Емкостные датчики приближения

Среди большого разнообразия емкостных конструкций порой бывает непросто выбрать наиболее подходящий для данного конкретного случая вариант емкостного датчика. Во многих публикациях на тему емкостных устройств область применения и отличительные особенности предлагаемых конструкций описываются весьма кратко и радиолюбитель зачастую не может сориентироваться – какую-же схему емкостного устройства следует предпочесть для повторения.

В данной статье приведено описание различных типов емкостных датчиков, даны их сравнительные характеристики и рекомендации по наиболее рациональному практическому использованию каждого конкретно взятого типа емкостных конструкций.

Как известно, емкостные датчики способны реагировать на любые предметы и, при этом, их расстояние срабатывания не зависит от таких свойств поверхности приближающегося объекта, как, например, тёплый он или холодный (в отличие от инфракрасных датчиков), а так-же - твёрдый или мягкий (в отличие от ультразвуковых датчиков движения). Кроме того, емкостные датчики могут обнаруживать объекты сквозь различные непрозрачные «преграды», например – стены строений, массивные заборы, двери и т.п. Использоваться подобные датчики могут как для охранных целей, так и для бытовых, например – для включения освещения при входе в помещение; для автоматического открывания дверей; в сигнализаторах уровня жидкости и т.п.
Существуют несколько типов емкостных датчиков.

1. Датчики на конденсаторах.
В датчиках этого типа сигнал срабатывания формируется с помощью конденсаторных схем и подобные конструкции можно разделить на несколько групп.
Наиболее простые из них - схемы на емкостных делителях.

В подобных устройствах, например [1], антенна-датчик подключается к выходу рабочего генератора через разделительный конденсатор малой ёмкости, при этом, в точке соединения антенны и вышеуказанного конденсатора, образуется рабочий потенциал, уровень которого зависит от ёмкости антенны, при этом, антенна-датчик и разделительный конденсатор образуют емкостной делитель и при приближении какого-либо объекта к антенне, потенциал в точке её соединения с разделительным конденсатором – понижается, что является сигналом к срабатыванию устройства.

Существуют так-же схемы на RC-генераторах. В данных конструкциях, например [2], для формирования сигнала срабатывания используется RC-генератор, частотозадающим элементом которого является антенна-датчик, ёмкость которой изменяется (возрастает) при приближении к ней какого-либо объекта. Задаваемый ёмкостью антенны-датчика сигнал, сравнивается затем с образцовым сигналом, поступающим с выхода второго (эталонного) генератора.

Датчики на развёрнутых конденсаторах. В подобных устройствах, например [3], в качестве антенны-датчика используются две плоские металлические пластины, размещённые в одной плоскости. Данные пластины являются обкладками развёрнутого конденсатора и при приближении каких-либо объектов, изменяется диэлектрическая проницаемость среды между обкладками и, соответственно, увеличивается ёмкость вышеуказанного конденсатора, что является сигналом к срабатыванию датчика.
Известны так-же устройства, например [4], в которых используется способ сравнения ёмкости антенны с ёмкостью образцового (эталонного) конденсатора (ссылка Роспатента).

При этом, характерной особенностью емкостных датчиков на конденсаторах является их невысокая помехоустойчивость – на входах подобных устройств не содержится элементов, способных эффективно подавлять посторонние воздействия. Принимаемые антенной различные наводки и радиопомехи образуют на входе устройства большое количество шумов и помех, делая подобные конструкции нечувствительными к слабым сигналам. По этой причине, дальность обнаружения объектов у датчиков на конденсаторах невелика, например, приближение человека они обнаруживают с расстояния не превышающего 10 - 15 см.
Вместе с тем, подобные устройства могут быть весьма простыми по своей конструкции, ( например [1] ) и в них нет необходимости использовать намоточные детали - катушки, контура и т.п., благодаря чему, данные конструкции довольно удобны и технологичны в изготовлении.

Область применения емкостных датчиков на конденсаторах.
Данные устройства могут применяться там, где высокая чувствительность и помехоустойчивость не требуются, например в сигнализаторах прикосновения к металлич. предметам, датчиках уровня жидкости и т.п., а так-же, - для начинающих радиолюбителей, знакомящихся с емкостной техникой.

