Датчики силы, механического напряжения и прикосновения. Емкостной сенсорный датчик своими руками

Емкостной датчик – это один из типов бесконтактных датчиков, принцип работы которого основан на изменении диэлектрической проницаемости среды между двух обкладок конденсатора. Одной обкладкой служит сенсорный датчик схемы в виде металлической пластины или провода, а второй – электропроводящее вещество, например, металл, вода или тело человека.

При разработке системы автоматического включения подачи воды в унитаз для биде возникла необходимость применения емкостного датчика присутствия и выключателя, обладающих высокой надежностью, устойчивостью к изменению внешней температуры, влажности, пыли и питающему напряжению. Хотелось также исключить необходимость прикосновения человека с органами управления системы. Предъявляемые требования могли обеспечить только схемы сенсорных датчиков, работающих на принципе изменения емкости. Готовой схемы удовлетворяющей необходимым требованиям не нашел, пришлось разработать самостоятельно.

Получился универсальный емкостной сенсорный датчик, который не требует настройки и реагирует на приближающиеся электропроводящие предметы, в том числе и человека, на расстояние до 5 см. Область применения предлагаемого сенсорного датчика не ограничена. Его можно применять, например, для включения освещения, систем охранной сигнализации, определения уровня воды и в многих других случаях.

Электрические принципиальные схемы

Для управления подачей воды в биде унитаза понадобилось два емкостных сенсорных датчика. Один датчик нужно было установить непосредственно на унитазе, он должен был выдавать сигнал логического нуля при присутствии человека, а при отсутствии сигнал логической единицы. Второй емкостной датчик должен был служить включателем воды и находиться в одном из двух логических состояний.

При поднесении к сенсору руки датчик должен был менять логическое состояние на выходе – из исходного единичного состояния переходить в состояние логического нуля, при повторном прикосновении руки из нулевого состояния переходить в состояние логической единицы. И так до бесконечности, пока на сенсорный включатель поступает разрешающий сигнал логического нуля с сенсорного датчика присутствия.

Схема емкостного сенсорного датчика

Основой схемы емкостного сенсорного датчика присутствия является задающий генератор прямоугольных импульсов, выполненный по классической схеме на двух логических элементах микросхемы D1.1 и D1.2. Частота генератора определяется номиналами элементов R1 и C1 и выбрана около 50 кГц. Значение частоты на работу емкостного датчика практически не влияет. Я менял частоту от 20 до 200 кГц и влияния на работу устройства визуально не заметил.

С 4 вывода микросхемы D1.2 сигнал прямоугольной формы через резистор R2 поступает на входы 8, 9 микросхемы D1.3 и через переменный резистор R3 на входы 12,13 D1.4. На вход микросхемы D1.3 сигнал поступает с небольшим изменением наклона фронта импульсов из-за установленного датчика, представляющего собой кусок провода или металлическую пластину. На входе D1.4, из за конденсатора С2, фронт изменяется на время, необходимое для его перезаряда. Благодаря наличию подстроечного резистора R3, есть возможность фронты импульса на входе D1.4, выставить равным фронту импульса на входе D1.3.

Если приблизить к антенне (сенсорному датчику) руку или металлический предмет, то емкость на входе микросхемы DD1.3 увеличится и фронт поступающего импульса задержатся во времени, относительно фронта импульса, поступающего на вход DD1.4. чтобы «уловить» эту задержку про инвертированные импульсы подаются на микросхему DD2.1, представляющую собой D триггер, работающий следующим образом. По положительному фронту импульса, поступающего на вход микросхемы C, на выход триггера передается сигнал, который в тот момент был на входе D. Следовательно, если сигнал на входе D не изменяется, поступающие импульсы на счетный вход C не оказывают влияния на уровень выходного сигнала. Это свойство D триггера и позволило сделать простой емкостной сенсорный датчик.

Когда емкость антенны, из за приближения к ней тела человека, на входе DD1.3 увеличивается, импульс задерживается и это фиксирует D триггер, изменяя свое выходное состояние. Светодиод HL1 служит для индикации наличия питающего напряжения, а HL2 для индикации приближения к сенсорному датчику.

Схема сенсорного включателя

Схему емкостного сенсорного датчика можно использовать и для работы сенсорного включателя, но с небольшой доработкой, так как ему необходимо не только реагировать на приближение тела человека, но и оставаться в установившемся состоянии после удаления руки. Для решения этой задачи пришлось к выходу сенсорного датчика добавить еще один D триггер, DD2.2, включенный по схеме делителя на два.

Схема емкостного датчика была немного доработана. Для исключения ложных срабатываний, так как человек может подносить и удалять руку медленно, из-за наличия помех датчик может выдавать на счетный вход D триггера несколько импульсов, нарушая необходимый алгоритм работы включателя. Поэтому была добавлена RC цепочка из элементов R4 и C5, которая на небольшое время блокировала возможность переключение D триггера.

