Get best of the week

Pengukuran Kapasitansi Kecil (sensor kapasitif analog)

Saya menawarkan kepada masyarakat sensor kapasitansi kecil, yang beroperasi dari hampir 0 pF. Dapat digunakan dalam elektronik amatir, robotika.

Ketika mengembangkan hobi elektronik, saya membutuhkan sensor jarak sederhana dengan efek kapasitif. Mencari di internet, saya hanya menemukan sensor sentuh, tetapi mereka memiliki jarak respon pendek dan output digital. Sensor lain terlalu kompleks atau dengan pengaturan panjang. Saya membutuhkan yang sangat sederhana dan murah, bekerja dari mikrokontroler. Apa yang terjadi - di bawah ...

Skema


Setelah beberapa percobaan , rangkaian muncul pada Gambar. 1.

gambar
Gambar. 1. Skema. Microcap 10

bagaimana cara kerjanya


Prinsip operasi didasarkan pada pengukuran muatan yang telah menumpuk di pelat kapasitor selama pengisian. Penutup kedua adalah benda yang dibawa ke sensor. Untuk pemodelan, ditampilkan terhubung ke "bumi", tetapi ini tidak penting.

Pelat kapasitor terhubung ke output mikrokontroler, yang dikonfigurasi untuk mengeluarkan frekuensi berliku-liku 120-180 kHz, dalam diagram itu adalah sumber tegangan V2. Juga, lapisan terhubung ke basis transistor Q1. Emitor terhubung ke generator yang sama. Karena output MK saling melengkapi, ini berarti bahwa output terhubung secara bergantian ke sumber daya “+”, kemudian ke “0”. Apa yang terjadi selama setengah periode ini:

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

image

Diode D1 dan kapasitor C2 membentuk detektor amplitudo - tegangan yang sebanding dengan kapasitansi C1 dibuat pada R5. Transistor Q2 diperlukan untuk mencocokkan resistansi dengan ADC MK. Tegangan output dihapus dari R6.

Hasil simulasi (Gbr. 2) pada peringkat yang ditunjukkan pada diagram. Hubungan linier kira-kira dipertahankan hingga 10 pF.


Ara. 2. Grafik kapasitansi - tegangan.

Ketika R3 dikurangi menjadi 2 kOhm, sensitivitas meningkat dan bagian linier berkurang menjadi sekitar 0 ... 4 pF.


Ara. 3. Kapasitansi - grafik tegangan

Catatan : kenaikan grafik sekitar 0 pF adalah kesalahan simulasi, linearitas sebenarnya berlanjut di sana. Diuji dalam perangkat keras.

Rangkaian yang diberikan berbeda dari yang lain (dengan isolasi dioda atau jembatan dan inklusi konstan dari transistor BE) di mana rasio kapasitansi / tegangan tersedia dengan hampir 0 pF, tanpa zona mati. Juga, hanya satu pelat kapasitor yang terlibat dalam rangkaian.

Ketika dieksekusi di papan tulis, kapasitas sirkuit sendiri jauh lebih kecil dari kapasitas satu penutup - sepiring 20 cm 2 . Sensitivitas sensor: untuk mengangkat tangan sekitar 50 mm ke pelat - perubahan sinyal output lebih dari 10%. Perkiraan perubahan kapasitansi adalah sekitar 2 pF. Sensor tidak menanggapi interferensi jaringan, EMF, dan GSM.

Penyempurnaan untuk implementasi


  • Transistor harus dengan frekuensi operasi 100 MHz, dan kapasitas basis minimum (di sini 2 pF).
  • Diode D1 - tipe frekuensi tinggi BAV99, kapasitas unit pF.
  • C2 dalam kisaran 10 - 30 nF, tidak diperlukan lagi, arus keluaran dari MK meningkat. Untuk memperlancar pulsa, Anda bisa meletakkan kapasitor paralel ke R6
  • Sebuah resistor 100 ohm R1 membatasi arus keluaran dari MK, pulsa 5mA, rata-rata 0,2 mA.
  • Mikrokontroler di sirkuit ini adalah Atmega8A, outputnya adalah gelombang persegi 166 kHz, ADC-nya. Meningkatkan frekuensi di atas 300 kHz tidak dianjurkan, karena pengaruh kapasitansi liar.

Siapa yang menerapkan dan menerapkan dalam kerajinan mereka - berhenti berlangganan, menarik.

Penggunaan alternatif.


Dalam komentar di bawah artikel, penggunaan kelembaban tanah sebagai sensor dibahas. Saya memutuskan untuk memeriksa apakah mungkin.

Dia mengambil pelat sensor 40x60 mm, yang dibungkus dengan 4 lapisan plumbing tape (misalnya, disegel). Kapasitansi sendiri meningkat, saya harus mengubah peringkat di sirkuit, mengurangi sensitivitas ke level 15 pF. Diagram baru di sini :
gambar
Gambar. 4. Skema untuk sensor kelembaban tanah.

Eksperimen


Saya tidak punya tanah datar , ada pasir yang saya tuangkan ke dalam toples dengan volume sekitar 300 ml. Saya menambahkan air setiap kali sekitar 15 ... 20 ml.
image1
Pasir kering. Kapasitas sensor sendiri.

gambar
Pasir + 20ml air.

gambar
Dia juga menambahkan air dan menabrak sedikit.

gambar
... dan lebih banyak air.

gambar
... dan lebih banyak air.

gambar
... dan lebih banyak air.

gambar
... dan lebih banyak air. Itu menjadi sangat lembab tropis.

Tegangan dihapus dari R5, jadi dengan peningkatan kapasitas, tegangan meningkat.
Dapat dilihat bahwa kapasitas meningkat dengan masing-masing topping. Namun, entah ini pasir, atau saya tidak tahu apa, tetapi bacaan meningkat segera saat pengisian. Saya mengharapkan perubahan yang lebih mulus pada U saat merendam pasir dengan air.

Ya, saya tahu tentang sensor sentuh untuk Arduino dengan Ali. Tapi saya ingin mencari tahu sendiri dan melakukannya dengan parameter yang diberikan.

More articles:


All Articles