Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Co czujesz? Sensory pojemnościowe do pomiaru odległości i innych aplikacji

ghost666 28 Gru 2014 14:54 2730 0
  • Sensory pojemnościowe zyskują coraz większą popularność, zastępując sensory optyczne w aplikacjach takich jak detekcja zbliżenia czy gestów, analiza materiałów czy pomiar wysokości lustra cieczy. Technologia sensorów pojemnościowych opiera się o precyzyjny pomiar zmian pojemności kondensatora, wynikających ze zmiany materiału dielektrycznego pomiędzy jego, zazwyczaj płaskimi, okładkami.

    Podstawy pomiaru pojemności

    Wartość pojemności kondensatora mówi o tym jak dobrze jest w stanie przechowywać on ładunek elektryczny. Pojemność elektryczna, mierzona w Faradach, definiowana jest jako (dla kondensatora płaskiego - składającego się z dwóch płaskich elektrod oddzielonych dielektrykiem):

    Co czujesz? Sensory pojemnościowe do pomiaru odległości i innych aplikacji


    Równanie kondensatora płaskiego nie uwzględnia efektów wynikających z 'wyciekania' pola elektrycznego poza kondensator, głównie z uwagi na duży stopień skomplikowania potrzebny do uwzględnienia tego efektu, jednakże mimo to pozwala na dosyć dobre odwzorowanie świata, po ile odległość pomiędzy okładzinami (d) jest znacznie mniejsza niż inne wymiary układu. Efekty wyciekania pola występują głównie przy krawędzi okładek i zależnie od aplikacji są w stanie negatywnie wpłynąć na precyzję pomiaru z wykorzystaniem sensora pojemnościowego.

    Gęstość pola elektrycznego w miejscu gdzie pole wycieka jest mniejsza niż bezpośrednio pod okładami z uwagi na fakt iż natężenie pola proporcjonalne jest do jego gęstości. Wynikiem tego faktu jest to iż mniejsze natężenie pola w rejonie wyciekają powoduje, iż efekt ten ma bardzo niewielki wpływ na efektywną pojemność takiego układu.

    Rysunek pierwszy pokazuje jak rozkłada się pole elektryczne wewnątrz kondensatora płaskiego i gdzie obserwuje się wyciekanie (fringe effect).

    Co czujesz? Sensory pojemnościowe do pomiaru odległości i innych aplikacji
    Rys.1. Pole elektryczne wewnątrz i dookoła kondensatora płaskiego.


    Aplikacje sensorów pojemnościowych[b]

    Istnieją trzy typowe topologie wykorzystania sensorów pojemnościowych w realnych aplikacjach, z których każda wykorzystuje inną zasadę działania i dedykowana jest do innych zadań. Podsumowane jest to w poniższej tabeli:





    Co czujesz? Sensory pojemnościowe do pomiaru odległości i innych aplikacji
    img]https://obrazki.elektroda.pl/6980050400_1419770063_thumb.jpg[/img]
    Rys.2. Trzy typowe topologie sensorów pojemnościowych.


    Integracja w systemie konwerterów pojemność-wartość-cyfrowa, takich jak FDC1004 jest dosyć prosta. Sensor, masa i elektroda ekranująca mogą być wykonane z dowolnego fragmentu metalu w postaci płytki lub folii. Układ FDC1004 jest bezpośrednio podłączany do mikrokontrolera lub procesora w systemie, jak pokazano to na rysunku trzecim.

    Co czujesz? Sensory pojemnościowe do pomiaru odległości i innych aplikacji
    Rys.3. Integracja układu FDC1004 na poziomie systemowym - schemat blokowy.


    [b]Zasada działania konwertera pojemność-wartość cyfrowa


    Układ FDC1004 działa w dosyć prosty sposób, jako element toru pomiarowego czujnika pojemnościowego. Implementuje on układ z przełączaną pojemnością, którego zadaniem jest transferowanie ładunku z elektrody sensora do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) typu sigma-delta, jak pokazano na rysunku czwartym. Sygnał o częstotliwości 25 kHz przykłądany jest do sensora przez określony czas, aby naładować elektrodę. Po określonym czasie, ładunek z elektrody sensora transferowany jest do układu próbkującego, co pozwala na przełożenie przez konwerter ADC wartości napięcia na informację cyfrową. Gdy konwersja zakończy się jej wynik jest jeszcze korygowany i filtrowany, aby uwzględnić wzmocnienie w torze analogowym i kalibrację poziomu offsetu.