Триггер DD2.2 работает так же, как и DD2.1, но сигнал на вход D подается не с других элементов, а с инверсного выхода DD2.2. В результате по положительному фронту импульса, приходящего на вход С сигнал на входе D изменяется на противоположный. Например, если в исходном состоянии на выводе 13 был логический ноль, то поднеся руку к сенсору один раз, триггер переключится и на выводе 13 установится логическая единица. При следующем воздействии на сенсор, на выводе 13 опять установится логический ноль.

Для блокировки включателя при отсутствии человека на унитазе, с сенсора на вход R (установка нуля на выходе триггера вне зависимости от сигналов на всех остальных его входах) микросхемы DD2.2 подается логическая единица. На выходе емкостного выключателя устанавливается логический ноль, который по жгуту подается на базу ключевого транзистора включения электромагнитного клапана в Блоке питания и коммутации.

Резистор R6, при отсутствии блокирующего сигнала с емкостного датчика в случае его отказа или обрыва управляющего провода, блокирует триггер по входу R, тем самым исключает возможность самопроизвольной подачи воды в биде. Конденсатор С6 защищает вход R от помех. Светодиод HL3 служит для индикации подачи воды в биде.

Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков

Когда я начал разрабатывать сенсорную систему подачи воды в биде, то наиболее трудной задачей мне казалась разработка емкостного датчика присутствия. Обусловлено это было рядом ограничений по установке и эксплуатации. Не хотелось, чтобы датчик был механически связан с крышкой унитаза, так как ее периодически надо снимать для мойки, и не мешал при санитарной обработке самого унитаза. Поэтому и выбрал в качестве реагирующего элемента емкость.

Сенсорного датчика присутствия

По выше опубликованной схеме сделал опытный образец. Детали емкостного датчика собраны на печатной плате, плата размещена в пластмассовой коробке и закрывается крышкой. Для подключения антенны в корпусе установлен одноштырьковый разъем, для подачи питающего напряжения и сигнала установлен четырех контактный разъем РШ2Н. Соединена печатная плата с разъемами пайкой медными проводниками в фторопластовой изоляции.

Сенсорный емкостной датчик собран на двух микросхемах КР561 серии, ЛЕ5 и ТМ2. Вместо микросхемы КР561ЛЕ5 можно применить КР561ЛА7. Подойдут и микросхемы 176 серии, импортные аналоги. Резисторы, конденсаторы и светодиоды подойдут любого типа. Конденсатор С2, для стабильной работы емкостного датчика при эксплуатации в условиях больших колебаниях температуры окружающей среды нужно брать с малым ТКЕ.

Установлен датчик под площадкой унитаза, на которой установлен сливной бачек в месте, куда в случае протечки из бачка вода попасть не сможет. К унитазу корпус датчика приклеен с помощью двустороннего скотча.

Антенный датчик емкостного сенсора представляет собой отрезок медного многожильного провода длинной 35 см в изоляции из фторопласта, приклеенного с помощью прозрачного скотча к внешней стенке чаши унитаза на сантиметр ниже плоскости очка. На фотографии сенсор хорошо виден.

Для настойки чувствительности сенсорного датчика необходимо после его установки на унитаз, изменяя сопротивление подстроечного резистора R3 добиться, чтобы светодиод HL2 погас. Далее положить руку на крышку унитаза над местом нахождения сенсора, светодиод HL2 должен загораться, если руку убрать, потухнуть. Так как бедро человека по массе больше руки, то при эксплуатации сенсорный датчик, после такой настройки, будет работать гарантировано.

Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя

Схема емкостного сенсорного включателя имеет больше деталей и для их размещения понадобился корпус большего размера, да и по эстетическим соображениям, внешний вид корпуса, в котором был размещен сенсорный датчик присутствия не очень подходил для установки на видном месте. Внимание на себя обратила настенная розетка rj-11 для подключения телефона. По размерам она подходила и имела хороший внешний вид. Удалив из розетки все лишнее, разместил в ней печатную плату емкостного сенсорного выключателя.

Для закрепления печатной платы в основании корпуса была установлена короткая стойка и к ней с помощью винта прикручена печатная плата с деталями сенсорного выключателя.

Датчик емкостного сенсора сделал, приклеив ко дну крышки розетки клеем «Момент» лист латуни, предварительно вырезав в них окошко для светодиодов. При закрывании крышки, пружина (взята от кремневой зажигалки) соприкасается с латунным листом и таким образом обеспечивается электрический контакт между схемой и сенсором.

