Ёмкостный датчик приближения

Работа ёмкостных датчиков обычно основана на регистрации измене­ний параметров генератора, в колеба­тельную систему которого входит ём­кость контролируемого объекта. Прос­тейшие из таких датчиков  содер­жат один LС-генератор на полевом транзисторе и работают по принципу возрастания потребляемого тока или уменьшения напряжения при увеличе­нии ёмкости. Такие устройства при мак­симальной дальности обнаружения приближающегося объекта не более 0,1 м обладают весьма низкой стабиль­ностью и малой помехоустойчивостью. Более высокие характеристики имеют ёмкостные датчики, выполненные на основе двух генераторов и работающие по принципу сравнения частоты или фазы колебаний образцового и пере­страиваемого (измерительного) генера­торов. Луч­шие из них способны почувствовать при­ближение человека на расстоянии 2 м. Однако при выполнении на дискретных элементах они получаются слишком гро­моздкими, а при использовании специа­лизированных микросхем — слишком дорогими.

В предлагаемой статье рассматри­вается чувствительный ёмкостный дат­чик на микросхеме тонального декоде­ра NJM567. Эта микросхема и её аналоги (например, NЕ567) широко ис­пользуются для обнаружения узкополосных сигналов в диапазоне от 10 Гц до 500 кГц. Они применялись и в систе­мах автоподстройки частоты вращения блока видеоголовок бытовых видеомаг­нитофонов. Использование встроенно­го в тональный декодер RС-генератора упрощает схему, а внутренняя петля ФАПЧ этого генератора обеспечивает стабильность и помехоустойчивость датчика. Дальность обнаружения приближаю­щегося человека — не менее 0,5 м (при длине антенны датчика 1м), что значи­тельно больше, чем, например, у при­бора, выполненного по схеме. В уст­ройстве отсутствуют намоточные изде­лия (катушки индуктивности), что упро­щает его повторение.

Ёмкостный датчик приближения

Схема ёмкостного датчика изобра­жена на рис. 1. Частотозадающие эле­менты находящегося в микросхеме DА2 генератора — резистор R6 и кон­денсатор С5. Сигнал генератора частотой около 15 кГц с вывода 5 микросхемы DА2 подан на фазо­сдвигающую цепь, образован­ную подстроечным резистором R5, антенной  WА1, конденсато­ром СЗ и резистором RЗ. С неё через истоковый повторитель на полевом транзисторе VТ1, уси­литель на транзисторе  VТ2 и кон­денсатор С4 сигнал поступает на вход  IN (вывод 3) микросхемы DА2. К выводу 2 этой микросхе­мы подключён конденсатор С8 фильтра фазового детектора системы ФАПЧ, от ёмкости кото­рого зависит ширина её полосы захвата. Чем ёмкость больше, тем уже полоса.На второй фазовый детектор микросхемы образцовое напря­жение подаётся от генератора с фазовым сдвигом на 90° относительно поступающего на фазовый детектор ФАПЧ. Напряжение на выводе 1 микро­схемы (выходе второго детектора), подаваемое на встроенный в неё ком­паратор напряжения, зависит от фазо­вого сдвига между входным сигналом и сигналом генератора, вносимого рас­смотренной выше цепью, которая вклю­чает в себя антенну WA1. С7 — конден­сатор выходного фильтра фазового детектора. Резистор R8, включённый между выводами 1 и 8 микросхемы, создаёт в характеристике переключе­ния компаратора гистерезис, необхо­димый для повышения помехоус­тойчивости. Цепь R7C6 — нагрузка выхода OUT, выполненного по схеме с открытым коллектором. Далее сигнал через диод VD2 посту­пает на цепь из резистора R9 и конден­сатора С9 и на вход логического эле­мента DD1.1. Цепь R10C10 формирует импульс, блокирующий ложное сраба­тывание датчика в момент включения питания. С выхода элемента DD1.1 сигнал поступает через диод VD4 на цепь R11С11, обеспечивающую длитель­ность выходного сигнала датчика не менее заданной, и на соединённые по­следовательно элементы DD1.2 и DD1.3, формирующие взаимно инверс­ные выходные сигналы датчика на линиях "Вых. 1" и "Вых. 2". Высокий уро­вень сигнала на линии "Вых. 2" и вклю­чённый светодиод HL1 свидетель­ствуют, что в чувствительной зоне нахо­дится человек.Узел питания датчика собран на интегральном стабилизаторе LМ317LZ, выходное напряжение которого уста­новлено равным 5 В с помощью рези­сторов R1 и R2. Входное напряжение может находиться в пределах 10...24 В. Диод  VD1 защищает датчик от непра­вильной полярности источника этого напряжения.