    Co czujesz? Sensory pojemnościowe do pomiaru odległości i innych aplikacji
    Rys.4. Zasada działania i schemat blokowy układu FDC1004.


    Wykorzystanie układu - przykłady

    Istnieje szereg przypadków w których wykorzystanie układu FDC1004 zapewnia wydatne zyski w układzie z uwagi na jego specyfikacje lub rozwiązania projektowe. Tymi zaletami są, między innymi:


    1. Niezależne kanału pomiarowe.
    a) Pozwala na niezależny pomiar pojemności w każdym kanale, co oznacza iż na pomiar w danym kanale nie mają wpływu pojemności pasożytnicze w innych kanałach, ani szum.
    b) Pozwala na niezależną kompensację poziomu offsetu i pojemności pasożytniczej w każdym kanale pomiarowym.

    2. Pomiary różnicowe i proporcjonalne.
    a) Pozwala w systemie na precyzyjne śledzenie zmian pojemności w systemie z uwzględnieniem czynników środowiskowych.
    b) Jeden z kanałów (kanał odniesienia/kalibracyjny) pozwala na monitorowanie zmian w współczynniku dielektrycznym otoczenia np. powietrza) wywołane zmianami czyników takich jak temperatura, wilgotność, rodzaj materiału, opakowania etc..

    3. Zdalny pomiar
    a) Pozwala na zdalny pomiar pojemności, dzięki możliwości kompensacji pojemności pasożytniczej linii sygnałowej łączącej układ FDC1004 i sensor pojemnościowy do pojem ności 100 pF.

    4. Zmienne w czasie pomiary wartości offsetu.
    a) Podobnie jak w przypadku pomiaru różnicowego, możliwe jest śledzenie zmian offsetu w czasie.
    b) Możliwe jest śledzenie zmian czynników środowiskowych, co pozwala na precyzyjniejszy pomiar pojemności w układzie.

    Ekranowanie aktywne

    Sensory pojemnościowe z aktywnym ekranowaniem pozwalają na pomiar pojemności z uwzględnieniem interferencji pomiędzy sygnałem a masą na torze sygnałowym pomiędzy elektrodą pomiarową a układem. Driver ekranu jest aktywnym układem, które generuje takie same napięcie na ekranie sygnału, jak na przewodzie gorącym, co powoduje iż nie ma różnicy potencjałów pomiędzy elektrodą sensora a ekranem (to bardzo ciekawy sposób ekranowania, podobny stosuje się w precyzyjnych op-ampach do zmniejszania pojemności wejściowej wzmacniacza - przyp. tłum.).

    Jest szereg zalet korzystania z opisanego sposobu ekranowania w aplikacjach sensorowych:

    1. Skupia pomiar w jednym, wybranym obszarze.
    * Blokuje efekty wynikające z wyciekania pola elektrycznego z kondensatora.

    2. Redukuje interferencje pola elektrycznego z otoczeniem.
    * Trzeba korzystać z ekranu wokół toru sygnałowego.
    * Interferencje z środowiskiem wliczają także interferencje z ręką użytkownika, emitowanym polem elektrycznym czy z sygbałami elektromagnetycznymi wypromieniowanymi z innych układów elektrycznych.

    3. Redukuje czy wręcz eliminuje pojemności pasożytnicze.
    * Pozwala na unikanie efektów wyciekania pola elektrycznego do wylewki masy w systemie.

    4. Eliminuje wariacje wynikające z zmian temperatury.
    * Płytka drukowana zmienia swoją grubość wraz z temperaturą, co powoduje zmianę pojemności pomiędzy ścieżkami sygnałowymi a wylewką masy, co przekłada się na pewien offset pojemności, zmienny w funkcji temperatury PCB.

    Źródło:
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...tive-sensing-for-proximity-detection-and-more


    Fajne! Ranking DIY
  Szukaj w 5mln produktów