Крепится емкостной сенсорный включатель на стену с помощью одного самореза. Для этого в корпусе предусмотрено отверстие. Далее устанавливается плата, разъем и закрепляется защелками крышка.

Настройка емкостного выключателя практически не отличается от настройки сенсорного датчика присутствия, описанного выше. Для настойки нужно подать питающее напряжение и резистором отрегулировать, чтобы светодиод HL2 загорался, когда к датчику подносится рука, и гас, при ее удалении. Далее нужно активировать сенсорный датчик и поднести и удалить руку к сенсору выключателя. Должен мигнуть светодиод HL2 и загореться красный светодиод HL3. При удалении руки красный светодиод должен продолжать светиться. При повторном поднесении руки или удалении тела от датчика, светодиод HL3 должен погаснуть, то есть выключить подачу воды в биде.

Универсальная печатная плата

Представленные выше емкостные датчики собраны на печатных платах, несколько отличающихся от печатной платы приведенной ниже на фотографии. Это связано с объединением обеих печатных плат в одну универсальную. Если собирать сенсорный включатель, то необходимо только перерезать дорожку под номером 2. Если собирать сенсорный датчик присутствия, то удаляется дорожка номер 1 и не все элементы устанавливаются.

Не устанавливаются элементы, необходимые для работы сенсорного включателя, но мешающие работе датчика присутствия, R4, С5, R6, С6, HL2 и R4. Вместо R4 и С6 запаиваются проволочные перемычки. Цепочку R4, С5 можно оставить. Она не будет влиять на работу.

Ниже приведен рисунок печатной платы для накатки при использовании термического метода нанесения на фольгу дорожек.

Достаточно распечатать рисунок на глянцевой бумаге или кальке и шаблон готов для изготовления печатной платы.

Безотказная работа емкостных датчиков для сенсорной системы управления подачи воды в биде подтверждена на практике в течении трех лет постоянной эксплуатации. Сбоев в работе не зафиксировано.

Однако хочу заметить, что схема чувствительна к мощным импульсным помехам. Мне приходило письмо о помощи в настройке. Оказалось, что во время отладки схемы рядом находился паяльник с тиристорным регулятором температуры. После выключения паяльника схема заработала.

Еще был такой случай. Емкостной датчик был установлен в светильник, который подключался в одну розетку с холодильником. При его включении свет включался и при повторном выключался. Вопрос был решен подключением светильника в другую розетку.

Приходило письмо об успешном применении описанной схемы емкостного датчика для регулировки уровня воды в накопительном баке из пластика. В нижней и верхней части было приклеено силиконом по датчику, которые управляли включением и выключением электрического насоса.

Датчик касания для Arduino

Модуль представляет собой сенсорную кнопку, на его выходе формируется цифровой сигнал, напряжение которого соответствует уровням логических единицы и нуля. Относится к емкостным датчикам касания. С такого рода устройствами ввода данных мы сталкиваемся при работе с дисплеем планшета, айфона или тачскрин монитора. Если на мониторе мы нажимаем на иконку стилусом или пальцем, то здесь для этого используется область поверхности платы размером с иконку Windows касание которой производится только пальцем, стилус исключается. Основа модуля микросхема TTP223-BA6 . Есть индикатор питания.

Управление ритмом воспроизведения мелодии

При установке в прибор сенсорную область поверхности платы модуля закрывают тонким слоем стеклотекстолита, пластмассы, стекла иди дерева. К преимуществам емкостной сенсорной кнопки относится большой срок службы и возможность герметизации передней панели прибора, антивандальные свойства. Это позволяет использовать датчик касания в работающих на открытом воздухе приборах в условиях прямого попадания капель воды. Например, кнопка дверного звонка или бытовые приборы. Интересно применение в оборудовании умный дом - замена выключателей освещения.

Характеристики

Напряжение питания 2,5 - 5,5 В
Время отклика на касание в различных режимах потребления тока
низкое 220 мс
обычное 60 мс
Выходной сигнал
Напряжение
высокий лог. уровень 0,8 Х напряжение питания
низкий лог. уровень 0,3 Х напряжение питания
Ток при питании 3 В и логических уровнях, мА
низкий 8
высокий -4
Размеры платы 28 x 24 x 8 мм

Контакты и сигнал

Нет касания - выходной сигнал имеет низкий логический уровень, касание - на выходе датчика логическая единица.

