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Pequeñas mediciones de capacitancia (sensor capacitivo analógico)

Ofrezco a la comunidad un pequeño sensor de capacitancia, que opera desde casi 0 pF. Se puede utilizar en electrónica amateur, robótica.

Al desarrollar una electrónica de hobby, necesitaba un sensor de distancia simple con un efecto capacitivo. Al buscar en Internet, encontré solo sensores táctiles, pero tienen una distancia de respuesta corta y una salida digital. Otros sensores son demasiado complejos o con una configuración larga. Necesitaba una muy simple y barata, trabajando desde un microcontrolador. Lo que sucedió, debajo del corte ...

Esquema


Después de varios experimentos , el circuito apareció en la Fig. 1.

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Fig. 1. El esquema. Microcap 10

Como funciona


El principio de funcionamiento se basa en medir la carga acumulada en la placa del condensador durante la carga. La segunda cubierta es un objeto llevado al sensor. Para el modelado, se muestra conectado a la "tierra", pero esto no es importante.

La placa del condensador está conectada a la salida del microcontrolador, que está configurado para emitir una frecuencia de meandro de 120 - 180 kHz, en el diagrama es una fuente de voltaje V2. Además, el revestimiento está conectado a la base del transistor Q1. El emisor está conectado al mismo generador. Dado que la salida MK es complementaria, esto significa que la salida está conectada alternativamente a la fuente de alimentación "+" y luego a "0". Qué sucede durante estos medios períodos:

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

image

El diodo D1 y el condensador C2 forman un detector de amplitud: se crea un voltaje proporcional a la capacitancia C1 en R5. El transistor Q2 es necesario para hacer coincidir las resistencias con el ADC MK. El voltaje de salida se elimina de R6.

Los resultados de la simulación (Fig. 2) en las clasificaciones que se muestran en el diagrama. La relación lineal se mantiene aproximadamente hasta 10 pF.


Higo. 2. Capacitancia gráfica - voltaje:

cuando R3 disminuye a 2 kOhm, la sensibilidad aumenta y la sección lineal disminuye a aproximadamente 0 ... 4 pF.


Higo. 3. Capacitancia - gráfico de voltaje

Nota : un aumento del gráfico de aproximadamente 0 pF es un error de simulación, la linealidad en realidad continúa allí. Probado en hardware.

El circuito anterior difiere de otros (con aislamiento de diodos o puentes e inclusión constante del transistor BE) en que la relación capacitancia / voltaje está disponible con casi 0 pF, sin una zona muerta. Además, solo una placa de condensador está involucrada en el circuito.

Cuando se ejecuta en el tablero, la capacidad del circuito es mucho menor que la capacidad de una cubierta: una placa de 20 cm 2 . Sensibilidad del sensor: para una mano levantada de aproximadamente 50 mm a la placa, el cambio en la señal de salida es superior al 10%. El cambio estimado en la capacitancia es de aproximadamente 2 pF. El sensor no responde a interferencias de red, EMF y GSM.

Refinamientos para la implementación


  • Los transistores deben estar con una frecuencia de operación de 100 MHz y una capacidad base mínima (aquí 2 pF).
  • Diodo D1 - tipo de alta frecuencia BAV99, la capacidad de una unidad pF.
  • C2 en el rango de 10 - 30 nF, ya no es necesario, la corriente de salida del MK aumenta. Para suavizar los pulsos, puede colocar un condensador paralelo a R6
  • Una resistencia R1 de 100 ohmios limita la corriente de salida del MK, pulso 5mA, un promedio de 0.2 mA.
  • El microcontrolador en este circuito es Atmega8A, la salida es una onda cuadrada de 166 kHz, su ADC. No se recomienda aumentar la frecuencia por encima de 300 kHz, debido a la influencia de las capacidades parásitas.

Quién implementa y aplica en sus manualidades: darse de baja, interesante.

Uso alternativo


En los comentarios del artículo, se discute el uso de la humedad del suelo como sensor. Decidí comprobar si es posible.

Tomó la placa del sensor de 40x60 mm, bien envuelta en 4 capas de cinta de plomería (por ejemplo, sellada). La capacidad propia aumentó, tuve que cambiar las clasificaciones en el circuito, reduciendo la sensibilidad al nivel de 15 pF. El nuevo diagrama está aquí :
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Fig. 4. Esquema del sensor de humedad del suelo.

Los experimentos


No tengo tierra plana , hay arena que vertí en un frasco con un volumen de aproximadamente 300 ml. Agregué agua cada vez unos 15 ... 20 ml.
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Arena seca. Propia capacidad del sensor.

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Arena + 20ml de agua.

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También agregó agua y embistió un poco.

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... y más agua.

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... y más agua.

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... y más agua.

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... y más agua. Se volvió bastante tropical húmedo.

El voltaje se eliminó de R5, por lo que con un aumento en la capacidad, el voltaje aumenta.
Se puede ver que la capacidad aumenta con cada cobertura. Sin embargo, esta arena, o no sé qué, pero las lecturas aumentan inmediatamente cuando se completa. Esperaba un cambio más suave en U al remojar arena con agua.

Sí, sé sobre sensores táctiles para Arduino con Ali. Pero quería resolverlo yo mismo y hacerlo con los parámetros dados.

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