2. Емкостные датчики на частотозадающем LC-контуре.
Устройства данного типа менее подвержены воздействиям радиопомех и наводок по сравнению с датчиками на конденсаторах.
Антенна-датчик (обычно металлическая пластина) присоединяется (либо напрямую, либо через конденсатор ёмкостью в несколько десятков пФ) к частотозадающему LC-контуру ВЧ-генератора. При приближении какого-либо объекта - изменяется (увеличивается) ёмкость антенны и, соответственно, - ёмкость LС-контура. В результате - изменяется (понижается) частота генератора и происходит срабатывание.

Особенности емкостных датчиков данного типа.
1) LС-контур с присоединённой к нему антенной-датчиком является частью генератора, вследствие чего, воздействующие на антенну наводки и радиопомехи оказывают влияние и на его работу: через элементы положительной обратной связи помеховые сигналы (особенно импульсные) просачиваются на вход активного элемента генератора и усиливаются в нём, образуя на выходе устройства посторонние шумы, понижающие чувствительность конструкции к слабым сигналам и создающие опасность ложных срабатываний.
2) LС-контур, работающий в качестве частотозадающего элемента генератора, сильно нагружен и имеет пониженную добротность, в результате чего, снижаются избирательные свойства контура и ухудшается его способность изменять свою настройку при изменении ёмкости антенны, что дополнительно понижает чувствительность конструкции.
Вышеуказанные особенности датчиков на частотозадающем LС-контуре ограничивают их помехоустойчивость и дальность обнаружения объектов, к примеру, расстояние обнаружения человека датчиками этого типа составляет обычно 20 - 30 см.

Имеется несколько разновидностей и модификаций емкостных датчиков с частотозадающим LС-контуром.

1) Датчики с кварцевым резонатором.
В подобных устройствах, например [5], с целью повышения чувствительности и стабильности частоты генератора, введены: кварцевый резонатор и дифференциальный ВЧ-трансформатор, первичная обмотка которого является элементом частотозадающего контура генератора, а две его вторичных (идентичных) обмотки являются элементами измерительного моста, к которому подключается антенна-датчик, последовательно соединённая с кварцевым резонатором, и при приближении к антенне какого-либо объекта формируется сигнал срабатывания.
Чувствительность у подобных конструкций выше по сравнению с обычными датчиками на частотозадающем LС-контуре, однако для них требуется изготовление дифференциального ВЧ-трансформатора (в вышеуказанной конструкции [5] его обмотки размещаются на кольце типоразмера К10 × 6 × 2 из феррита М3000НМ, при этом, для повышения добротности, в кольце прорезается зазор шириной 0,9…1,1 мм.

2) Датчики с отсасывающим LС-контуром.
Данные конструкции, например [6], - представляют собой емкостные устройства, в которые с целью повышения чувствительности введён дополнительный (получивший название отсасывающего) LС-контур, индуктивно связанный с частотозадающим контуром генератора и настроенный в резонанс с этим контуром.
Антенна-датчик, при этом, подключается не к частотозадающему контуру, а к вышеуказанному отсасывающему LС-контуру, включающему в себя конденсатор малой ёмкости и соленоид, индуктивность которого, соответственно, - увеличена. Т.к.е. контурного конденсатора, при этом, должен быть небольшим – на уровне М33 – М75.
Благодаря малой ёмкости данного контура, ёмкость антенны-датчика становится с ней сравнима, благодаря чему, изменения ёмкости антенны оказывают значительное воздействие на настройку вышеуказанного отсасывающего LС-контура, при этом, от настройки данного контура в значительной мере зависит амплитуда колебаний на частотозадающем контуре генератора и, соответственно, - уровень ВЧ-сигнала на его выходе.

Можно отметить и то, что в подобных конструкциях связь между антенной и частотозадающим контуром генератора не прямая, а индуктивная, благодаря чему, погодно-климатические воздействия на антенну не могут оказывать прямого влияния на работу активного элемента генератора (транзистора или ОУ), что является положительным свойством подобных конструкций.
Как и в случае с датчиками на кварцевом резонаторе, повышение чувствительности у емкостных устройств с отсасывающим LС-контуром достигнуто за счёт некоторого усложнения конструкции – в данном случае требуется изготовление дополнительного LС-контура, включающего в себя катушку индуктивности с количеством витков - вдвое большим (в [6] - 100 витков) по сравнению с катушкой частотозадающего LС-контура.