Почему это работает или немного теории

Тело человека, как и все что нас окружает, обладает электрическими характеристиками. При срабатывании датчика прикосновения проявляются наши емкость, сопротивление, индуктивность. На нижней стороне платы модуля расположен участок фольги соединенный с входом микросхемы. Между пальцем оператора и фольгой на нижней стороне расположен слой диэлектрика - материал несущей основы печатной платы модуля. В момент касания происходит заряд тела человека микроскопическим током, протекающим через конденсатор, образованный участком фольги и пальцем человека. При упрощенном рассмотрении ток протекает через два последовательно соединенных конденсатора: фольга, палец находящихся на противоположных поверхностях платы и тело человека. Поэтому если поверхность платы закрыть тонким слоем изолятора, то это приведет к увеличению толщины слоя диэлектрика конденсатора фольга-палец и не нарушит работу модуля.
Микросхема TTP223-BA6 фиксирует ничтожный импульс микротока и регистрирует прикосновение. Благодаря свойствам микросхемы работать с такими токами никакого вреда такая технология не наносит. Когда мы касаемся корпуса работающего телевизора или монитора через нас проходят микротоки большей величины.

Режим пониженного потребления

После подачи питания датчик касания находится в режиме пониженного энергопотребления. После срабатывания на 12 секунд модуль переходит в обычный режим. Если далее касание не произошло, то модуль вернется в режим пониженного потребления тока. Скорость реакции модуля на касание в различных режимах приведена в характеристиках выше.

Работа совместно с Arduino UNO

Загрузите в Arduino UNO следующую программу.

#define ctsPin 2 // Контакт подключения линии сигнала датчика касания
int ledPin = 13; // Контакт для светодиода

Void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
pinMode(ctsPin, INPUT);
}

Void loop() {
int ctsValue = digitalRead(ctsPin);
if (ctsValue == HIGH){
digitalWrite(ledPin, HIGH);
Serial.println("TOUCHED");
}
else{
digitalWrite(ledPin,LOW);
Serial.println("not touched");
}
delay(500);
}

Соедините датчик касания и Arduino UNO как показано на рисунке. Схему можно дополнить включающимся при касании датчика светодиодом, подключенным через резистор 430 Ом к контакту 13. Сенсорные кнопки часто оснащают индикатором касания. Так удобней работать оператору. При нажатии на механическую кнопку мы чувствуем щелчок независимо от реакции системы. Здесь новизна технологии немного удивляет из-за нашей моторики сложившейся годами. Индикатор нажатия избавляет нас от излишнего ощущения новизны.

В данной статье мы подробно (но не слишком) рассмотрим принципы электричества, которые позволяют нам обнаруживать прикосновение человеческого пальца, используя немного больше, чем просто конденсатор.

Конденсаторы могут быть сенсорными

В течение последнего десятилетия или около того стало действительно трудно представить себе мир с электроникой без сенсорных датчиков прикосновений. Смартфоны являются тому наиболее заметным и распространенным примером, но, конечно, существуют и другие многочисленные устройства и системы, которые обладают датчиками прикосновений. Для построения сенсорных датчиков прикосновений могут использоваться и емкость, и сопротивление; в данной статье мы будем обсуждать только емкостные датчики, которые более предпочтительны в реализации.

Хотя применения, основанные на емкостных датчиках, могут быть довольно сложными, фундаментальные принципы, лежащие в основе данной технологии, достаточно просты. На самом деле, если вы понимаете суть емкости и факторы, которые определяют емкость конкретного конденсатора, вы стоите на правильном пути в понимании работы емкостных сенсорных датчиков прикосновения.

Емкостные сенсорные датчики касания делятся на две основные категории: на основе взаимной емкости и на основе собственной емкости. Первый из них, в котором конденсатор датчика состоит из двух выводов, которые действуют как излучающий и приемный электроды, является более предпочтительным для сенсорных дисплеев. Последний, в котором один вывод конденсатора датчика подключен к земле, является прямым подходом, который подходит для сенсорной кнопки, слайдера или колеса. В данной статье мы рассмотрим датчики на основе собственной емкости.

Конденсатор на базе печатной платы

Конденсаторы могут быть различных типов. Мы все привыкли видеть емкость в виде компонентов с выводами или корпусов поверхностного монтажа, но на самом деле, всё, что вам действительно необходимо, это два проводника, разделенных изолирующим материалом (т.е. диэлектриком). Таким образом, довольно просто создать конденсатор, используя лишь электропроводные слои, разделенные печатной платой. Например, рассмотрим следующие вид сверху и вид сбоку печатного конденсатора, используемого в качестве сенсорной кнопки прикосновения (обратите внимание на переход на другой слой печатной платы на рисунке вида сбоку).

Изолирующее разделение между сенсорной кнопкой и окружающей медью создает конденсатор. В этом случае, окружающая медь подключена к земле, и, следовательно, наша сенсорная кнопка может быть смоделирована, как конденсатор между сенсорной сигнальной площадкой и землей.

