Get best of the week

Kleine Kapazitätsmessungen (analoger kapazitiver Sensor)

Ich biete der Community einen kleinen Kapazitätssensor an, der mit fast 0 pF arbeitet. Es kann in der Amateurelektronik, Robotik eingesetzt werden.

Bei der Entwicklung einer Hobbyelektronik brauchte ich einen einfachen Abstandssensor mit kapazitivem Effekt. Beim Durchsuchen des Internets habe ich nur Berührungssensoren gefunden, die jedoch eine kurze Reaktionsentfernung und einen digitalen Ausgang haben. Andere Sensoren sind zu komplex oder langwierig. Ich brauchte einen sehr einfachen und billigen, von einem Mikrocontroller aus arbeitenden. Was ist passiert - unter dem Schnitt ...

Planen


Nach mehreren Experimenten erschien die Schaltung in Fig. 1.

Bild
Abb. 1. Das Schema. Mikrokappe 10

Wie funktioniert es


Das Funktionsprinzip basiert auf der Messung der Ladung, die sich während des Ladevorgangs auf der Kondensatorplatte angesammelt hat. Die zweite Abdeckung ist ein Objekt, das zum Sensor gebracht wird. Für die Modellierung wird es mit der "Erde" verbunden gezeigt, aber das ist nicht wichtig.

Die Kondensatorplatte ist mit dem Ausgang des Mikrocontrollers verbunden, der so konfiguriert ist, dass er eine Mäanderfrequenz von 120 bis 180 kHz ausgibt. In dem Diagramm handelt es sich um eine Spannungsquelle V2. Die Auskleidung ist auch mit der Basis des Transistors Q1 verbunden. Der Emitter ist an denselben Generator angeschlossen. Da der MK-Ausgang komplementär ist, bedeutet dies, dass der Ausgang abwechselnd mit der Stromquelle „+“ und dann mit „0“ verbunden ist. Was passiert in diesen Halbperioden:

  • . 1: R1, R2. , , R2 , . , U<0.
  • . 0: 1 R3, Q1 . «0V», . , 1.

Bild

Die Diode D1 und der Kondensator C2 bilden einen Amplitudendetektor - an R5 wird eine der Kapazität C1 proportionale Spannung erzeugt. Der Transistor Q2 wird benötigt, um die Widerstände an den ADC MK anzupassen. Die Ausgangsspannung wird von R6 entfernt.

Die Simulationsergebnisse (Abb. 2) entsprechen den im Diagramm gezeigten Bewertungen. Die lineare Beziehung wird ungefähr bis zu 10 pF aufrechterhalten.


Feige. 2. Graph Kapazität - Spannung.

Wenn R3 auf 2 kOhm reduziert wird, steigt die Empfindlichkeit und der lineare Abschnitt sinkt auf ungefähr 0 ... 4 pF.


Feige. 3. Kapazitäts - Spannungsdiagramm

Hinweis : Ein Diagrammanstieg von etwa 0 pF ist ein Simulationsfehler, die Linearität setzt sich dort tatsächlich fort. In Hardware getestet.

Die gegebene Schaltung unterscheidet sich von anderen (mit Diodenisolation oder Brücken und ständiger Aktivierung des BE-Transistors) darin, dass das Kapazitäts / Spannungsverhältnis mit fast 0 pF ohne Totzone verfügbar ist. Außerdem ist nur eine Kondensatorplatte an der Schaltung beteiligt.

Bei Ausführung auf der Platine ist die Kapazität der Schaltung viel geringer als die Kapazität einer Abdeckung - einer Platte von 20 cm 2 . Empfindlichkeit des Sensors: Bei einer angehobenen Hand ca. 50 mm zur Platte beträgt die Änderung des Ausgangssignals mehr als 10%. Die geschätzte Kapazitätsänderung beträgt ca. 2 pF. Der Sensor reagiert nicht auf Netzwerkstörungen, EMF und GSM.

Verfeinerungen für die Implementierung


  • Transistoren sollten eine Betriebsfrequenz von 100 MHz und eine minimale Basiskapazität (hier 2 pF) haben.
  • Diode D1 - Hochfrequenztyp BAV99, die Kapazität einer Einheit pF.
  • C2 im Bereich von 10 - 30 nF, nicht mehr benötigt, steigt der Ausgangsstrom des MK. Um die Impulse zu glätten, können Sie einen Kondensator parallel zu R6 stellen
  • Ein 100 Ohm Widerstand R1 begrenzt den Ausgangsstrom des MK, Impuls 5mA, durchschnittlich 0,2 mA.
  • Der Mikrocontroller in dieser Schaltung ist Atmega8A, der Ausgang ist eine 166-kHz-Rechteckwelle, deren ADC. Das Erhöhen der Frequenz über 300 kHz wird aufgrund des Einflusses von Streukapazitäten nicht empfohlen.

Wer in seinem Handwerk umsetzt und sich bewirbt - abbestellen, interessant.

Alternative Verwendung.


In den Kommentaren unter dem Artikel wird die Verwendung von Bodenfeuchtigkeit als Sensor diskutiert. Ich beschloss zu prüfen, ob es möglich ist.

Er nahm die Sensorplatte 40x60 mm, gut eingewickelt in 4 Lagen Sanitärband (zum Beispiel versiegelt). Die eigene Kapazität wurde erhöht, ich musste die Nennwerte in der Schaltung ändern und die Empfindlichkeit auf den Wert von 15 pF reduzieren. Das neue Diagramm ist hier :
Bild
Abb. 4. Schema für Bodenfeuchtesensor.

Experimente


Ich habe kein flaches Land, es gibt Sand, den ich in ein Glas mit einem Volumen von ca. 300 ml gegossen habe. Ich fügte jedes Mal etwa 15 ... 20 ml Wasser hinzu.
image1
Trockener Sand. Eigene Sensorkapazität.

Bild
Sand + 20 ml Wasser.

Bild
Er fügte auch Wasser hinzu und rammte ein wenig.

Bild
... und mehr Wasser.

Bild
... und mehr Wasser.

Bild
... und mehr Wasser.

Bild
... und mehr Wasser. Es wurde ziemlich tropisch feucht.

Die Spannung wurde von R5 entfernt, so dass mit zunehmender Kapazität die Spannung zunimmt.
Es ist ersichtlich, dass die Kapazität mit jedem Belag zunimmt. Entweder dieser Sand oder ich weiß nicht was, aber die Messwerte steigen sofort beim Nachfüllen an. Ich erwartete eine sanftere Änderung von U, wenn Sand mit Wasser getränkt wurde.

Ja, ich weiß über Berührungssensoren für Arduino mit Ali Bescheid. Aber ich wollte es selbst herausfinden und es mit den angegebenen Parametern tun.

More articles:


All Articles