Get best of the week

Medições de capacitância pequena (sensor capacitivo analógico)

Ofereço à comunidade um pequeno sensor de capacitância, operando a partir de quase 0 pF. Pode ser usado em eletrônicos amadores, robótica.

Ao desenvolver uma eletrônica para hobby, eu precisava de um sensor de distância simples com um efeito capacitivo. Pesquisando na Internet, encontrei apenas sensores de toque, mas eles têm uma curta distância de resposta e uma saída digital. Outros sensores são muito complexos ou com uma configuração longa. Eu precisava de um muito simples e barato, trabalhando em um microcontrolador. O que aconteceu - sob o corte ...

Esquema


Após várias experiências , o circuito apareceu na Fig. 1.

imagem
Fig. 1. O esquema. Microcap 10

Como funciona


O princípio de operação baseia-se na medição da carga acumulada na placa do capacitor durante o carregamento. A segunda tampa é um objeto trazido para o sensor. Para modelagem, é mostrado conectado à "terra", mas isso não é importante.

A placa do capacitor está conectada à saída do microcontrolador, que está configurado para emitir uma frequência de 120 a 180 kHz, no diagrama é uma fonte de tensão V2. Além disso, o revestimento é conectado à base do transistor Q1. O emissor está conectado ao mesmo gerador. Como a saída MK é complementar, isso significa que a saída está conectada alternadamente à fonte de alimentação “+” e depois a “0”. O que acontece durante esses semi-períodos:

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

image

O diodo D1 e o capacitor C2 formam um detector de amplitude - uma tensão proporcional à capacitância C1 é criada em R5. O transistor Q2 é necessário para combinar as resistências com o ADC MK. A tensão de saída é removida do R6.

Os resultados da simulação (Fig. 2) nas classificações mostradas no diagrama. A relação linear é mantida aproximadamente até 10 pF.


FIG. 2. Capacitância do gráfico - tensão

Quando R3 é reduzido para 2 kOhm, a sensibilidade aumenta e a seção linear diminui para aproximadamente 0 ... 4 pF.


FIG. 3. Capacitância - gráfico de tensão

Nota : um aumento de cerca de 0 pF no gráfico é um erro de simulação, a linearidade continua ali. Testado em hardware.

O circuito fornecido difere de outros (com isolamento ou pontes de diodo e ativação constante do transistor BE), pois a relação capacitância / tensão está disponível com quase 0 pF, sem zona morta. Além disso, apenas uma placa de capacitor está envolvida no circuito.

Quando executada na placa, a capacidade do circuito é muito menor que a capacidade de uma tampa - uma placa de 20 cm 2 . Sensibilidade do sensor: para uma mão levantada cerca de 50 mm em relação à placa - a alteração no sinal de saída é superior a 10%. A mudança estimada na capacitância é de cerca de 2 pF. O sensor não responde à interferência da rede, EMF e GSM.

Refinamentos para implementação


  • Os transistores devem ter uma frequência operacional de 100 MHz e uma capacidade básica mínima (aqui 2 pF).
  • Diodo D1 - tipo de alta frequência BAV99, a capacidade de uma unidade pF.
  • C2 na faixa de 10 a 30 nF, não é mais necessário, a corrente de saída do MK aumenta. Para suavizar os pulsos, você pode colocar um capacitor paralelo a R6
  • Um resistor de 100 ohm R1 limita a corrente de saída do MK, pulso 5mA, uma média de 0,2 mA.
  • O microcontrolador neste circuito é o Atmega8A, a saída é uma onda quadrada de 166 kHz, seu ADC. Não é recomendável aumentar a frequência acima de 300 kHz, devido à influência de capacitâncias dispersas.

Quem implementa e aplica em seus ofícios - cancele a inscrição, interessante.

Uso alternativo.


Nos comentários do artigo, o uso da umidade do solo como sensor é discutido. Eu decidi verificar se é possível.

Ele pegou a placa do sensor 40x60 mm, bem embrulhada em 4 camadas de fita do encanamento (por exemplo, selada). A capacitância própria aumentou, tive que alterar as classificações no circuito, reduzindo a sensibilidade ao nível de 15 pF. O novo diagrama está aqui :
imagem
Fig. 4. Esquema para sensor de umidade do solo.

Experiências


Não tenho terra plana , coloquei areia em uma jarra com um volume de cerca de 300 ml. Eu adicionava água todas as vezes cerca de 15 ... 20 ml.
image1
Areia seca. Capacidade do próprio sensor.

imagem
Areia + 20 ml de água.

imagem
Ele também acrescentou água e bateu um pouco.

imagem
... e mais água.

imagem
... e mais água.

imagem
... e mais água.

imagem
... e mais água. Tornou-se bastante úmido tropical.

A voltagem foi removida do R5, portanto, com um aumento de capacidade, a voltagem aumenta.
Pode-se observar que a capacidade aumenta a cada cobertura. No entanto, ou esta areia, ou eu não sei o que, mas as leituras aumentam imediatamente ao completar. Eu esperava uma mudança mais suave em U ao molhar a areia com água.

Sim, eu sei sobre sensores de toque para Arduino com Ali. Mas eu queria descobrir isso sozinho e fazê-lo com os parâmetros fornecidos.

More articles:


All Articles