Возможно, сейчас вы захотите узнать, какую емкость реально обеспечивает такая разводка печатной платы. Кроме того, как мы рассчитаем ее точно? Ответ на первый вопрос: емкость очень мала, может составлять около 10 пФ. Что касается второго вопроса: не беспокойтесь, если забыли электростатику, потому что точное значение емкости конденсатора не имеет никакого значения . Мы ищем только изменения в емкости, и мы можем обнаружить эти изменения без знания номинального значения емкости печатного конденсатора.

Влияние пальца

Так что же вызывает эти изменения емкости, которые контроллер датчика прикосновений собирается обнаружить? Ну, конечно же, человеческий палец.

Прежде, чем мы обсудим, почему палец изменяет емкость, важно понимать, что здесь нет прямого электрического контакта; палец изолирован от конденсатора лаком на печатной плате и, как правило, слоем пластика, который отделяет электронику устройства от внешней среды. Так что палец не разряжает конденсатор , и, кроме того, количество заряда, хранимое в конденсаторе в определенный момент, не представляет интереса - скорее интерес представляет емкость в определенный момент.

Итак, почему же присутствие пальца изменяет емкость? Есть две причины: первая включает в себя диэлектрические свойства пальца, а вторая включает в себя его проводящие свойства.

Палец как диэлектрик

Обычно мы думаем о конденсаторе, как имеющем фиксированную величину, определяемую площадью двух проводящих пластин, расстоянием между ними и диэлектрической проницаемостью материала между пластинами. Мы, конечно, не можем изменить физические размеры конденсатора, просто прикоснувшись к нему, но мы можем изменить диэлектрическую проницаемость, так как палец человека обладает диэлектрическими характеристиками, отличающимися от материала (предположительно воздуха), который он вытесняет. Это правда, что палец не будет находиться в настоящей области диэлектрика, т.е. в изолирующем пространстве непосредственно между проводниками, но такое «вторжение» в конденсатор необязательно:

Как показано на рисунке, чтобы изменить диэлектрические характеристики, нет необходимости помещать палец между пластинами, поскольку электрическое поле конденсатора распространяется в окружающую среду.

Оказывается, что человеческая плоть является довольно хорошим диэлектриком, потому что наши тела состоят в основном из воды. Относительная диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, а относительная диэлектрическая проницаемость воздуха лишь немного выше (около 1,0006 на уровне моря при комнатной температуре). Относительная диэлектрическая проницаемость воды намного выше, около 80. Таким образом, взаимодействие пальца с электрическим полем конденсатора представляет собой увеличение относительной диэлектрической проницаемости, и, следовательно, приводит к увеличению емкости.

Палец как проводник

Любой, кто испытал на себе удар электрического тока, знает, что кожа человека проводит ток. Я уже упоминал выше, что прямого контакта между пальцем и сенсорной кнопкой (то есть ситуации, когда палец разряжает печатный конденсатор) нет. Тем не менее, это не означает, что проводимость пальца не имеет значения. Она на самом деле весьма важна, так как палец становится второй проводящей пластиной в дополнительном конденсаторе:

На практике мы можем предположить, что этот новый конденсатор, созданный пальцем, подключен параллельно существующему печатному конденсатору. Эта ситуация немного сложнее, потому что человек, использующий сенсорное устройство, электрически не соединен с землей на печатной плате, и, таким образом, эти два конденсатора не включены параллельно в обычном для анализа цепей смысле.

Тем не менее, мы можем думать о человеческом теле, как об обеспечивающем виртуальную землю, поскольку оно имеет относительно большую емкость, чтобы поглощать электрический заряд. В любом случае, нам не нужно беспокоиться о точной электрической связи между конденсатором с пальцем и печатным конденсатором; важным моментом является то, что псевдопараллельное соединение этих двух конденсаторов означает, что палец будет увеличивать общую емкость, так как конденсатор добавляется параллельно.

Таким образом, мы можем увидеть, что оба механизма влияния при взаимодействии пальца и емкостного датчика касания способствуют увеличению емкости.

Близкое расстояние или контакт

Предыдущее обсуждение приводит нас к интересной особенности емкостных датчиков касаний: измеряемое изменение емкости может быть вызвано не только контактом между пальцем и датчиком, но и близким расстоянием между ними. Я обычно думаю о сенсорном устройстве, как о замене механического переключателя или кнопки, но емкостная технология датчиков касаний на самом деле представляет собой новый уровень функциональности, позволяя системе определять расстояние между датчиком и пальцем.

Оба механизма изменения емкости, описанные выше, оказывают влияние, которое зависит от расстояния. Для механизма на базе диэлектрической проницаемости количество «мясного» диэлектрика взаимодействие с электрическим полем конденсатора увеличивается при приближении пальца к проводящим частям печатного конденсатора. Для механизма на базе проводящих свойств емкость конденсатора с пальцем (как и любого другого конденсатора) обратно пропорциональна расстоянию между проводящими пластинами.

