Емкостные датчики — привлекательный вариант для бесконтактного измерения

Емкостное наблюдение или отслеживание – это метод бесконтактного наблюдения, который может работать с множеством различных приложений, таких как распознавание жестов, автомобильные датчики дождя, дистанционное измерение уровня жидкости при обработке различных материалов и других приложений.

Датчиком в системе емкостного наблюдения может быть любой проводник или металл, все будет зависеть от требований к гибкости системы. Благодаря низкому энергопотреблению, высоким разрешениям и низкой стоимости, емкостные датчики активно заменяют индуктивные, оптические и ультразвуковые во многих системах и устройствах.

• Измерение без прикосновения
• Принцип емкостного измерения
• Срабатывание емкостного датчика
• Экранирование и емкостные измерения
• Блок диаграмма работы емкостного датчика
• LC фильтры как основа емкостного измерения
• Вывод

Измерение без прикосновения

Емкостное измерение это не емкостной сенсор (похожая технология, оптимизированная для выполнения функций цифрового коммутатора)! Емкостная сенсорная система использует множества каналов в строке и столбце расположения (как на сенсорном экране телефона или планшете). Сенсорный экран требует непосредственного контакта и работает в течении очень короткого диапазона – в большинстве случаев это несколько миллиметров.

В отличии от похожей системы – сенсорного экрана, емкостной датчик является аналоговой системой и работает на расстоянии до 70 см. Он имеет гораздо большую чувствительность и точность, поскольку происходит изменение емкости всего в несколько пикофарад.

Принцип емкостного измерения

Емкость системы – это ее способность хранить электрический заряд, который является одним из основных электрических параметров. Самая простая модель конденсатора (устройство для хранения электрического заряда) будет состоять из двух электрических проводников или пластин, разделенных диэлектриком:

Для модели конденсатора представленной выше емкость (в фарадах)  определяется по формуле:

Где: А – площадь пластины (WxL); ε_r – диэлектрическая проницаемость межпластинного материала; ε₀ – электрическая постоянная 8,85х10^-12 Ф/м; d – расстояние между пластинами в метрах;

Когда датчик заряжен, он создает электрическое поле:

Срабатывание емкостного датчика

Как превращается конденсатор в емкостной датчик? Смотрите ниже:

На рисунке а) показан датчик приближения, использующий палец в качестве «земли», на рисунке б) показано измерение уровня жидкости с параллельным датчиком и землей, а на рисунке с) показан датчик обнаружения и анализа материала.

Бесконтактный датчик формируется путем построения изолированного датчика пластины из проводящей области печатной платы и зарядки. Конденсатор будет формироваться в любое время в заземленном проводящем элементе или же в любом другом объекте, имеющем диэлектрическую проницаемость отличную от воздуха. Из рисунка а) видно, что такой принцип будет работать и в случае приближение части человеческого тела (в нашем случае пальца), так как, по сути, человеческое тело будет представлять собой потенциал земли.

По мере приближения пальца будет изменятся емкость. Даже с учетом того, что эта система нелинейна, обнаружение приближения не составит большого труда.

Для расширения возможностей данного измерительного устройства могут использовать несколько независимых датчиков – вниз/вверх и  влево/вправо:

По мере перемещения пальца изменяется емкость всех четырех датчиков. Многоканальный детектор считывает эти показания и передает в микроконтроллер, который проводит вычисления скорости и направления перемещения.

Во многих системах, таких как хранения химических веществ, промышленные системы контроля и автоматизации или коммерческие машины необходимо измерять уровень жидкости. В этом случае пластины датчика могут располагаться рядом друг с другом (см. рисунок б)), в результате чего получается повышенная чувствительность вдоль вертикальной оси.

По мере изменения уровня жидкости будет меняться и диэлектрическое значение, соответственно изменится и емкость. Такая конфигурация позволяет использовать края силовых линий. Соответственно и расчеты изменения емкости в данном случае будут значительно сложнее, чем в случае простой пластины.