Все детали датчика смонтированы на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита, чертёж которой изображён на рис. 2. Резисторы R1 и R2 — для поверхност­ного монтажа. Их монтируют на плату со стороны печатных проводников. Подстроечный резистор R5 — СПЗ19а или его импортный аналог.Микросхему NJM567D можно заме­нить на NE567, KIA567, LM567 с раз­личными буквенными индексами, оз­начающими тип корпуса. Если он типа D1P8 (как у NJM567D) или круглый ме­таллический, печатную плату коррек­тировать не придётся. Аналог микро­схемы К561ЛЕ5 — CD4001A. Транзис­тор КП303Е заменяется на BF245, КТ3102Е — на ВС547.Антенна WA1 — отрезок одножильно­го изолированного провода сечением 0,5 мм2 и длиной 0,3...1,5 м. Короткая антенна обеспечивает меньшую чувст­вительность. Следует иметь в виду, что необходимая ёмкость конденсатора СЗ зависит от собственной ёмкости антенны, а значит, от её длины. Указанная на схеме ёмкость оптимальна для антенны длиной около метра. Чтобы работать с антенной длиной 0,3 м, ёмкость необ­ходимо уменьшить до 30 пФ.

Налаживать датчик следует, устано­вив его и антенну там, где предполага­ется их эксплуатация. При этом следует учитывать, что на порог срабатывания влияет и расположение антенны отно­сительно заземлённых предметов и проводов. Первоначально движок подстроечного резистора R5 устанавливают в поло­жение максимального сопротивления. После включения питания светодиод НL1 должен оставаться погашенным. В работоспособности датчика можно убе­диться по включению этого светодиода в случае прикосновения к антенне рукой. Если ёмкость конденсатора СЗ выбрана правильно, то при пе­реводе движка подстроенного резистора R5 в положение ми­нимального сопротивления све­тодиод должен включиться и без касания антенны.

Ёмкостный датчик приближения

Убедившись в работоспособ­ности датчика, его налаживание продолжают по общеизвестной методике, добиваясь требуемо­го порога срабатывания плав­ным перемещением движка подстроечного резистора. Же­лательно делать это с помощью диэлектрической отвёртки, ока­зывающей минимальное влия­ние на фазосдвигающие цепи.Оптимальная настройка соот­ветствует включению светодио­да при приближении человека к антенне метровой длины на рас­стояние 0,5 м, а выключение — при его удалении до 0,6 м.Укорочение антенны до 0,3 м уменьшит эти значения примерно на треть. Следует заметить, что если ёмкость конденсатора СЗ слишком велика, све­тодиод HL1 может светиться и в край­нем левом положении движка, а при ка­сании антенны рукой — гаснуть. Это объясняется тем, что устройство рабо­тает по балансному принципу и при не­обходимости можно отрегулировать его на срабатывание при удалении охраняе­мого объекта из чувствительной зоны. В моем исполнении, при длине антены 1,5м, чвствительность получилась 1,25м,больше не вытянул. Всем удачи.

Автор не известен.

Комментарии

Аватар пользователя СВП

А какая получилась чувствительность при длине антенны 1 м.?
И каков при этом потребляемый ток? В статье он не указан, а ведь это важный параметр, - от него зависит - может ли это устройство работать от батарей.

Аватар пользователя admin

стабилизатор LM317LZ дает максимальный выходной ток 100мА. Если устройство работает на максимальной нагрузке, то батареи долго не протянут. Могут тянуть аккумуляторы. Но схема видимо рассчитана на БП, обычно такие схемы работают круглосуточно.