Имейте в виду, что этот метода не подходит для измерения абсолютного расстояния между датчиком и пальцем; емкостные датчики не предоставляют тех данных, которые необходимы для выполнения точных вычислений абсолютных расстояний. Я полагаю, что можно было бы откалибровать емкостную сенсорную систему для грубых измерений расстояний, но так как схема емкостных датчиков была разработана для обнаружения изменения емкостей, то отсюда следует, что эта технология особенно подходит для обнаружения изменения в расстояниях, т.е. когда палец приближается или удаляется от датчика.

Заключение

Теперь вы должны точно понимать фундаментальные основы, на базе которых строятся емкостные сенсорные системы. В следующей статье мы рассмотрим методы реализации этих основ, которые помогут вам перейти от теории к практике.

Надеюсь, статья оказалась полезной. Оставляйте комментарии!

Предлагаемая для повторения схема представляет собой усилитель, обладающий высокой чувствительностью к электромагнитному полю, создаваемому внешними устройствами. При подключении входного контакта схемы к антенне светодиод сигнализирует о наличии излучения электромагнитного поля и наводок от электрооборудования. Светодиод также будет индицировать факт прикосновения к контакту, так как роль антенны в данном случае выполняет тело человека. Отсюда и название - датчик прикосновения. Другое название схемы - активная антенна .

Принципиальная схема датчика прикосновения показана на Рисунке 1.

Схема напоминает автогенератор на транзисторе n-p-n структуры. Один из выводов обмотки L1 подключается непосредственно к входному контакту X1. Полярность включения светодиода VD1 не имеет значения. Резистор R2 ограничивает ток через светодиод и, тем самым, определяет яркость его свечения при срабатывании датчика.

Датчик прикосновения собран на макетной плате размером 40 × 40 мм. Внешний вид конструкции показан на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Внешний вид датчика прикосновения.

Обмотки L1 и L2 расположены на общем каркасе с двумя секциями для намотки и подстроечным ферритовым сердечником. Наружный диаметр каркаса - 10 мм, длина сердечника - 23 мм, диаметр резьбы у основания сердечника - 6 мм. В конструкции, показанной на Рисунке 2, L1 намотана на верхней секции, L2 - на нижней. Каждая катушка содержит 100 витков провода ПЭЛ 0,2. Обмотки включены согласно. При помощи отвертки сердечник ввинчивается внутрь каркаса. Светодиод VD1 - любой из серии АЛ307 . В качестве Х1 использован лепесток заземления. Прикосновение к нему вызывает зажигание светодиода.

Параллельно VD1 можно подключить измерительный прибор, к примеру, мультиметр в режиме измерения напряжения, что позволит оценивать уровень напряженности поля. В этом случае внешняя антенна может представлять собой отрезок монтажного провода длиной несколько сантиметров. Настройка схемы будет сводиться к выбору длины антенны и поиску такого положения сердечника, при котором напряжение на светодиоде максимально.

Схема не привередлива к выбору элементной базы. К примеру, в первоначальном варианте схемы применялся транзистор КТ815Г , сопротивление резистора R1 составляло 100 кОм. В качестве L1 и L2 использовались две катушки на стержневом ферритовом сердечнике длинноволновой магнитной антенны из радиоприемника. Катушки можно было двигать вдоль сердечника. При перемещении катушек наблюдались явления, не противоречащие закону электромагнитной индукции, в отличие от схемы, предложенной в . При значительном удалении катушек друг от друга и без ферритового сердечника схема работать переставала.

Практическое применение схема может найти не только при конструировании измерителей напряженности поля, но и в устройствах автоматики и сигнализации. Датчик прикосновения можно подключить к микроконтроллеру. Для этого следует выполнить аналого-цифровое преобразование напряжения на светодиоде VD1, возможно, с помощью ресурсов самого микроконтроллера, если он содержит встроенный АЦП.

В заключение необходимо отметить, что существует немало схем датчиков прикосновения, основанных на полевых транзисторах и не содержащих индуктивных элементов. Возможно, их работа во многих случаях более эффективна, но конструкция, приведенная в этой статье, является примером оригинального технического решения и ориентирована на начинающих радиолюбителей.

Литература

1. Бровин В. И. Явление передачи энергии индуктивностей через магнитные моменты вещества, находящегося в окружающем пространстве, и его применение. - М.: МетаСинтез, 2003 - 20 с.
2. Крылов К. С., Ли Жаехо, Ким Янг Жин, Ким Сеунгхван, Ли Санг-Ха. Патент на изобретение №2395876. Активная магнитная антенна с ферритовым сердечником.

