments представлен широкий ряд микросхем, преобразующих величину индуктивности внешней катушки в цифровой выходной код (таблица 3). Кроме измерения самой величины индуктивности, данные преобразователи могут предоставлять данные о величине параллельного сопротивления резонансного контура.

Таблица 3. Характеристики семейства LDC

Наименование	LDC1000	LDC1041	LDC1051	LDC1101	LDC1312	LDC1314	LDC1612	LDC1614
Количество каналов	1				2	4	2	4
Ток потребления тип., мА	1,7			2	2,1
Напряжение питания, В	1,8…5,25			1,71…3,46	2,7…3,6
Интерфейс	SPI				I2C
Максимальная разрядность, бит	24		8	24	12		28
Частота преобразователя, МГц	0,005…5			0,5…10	0,001…10
Ток в режиме ожидания, тип., мкА	250			150	35
Диапазон температур, °C	-40…125
Корпус	WSON			VSON	WSON	WQFN	WSON	WQFN

В линейке преобразователей «индуктивность-код» следует выделить многоканальные решения – LDC1312/4 и LDC1612/LDC1614 (рисунок 11). Многоканальные микросхемы предназначены для применений, где используется более двух датчиков для определения горизонтального перемещения либо определяется угол поворота. Микросхемы LDC1ХХХ избавляют от необходимости использовать дополнительный внешний мультиплексор, а также позволяют компенсировать влияние внешних факторов на результаты измерения. Широкий диапазон применяемых частот 0,001…10 МГц позволяет использовать микросхемы LDC131Х и LDC161Х с более широким спектром индуктивностей, чем LDC1000, чей диапазон возбуждающих частот составляет 0,005…5 МГц. Кроме того, высокая разрядность 28 бит (LDC161Х) позволяет увеличить чувствительность датчиков. За счет увеличенной скорости выборки (13,3 квыб./с) LDC131x будут востребованы в решениях, где необходимо быстрое отслеживание положения объекта. При этом многоканальные решения способствуют оптимизации энергопотребления, так как кроме активного режима (2 мА) и режима ожидания (35 мкА) в них доступен режим остановки. В этом режиме (shutdown), который активируется через дополнительный вывод микросхемы, ток потребления составляет 200 нА.

Рис. 11. Функциональная блок-схема: а) LDC1612, LDC1614; б) LDC1101

Среди одноканальных решений LDC1101 обеспечивает наибольшую скорость измерения – 156 квыб./с. При этом минимальное рабочее напряжение равняется 1,7 В, что позволяет использовать его в системах с питанием 1,8 В. Также в LDC1101, в отличие от других микросхем линейки LDC1000, есть возможность активирования режима остановки. В режиме остановки потребляемый ток уменьшается до 1,4 мкА, это позволяет значительно уменьшить энергопотребление в случае, когда не требуется проведения непрерывных измерений.

Texas Instrumens предлагает набор отладочных средств LDC1101EVM, LDC1614EVM, LDC1314EVM (рисунок 12). Отладочные платы, помимо самой микросхемы преобразователя индуктивности, содержат индуктивный датчик и модуль сопряжения с компьютером на базе MSP430F5528. Для работы с платой предоставляется ПО, которое поможет разобраться с особенностями работы.

Рис. 12. Отладочная плата LDC1101EVM

Ультразвуковые измерения

Ультразвуковые метрологические технологии основываются на измерении времени между моментом посылки и возвращения ультразвукового сигнала, отраженного от цели. Данный интервал называется временем пролета (ToF, Time of Flight) и определяется расстоянием, которое проходит ультразвуковой сигнал до объекта, и скоростью распространения сигнала. При этом, следует учитывать что скорость распространения сигнала зависит от состояния среды, через которую передается сигнал (скорость потока, температура, концентрация вещества и так далее). Данный метод, основанный на уравнении t = S/v, может быть использован для измерения уровня жидкости, анализа состава жидкости или газа, скорости потока вещества, расстояния.

Основные преимущества ультразвуковых измерений:

• бесконтактный неразрушающий метод тестирования;
• высокая точность;
• независимость от вибраций;
• простота дизайна;
• возможность использования с любыми типами материалов.

Для реализации устройств, использующих ультразвуковой метод измерения, TI предоставляет ряд решений. На одном из них базируется семейство TDC. На сегодняшний день в этом семействе представлены три микросхемы: TDC1000, TDC1011 и TDC7200 (рисунок 13).

Рис. 13. Функциональная блок-схема: а) TDC1000; б) TDC7200

TDC1000 и TDC1011 являются аналоговыми модулями сопряжения. Их основная задача – создание возбуждающего напряжения для пьезоэлемента и регистрация времени начала посылки и получения отклика. Результатом работы микросхемы являются временные метки на выводах START и STOP. Для вычисления времени между метками необходим дополнительный преобразователь. Его роль может быть выполнена либо внешним микроконтроллером, либо преобразователем TDC7200. Основным отличием между TDC1000 и TDC1011 является количество каналов для подключения пьезоэлемента. У TDC1000 этих каналов два, у TDC1011 – только один. Во всем другом, включая внутреннюю архитектуру, микросхемы идентичны. Для управления параметрами микросхем используется SPI-интерфейс, через который можно задать частоту возбуждающих импульсов передатчика в диапазоне частот 0,031…4 МГц, их амплитуду и форму огибающей, а также оптимальный режим приемника. Гибкость настройки позволяет реализовать решение в различных средах, не привязываясь к конкретным размерам измерительной камеры. Среди основных технических параметров микросхем следует выделить диапазон измерения до 8 мс, рабочий ток 1,8 мкА при 2 выб./с, временной шум 50 пс, программируемый порог входного сигнала, возможность подключения двух резистивных температурных датчиков.

Хорошим дополнением к TDC1000/TDC1011 является TDC7200. TDC7200 – преобразователь «время-код» (TDC, Time to Digital Converter). Основной функцией преобразователя является фиксация и измерение времени. В TDC7200 реализована возможность измерять до пяти временных интервалов между метками START и STOP. Так как в большинстве случаев для возбуждения пьезодатчика используется серия импульсов, вследствие чего возможно получение паразитного отклика, то измерение нескольких временных интервалов позволяет выбрать отклик с наилучшим качеством отраженного сигнала.

Измерение нескольких интервалов дает возможность повысить точность измерения, выбрав сигнал с наилучшим откликом. Пикосекундная точность измерения, достигаемая за счет внутренней самокалибровки преобразователя, идеально подходит для расходомеров, в которых необходимо измерять нулевые и очень малые потоки с высокой точностью. Совместное использование TDC1000/TDC1011 и TDC7200 дает возможность реализовать систему c малым потреблением, высокой точностью и хорошей повторяемостью параметров.

Для эксперимента с ультразвуковыми измерениями компания TI предлагает воспользоваться отладочными платами TDC1000-C2000EVM и TDC1000-TDC7200EVM (рисунок 14). Также разработчикам предоставляется ПО, позволяющее получить доступ ко всем настройкам микросхем.

Рис. 14. Отладочная плата TDC1000-TDC7200EVM

Заключение

Представленные решения с использованием цифровых преобразователей позволяют решить множество задач, связанных с измерением расстояния до объекта, определения месторасположения, анализа состава вещества с помощью различных технологий – измерения емкости, индуктивности, времени распространения ультразвука. Выбор конкретного решения зависит от поставленных задач, для простоты реализации которых компания Texas Instruments предоставляет отладочные средства и ПО, что позволяет легко разобраться с условиями применения микросхем.

Источник