Датчик анализа материалов состоит из основной пластины, показанной на рисунке с). Для анализа материала используется эффект изменения проницаемости между пластинами при добавлении или удалении материала. Незагруженный датчик использует в качестве диэлектрика воздух. При попадании в этот воздушный зазор материала, например бумаги, электрическая емкость полученного таким образом конденсатора увеличится, соответственно изменение отслеживаются и передаются в контроллер, который и обрабатывает данные значения, вычисляя, таким образом, тип и свойства материала.

Экранирование и емкостные измерения

Одной из проблем емкостных приборов измерения приближений является то, что силовые линии будут распространятся  на любые соседние ячейки с потенциалом земли. Многие паразитные явление (например, ground traces (путь на поверхности Земли оставленный самолетом или спутником )) влияют на чувствительность и расстояние обнаружения датчиком. Данное явление представляет собой проблему для чувствительных к шуму систем.

Паразитные эффекты на печатных платах (а), влияющие на качество работы устройства уменьшают с помощью защитных электродов. Драйверы защитного экрана включают в интерфейсные устройства емкостных датчиков и специализированных микроконтроллеров.

Добавление активного экрана может помочь избавится от паразитных влияний на окружающую среду и позволит использовать максимальный потенциал устройства. Хорошо спроектированный активный экран будет направлен на выход датчика и будет направлять его сигнал в нужном направлении.

Драйвер защиты является активным выходом, который работает от того же напряжения что и само устройство. Таким образом, не будет возникать никакой разности потенциалов между экраном и входом устройства. Любое внешнее вмешательство вызовет минимальное взаимодействие между экранированным электродом и измерительным электродом.

Блок диаграмма работы емкостного датчика

Специализированный аналоговый интерфейс преобразует сигнал от емкостного датчика в цифровую форму, которая пригодна для дальнейшей обработки:

Интерфейс периодически опрашивает измерительное устройство и подает сигнал, необходимый для зарядки сенсорной пластины. Частота дискретизации выходного сигнала относительно медленная, около 500 выборок в секунду, но с высоким разрешением. Это необходимо для определения небольших различий емкости. 16-разрядный сигма-дельта АЦП обеспечивает хороший компромисс между скоростью, разрешением и низким энергопотреблением.

Многоканальные устройства могут проводить дифференциальные измерения для точного представления разности емкости между двумя датчиками. Например, если на емкость оказывают существенное влияние погодные условия, то один канал может быть посвящен погодным условиям и отслеживать изменения в диэлектриках, вызванные температурой, влажностью, типом материала и так далее. Дифференциальное измерение способно повышать точность благодаря внесению правок, связанных с работой какого-то канала.

При измерении уровня жидкости один канал измеряет емкость, связанную с уровнем жидкости, а второй канал для опорного датчика, который измеряет электрическую емкость нулевого уровня. Так как емкость пропорциональна высоте уровня жидкости, то измеряемый уровень жидкости будет равен разности или отношению между датчиком уровня и датчиком нулевого уровня.

LC фильтры как основа емкостного измерения

Одной из главных проблем емкостного измерения является наличие паразитных шумов. Модификация измерительного устройства включающего в себя частотно-чувствительный компонент позволяет повысить помехоустойчивость. Дополнительно к датчику добавляется конденсатор и катушка индуктивности для формирования резонансного колебательного контура.

Где: а) схема фильтра; б) его характеристика.

Хотя архитектура LC фильтра проста, он имеет несколько существенных преимуществ при интеграции в состав емкостного измерительного устройства.

Во-первых, LC резонатор обеспечивает отличную устойчивость к электромагнитным помехам, а во-вторых, работающий на определенных частотах источник шума вполне может быть отфильтрована LC резонатором без использования внешних схем. Это уменьшает сложность системы и уменьшает ее стоимость.

Изменение емкости LC контура приведет к сдвигу резонансной частоты. Этот принцип использует FDC2214 в емкостно-цифровом преобразователе, который измеряет частоту колебаний LC фильтра. Устройство выдает цифровое значение, пропорциональное этой частоте. Данные измерения могут быть преобразованы в эквивалентную емкость нижестоящему микроконтроллеру.

Вывод

Емкостное измерение является гибкой технологией, которая становится все более популярна. Его низкая стоимость и низкое энергопотребление делают его идеальным выбором для широкого круга приложений, как в бытовой сфере, так и в промышленной.