ДАТЧИКИ СИЛЫ, МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ПРИКОСНОВЕНИЯ

В системе СИ основными единицами счи­таются масса, длина и время, в то время как сила и ускорение – производными единицами. В Британской и американской системах единиц основными единицами счи­таются сила, длина и время. Единица измерения силы является одной из фундаменталь­ных физических величин. Измерение сил проводится и при проведении меха­нических исследований, и в гражданском строительстве, и при взвешивании объектов, и при изготовлении протезов и т.д. При определении давления также требуется измерение силы. Считается, что при работе с твердыми объектами измеряется сила, а при работе с жидкостями и газами определяется давление. Это значит, что сила рассматривается тогда, когда действие приложено к конк­ретной точке, а давление определяется тогда, когда сила распределена по срав­нительно большой площади.

Датчики силы можно разделить на два класса: количественные и качествен­ные. Количественные датчики измеряют силу и представляют ее значение в элек­трических единицах. Примерами таких датчиков являются динамометрические элементы и тензодатчики. Качественные датчики - это пороговые устройства, чья функция заключается не в количественном определении значения силы, а в де­тектировании превышения заданного уровня приложенной силы. Примером та­ких устройств является клавиатура компьютера, каждая клавиша которой замыкает соответствующий контакт только при нажатии на нее с определенной силой. Качественные датчики часто используются для детектирования движения и по­ложения объектов. Коврик у двери, реагирующий на давление, при­ложенное к нему, и пьезоэлектрический кабель также являются примерами каче­ственных датчиков давления.

Методы измерения силы можно разделить на следующие группы:

1. Уравновешивание неизвестной силы силой тяжести тела известной массы

2. Измерение ускорения тела известной массы, к которому приложена неизвес­тная сила

3. Уравновешивание неизвестной силы электромагнитной силой

4. Преобразование силы в давление жидкости и измерение этого давления

5. Измерение деформации упругого элемента системы, вызванной неизвестной силой

В современных датчиках наиболее часто применяется 5 метод, а методы 3 и 4 используются сравнительно редко.

В большинстве датчиков не происходит прямого преобразования силы в элек­трический сигнал. Для этого обычно требуется несколько промежуточных эта­пов. Поэтому, как правило, датчики силы являются составными устройствами. Например, датчик силы часто представляет собой комбинацию преобразователя сила-перемещение и детектора положения (перемещения). Это может быть про­стая спиральная пружина, уменьшение длины которой, вызванное приложен­ной силой сжатия, будет пропорционально ее коэффициенту упругости.

На рис.1А показан датчик, состоящий из пружины и детектора перемещений, реализованного на основе линейно регулируемого дифференциального трансфор­матора (ЛРДТ). В линейном диапазоне изменения длины пру­жины напряжение на выходе ЛРДТ пропорционально приложенной силе. На рис. 1Б представлен еще один вариант датчика силы, состоящий из гофрированной мембраны, заполненной жидкостью, непосредственно на которую и действует сила, и датчика давления. Гофрированная мембрана, распределяя силу на входе по поверхности чувствительного элемента датчика давления, играет роль преоб­разователя сила-давление.

Тензодатчик - это гибкий резистивный чувствительный элемент, сопротивление которого пропорционально приложенному механическому напряжению (вели­чине деформации). Все тензодатчики построены на основе ранее упоминавшегося пьезорезистивного эффекта. Проволочный тензодатчик представляет собой резистор, наклеенный на гиб­кую подложку, которая в свою очередь прикрепляется на объект, где измеряется сила или напряжение. При этом должна обеспечиваться надежная механическая связь между объектом и тензочувствительным элементом, в то время как провод резистора должен быть электрически изолирован от объекта. Коэффициенты теп­лового расширения подложки и провода должны быть согласованы. Для получения хорошей чувствительности датчик должен иметь длинные продольные участки и короткие поперечные (рис. 2). Это делается для того, чтобы чувстви­тельность в поперечном направлении не превышала 2% от продольной чувствительности. Для измерения напря­жeний в разных направлениях меняется конфигурация датчиков. Следует отме­тить, что полупроводниковые тензочувствительные эле­менты обладают довольно сильной чувствительностью к изменениям температу­ры, поэтому в интерфейсных схемах или в самих датчиках необходимо предус­матривать цепи температурной компенсации.