3) В некоторых емкостных датчиках для повышения дальности обнаружения используется такой способ, как увеличение размеров антенны-датчика. При этом, у таких конструкций возрастает и восприимчивость к электромагнитным наводкам и радиопомехам; по этой причине, а так-же в силу громоздкости подобных устройств (например, в [7] в качестве антенны используется металлическая сетка размером 0,5 × 0,5 М.) данные конструкции целесообразно использовать за?городом, - в местах со слабым электромагнитным фоном и, желательно - за пределами жилых помещений – что-бы не возникали наводки от сетевых проводов.
Устройства с большими размерами датчиков лучше всего использовать в сельской местности для охраны садовых участков и полевых объектов.

Область применения датчиков с частотозадающим LС-контуром.
Подобные устройства могут использоваться для различных бытовых целей (включение освещения и т.п.), а так-же для обнаружения каких-либо объектов в местах со спокойной электромагнитной обстановкой, например - в подвальных помещениях (находящихся ниже уровня земли), а так-же за?городом (в сельской местности - при отсутствии радиопомех - датчики этого типа могут обнаруживать, к примеру, приближение человека на расстоянии до нескольких десятков см).
В городских-же условиях данные конструкции целесообразно использовать либо как датчики прикосновения к металлическим предметам, либо в составе тех устройств сигнализации, которые в случае ложных срабатываний не причиняют больших неудобств окружающим, например, - в устройствах, включающих отпугивающий световой поток и негромкий звуковой сигнал.

3. Дифференциальные емкостные датчики (устройства на дифференциальных трансформаторах).
Подобные датчики, например [8], отличаются от вышеописанных конструкций тем, что имеют не одну, а две антенны-датчика, что позволяет обеспечить подавление (взаимокомпенсацию) погодно-климатических воздействий (температура, влажность, снег, иней, дождь и т.п.).
При этом, для обнаружения приближения объектов к какой-либо из антенн емкостного устройства, используется симметричный измерительный LC-мост, реагирующий на изменение ёмкости между общим проводом и антенной.

Работают данные устройства следующим образом.
Чувствительные элементы датчика – антенны подключаются к измерительным входам LC-моста, а ВЧ-напряжение, необходимое для питания моста, формируется в дифференциальном трансформаторе, на первичную обмотку которого, подаётся питающий ВЧ-сигнал с выхода ВЧ-генератора ( в [8] - в целях упрощения, - катушка частотозадающего контура генератора одновременно является первичной обмоткой  дифференциального трансформатора).
Трансформатор дифференциальных конструкций содержит две идентичных вторичных обмотки, на противоположных концах которых,  образуется противофазное переменное ВЧ-напряжение, для питания LС-моста.
При этом, на выходе моста, ВЧ-напряжение отсутствует т.к ВЧ-сигналы на его выходе будут одинаковы по амплитуде и противоположны по знаку, в силу чего, будет происходить их взаимокомпенсация и подавление (в измерительном LС-мосте рабочие токи идут навстречу друг другу и взаимокомпенсируются на выходе). 
В своём исходном состоянии на выходе измерительного LС-моста сигнал отсутствует, в случае-же приближения объекта к какой-либо из антенн, увеличивается ёмкость того или иного плеча измерительного моста, вызывая нарушение его балансировки, в результате чего, взаимокомпенсация ВЧ-сигналов генератора становится неполной и на выходе LС-моста появляется сигнал к   срабатыванию устройства.

При этом, если ёмкость возрастает (или понижается) сразу у обоих антенн, то срабатывания не происходит т.к. в этом случае балансировка LС-моста не нарушается и ВЧ-сигналы, протекающие в цепи LС-моста, по-прежнему сохраняют одинаковую амплитуду и противоположные знаки.

