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Mesures de petite capacité (capteur capacitif analogique)

J'offre à la communauté un petit capteur de capacité, fonctionnant à partir de près de 0 pF. Il peut être utilisé en électronique amateur, en robotique.

Lors du développement d'une électronique de loisir, j'avais besoin d'un simple capteur de distance avec un effet capacitif. En recherchant sur Internet, je n'ai trouvé que des capteurs tactiles, mais ils ont une courte distance de réponse et une sortie numérique. D'autres capteurs sont trop complexes ou avec une configuration longue. J'avais besoin d'un très simple et pas cher, travaillant à partir d'un microcontrôleur. Qu'est-il arrivé - sous la coupe ...

Schème


Après plusieurs expériences , le circuit est apparu sur la Fig. 1.

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Fig. 1. Le schéma. Microcap 10

Comment ça marche


Le principe de fonctionnement est basé sur la mesure de la charge qui s'est accumulée sur la plaque du condensateur pendant la charge. Le deuxième couvercle est un objet porté au capteur. Pour la modélisation, il est montré connecté à la "terre", mais ce n'est pas important.

La plaque de condensateur est connectée à la sortie du microcontrôleur, qui est configurée pour émettre une fréquence de méandre de 120 à 180 kHz, dans le diagramme, il s'agit d'une source de tension V2. De plus, le revêtement est connecté à la base du transistor Q1. L'émetteur est connecté au même générateur. La sortie MK étant complémentaire, cela signifie que la sortie est connectée alternativement à la source d'alimentation «+», puis à «0». Que se passe-t-il pendant ces demi-périodes:

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

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La diode D1 et le condensateur C2 forment un détecteur d'amplitude - une tension proportionnelle à la capacité C1 est créée sur R5. Le transistor Q2 est nécessaire pour faire correspondre les résistances avec l'ADC MK. La tension de sortie est supprimée de R6.

Les résultats de la simulation (Fig.2) aux valeurs indiquées dans le diagramme. La relation linéaire est maintenue approximativement jusqu'à 10 pF.


Figure. 2. Graphique capacitance - tension

Lorsque R3 est réduit à 2 kOhm, la sensibilité augmente et la section linéaire diminue à environ 0 ... 4 pF.


Figure. 3. Capacitance - graphique de tension

Remarque : une élévation de graphique d'environ 0 pF est une erreur de simulation, la linéarité s'y poursuit. Testé en matériel.

Le circuit donné diffère des autres (avec isolation des diodes ou ponts et inclusion constante du transistor BE) en ce que le rapport capacité / tension est disponible avec près de 0 pF, sans zone morte. De plus, une seule plaque de condensateur est impliquée dans le circuit.

Lorsqu'elle est exécutée sur la carte, la capacité propre du circuit est bien inférieure à la capacité d'un couvercle - une plaque de 20 cm 2 . Sensibilité du capteur: pour une main levée à environ 50 mm de la plaque - le changement du signal de sortie est supérieur à 10%. Le changement estimé de capacité est d'environ 2 pF. Le capteur ne répond pas aux interférences réseau, EMF et GSM.

Améliorations pour la mise en œuvre


  • Les transistors doivent avoir une fréquence de fonctionnement de 100 MHz et une capacité de base minimale (ici 2 pF).
  • Diode D1 - type haute fréquence BAV99, la capacité d'une unité pF.
  • C2 dans la plage de 10 à 30 nF, plus nécessaire, le courant de sortie du MK augmente. Pour lisser les impulsions, vous pouvez mettre un condensateur parallèle à R6
  • Une résistance de 100 ohms R1 limite le courant de sortie du MK, impulsion 5mA, une moyenne de 0,2 mA.
  • Le microcontrôleur dans ce circuit est Atmega8A, la sortie est une onde carrée de 166 kHz, son ADC. Il n'est pas recommandé d'augmenter la fréquence au-dessus de 300 kHz, en raison de l'influence des capacités parasites.

Qui met en œuvre et applique dans leur métier - se désinscrire, intéressant.

Utilisation alternative.


Dans les commentaires sous l'article, l'utilisation de l'humidité du sol comme capteur est discutée. J'ai décidé de vérifier si c'était possible.

Il a pris la plaque de capteur 40x60 mm, bien enveloppée dans 4 couches de ruban de plomberie (par exemple, scellé). La capacité propre a augmenté, j'ai dû changer les valeurs nominales du circuit, réduisant la sensibilité au niveau de 15 pF. Le nouveau diagramme est ici :
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Fig. 4. Schéma du capteur d'humidité du sol.

Expériences


Je n'ai pas de terrain plat , il y a du sable que j'ai versé dans un pot d'un volume d'environ 300 ml. J'ai ajouté de l'eau à chaque fois environ 15 ... 20 ml.
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Sable sec. Propre capacité du capteur.

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Sable + 20 ml d'eau.

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Il a également ajouté de l'eau et battu un peu.

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... et plus d'eau.

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... et plus d'eau.

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... et plus d'eau.

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... et plus d'eau. Il est devenu assez tropical humide.

La tension a été supprimée de R5, donc avec une augmentation de la capacité, la tension augmente.
On voit que la capacité augmente avec chaque nappage. Cependant, soit ce sable, ou je ne sais pas quoi, mais les lectures augmentent immédiatement lors du remplissage. Je m'attendais à un changement plus doux de U lors du trempage du sable dans l'eau.

Oui, je connais les capteurs tactiles pour Arduino avec Ali. Mais je voulais le comprendre moi-même et le faire avec les paramètres donnés.

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