Тактильные датчики - это специальный класс преобразователей силы или давле­ния, кото­рые характеризуются небольшой толщиной. Эти датчики полезны в слу­чаях, когда сила или давление измеряются между двумя поверхностями, располо­женными близко друг к другу. Такие датчики часто используются в робототехнике, например, их устанавливают на «пальцы» механических приводов для обеспе­чения обратной связи при контакте с объектом - это напо­минает то, как работа­ют тактильные сенсоры кожи человека. Датчики касания используются в сенсор­ных дисплеях, клавиатурах и других устройствах, где необходимо реагировать на физи­ческое прикосновение. Тактильные датчики широко применяются в биоме­дицине, для опреде­ления прикуса зубов и правильности установки коронок в сто­матологической практике, а также при исследовании давления на ноги человека при ходьбе. Иногда при проведении операций протезирования их устанавливают в искусственные суставы для корректировки положения и т.д. В строительстве и на механических производствах тактильные датчики используются для определе­ния сил, действующих на закрепленные устройства.

Для изготовления тактильных чувствительных элементов используются не­сколько мето­дов. В некоторых из них на поверхности объекта формируется специ­альный тонкий слой из ма­териала, чувствительного к механическим напряжениям. На рис. 3 показан простой тактильный датчик, обеспечиваю­щий функции вклю­че­ния-выключения, со­стоящий из двух листов фольги и прокладки. Внутри про­кладки сде­ланы круглые (или лю­бой другой необходимой формы) отверстия. Один из листов фольги зазем­лен, а второй подсоеди­нен к нагрузочному ре­зистору. Если требуется контро­лировать не­сколько чув­ствительных зон, исполь­зуется мультиплексор. Когда к верхнему про­воднику приклады­вается внешняя сила над отвер­стием в прокладке, он прогибается и соприкаса­ется с ниж­ним проводни­ком, тем самым устанав­ливая с ним электриче­ский контакт, заземляю­щий нагрузочный резистор. При этом выходной сигнал становится равным нулю, что свиде­тельствует о прило­женной силе. Верхний и нижний проводники могут изготавливаться мето­дом тра­фаретной печати проводя­щими чернилами на подложке. Чувствительные зоны таких датчиков определяются ря­дами и колонками проводников, нанесенных чер­нилами. Прикосно­вение в опре­деленному участку чувствительной поверхности приводит к замыканию соответ­ст­вующих ряда и колонки, что по­казывает локализацию приложен­ной силы. Хорошие тактиль­ные датчики получаются на основе пьезоэлектрических пленок, которые используются как в пассивном, так и в активном режимах. Многие тактильные датчики выполняют функции сен­сорных переключателей. В отличие от традиционных переключателей, надежность контактов которых сильно снижается при попадании на них влаги и пыли, пьезоэлектрические ключи, благодаря своему монолитному исполнению, могут работать в неблагоприятных условиях окружающей среды.

Другой разновидностью тактильных датчиков является пьезорезистивный чув­ствительный элемент. Он изготавливается из материалов, чье электрическое сопро­тивление зависит от приложенного механического напряжения или давления. К таким материалам относятся проводящие эластомеры или пасты, чувствительные изменению давления. Проводящие эластомеры изготавливаются из силиконовой резины, полиуретана и других материалов, в состав которых входят проводящие час­тицы или волокна. Например, проводящая резина получается при введении в обыч­ную резину угольного порошка. Принцип действия эластомерных датчиков основан либо на изменении площади контактов при сдавливании эластомера между двумя проводящими пластинами, либо на изменении толщины эластомерного слоя. В зависимости от величины внешней силы, действующей на датчик, меняется площадь контактной зоны между прижимным устройством и эластомером, в резуль­тате чего изменяется электрическое сопротивление.

Более тонкие пьезорезистивные тактильные датчики получаются из полупро­водниковых полимеров, сопротивление которых также зависит от давления. Конст­рукция таких датчиков напоминает мембранный переключатель. По срав­нению с тензодатчиками пьезорезистивные чувствительные элементы обладают бо­лее широким динамическим диапазоном.

Пьезоэлектрические датчики силы

Рассмотренные пьезоэлектрические тактильные датчики не предназначены для проведения точных измерений силы. Однако на основе того же пьезоэлектрического эффекта можно реализовать и прецизионные датчики силы, как активные, так и пассивные. При разработке таких датчиков всегда следует помнить, что пьезоэлектрические устройства не могут измерять стационарные процессы. Это означает, что пьезоэлектрические датчики силы преобразуют изменения силы в пе­ременный электрический сигнал, но при этом они никак не реагируют на постоян­ное значение внешней силы. Поскольку приложенные силы могут изменять некото­рые свойства материалов, при разработке активных датчиков необходимо учитывать всестороннее влияние сигналов возбуждения. На рис. 4 показан вариант активного датчика силы. При проведении количественных измерений при помощи таких дат­чиков следует помнить, что его диапазон измерения зависит от частоты механическо­го резонанса применяемого пьезоэлектрического кристалла. Принцип действия та­ких датчиков основан на том, что при механической нагрузке кварцевых кристаллов определенных срезов, используемых в качестве резонаторов в электронных генера­торах, происходит сдвиг их резонансной частоты.