Благодаря вышеуказанному свойству, устройства на дифференциальных трансформаторах, также, как и описанные выше, дифференциальные конденсаторные датчики, устойчивы к погодно-климатическим колебаниям т.к. те воздействуют на обе антенны одинаково и затем взаимокомпенсируются и подавляются. Наводки и радиопомехи, при этом, не подавляются, устраняются лишь погодно-климатические воздействия, поэтому у дифференциальных датчиков, как и у датчиков на частотозадающем LС-контуре, периодически случаются ложные срабатывания. 
Располагаться-же антенны должны так, что-бы при приближении объекта, воздействие на одну из них было-бы больше, чем на другую.

Особенности дифференциальных датчиков.
Дальность обнаружения у этих устройств несколько выше по сравнению с датчиками на частотозадающем LС-контуре, но при этом дифференциальные датчики сложнее по конструкции и имеют повышенный потребляемый ток из-за потерь в трансформаторе, имеющего ограниченный к.п.д. Кроме того, подобные устройства имеют зону пониженной чувствительности между антеннами.

Область применения.
Датчики на дифференциальном трансформаторе предназначены для использования в уличных условиях. Данные устройства могут применяться там-же, где и датчики на частотозадающем LС-контуре, с той лишь разницей, что для установки дифференциального датчика необходимо место для второй антенны.

4. Резонансные емкостные датчики (патент РФ № 2419159; ссылка Роспатента).
Высокочувствительные емкостные устройства - сигнал срабатывания в данных конструкциях формируется во входном LС-контуре, находящемся в частично расстроенном состоянии по отношению к сигналу с рабочего ВЧ-генератора, с которым контур соединён через конденсатор малой ёмкости (необходимый элемент сопротивления в цепи).
Принцип действия подобных конструкций имеет две составляющие: первая - это настроенный соответствующим образом LС-контур, и вторая - это элемент сопротивления, через который LС-контур подключается к выходу генератора.

Благодаря тому, что LС-контур находится в состоянии частичного резонанса (на скате характеристики), его сопротивление в цепи ВЧ-сигнала сильно зависит от ёмкости - как своей, так и ёмкости присоединённой к нему антенны-датчика. В результате - при приближении какого-либо объекта к антенне, ВЧ-напряжение на LС-контуре значительно меняет свою амплитуду, что является сигналом к срабатыванию устройства.

LC-контур при этом, не теряет своих избирательных свойств и эффективно подавляет (шунтирует на корпус) приходящие с антенны-датчика посторонние воздействия - наводки и радиопомехи, обеспечивая высокий уровень помехоустойчивости конструкции.

В резонансных емкостных датчиках рабочий сигнал с выхода ВЧ-генератора должен подаваться на LС-контур через некоторое сопротивление, величина которого должна быть сравнима с сопротивлением LС-контура на рабочей частоте, в противном случае, при приближении объектов к антенне-датчику, рабочее напряжение на LС-контуре будет очень слабо реагировать на изменения сопротивления LС-контура в цепи (ВЧ-напряжение контура будет просто повторять выходное напряжение генератора).

Может показаться, что LС-контур, находящийся в состоянии частичного резонанса, будет работать нестабильно и чрезмерно зависеть от температурных изменений. В действительности-же, - при условии использования контурного конденсатора с малым значением т.к.е. (М33 – М75) - контур достаточно стабилен, в том числе - и при работе емкостного устройства в уличных условиях. Например, при изменении температуры от +25 до -12 град. ВЧ-напряжение на LС-контуре изменяется не более чем на 6 %.

Кроме того, в резонансных емкостных конструкциях антенна соединена с LС-контуром через конденсатор малой ёмкости (использовать сильную связь в подобных устройствах нет необходимости), благодаря чему, погодные воздействия на антенну-датчик не нарушают работу LС-контура и его рабочее ВЧ-напряжение остаётся практически неизменным даже во время дождя.
По своей дальности действия резонансные емкостные датчики - значительно (иногда в разы) превосходят устройства на частотозадающих LС-контурах и на дифференциальных трансформаторах, обнаруживая приближение человека на расстоянии, значительно превышающем 1 метр.

При всём этом, высокочувствительные конструкции с использованием резонансного принципа действия появились лишь недавно - первой публикацией на данную тему является статья "Емкостное реле" (журн. "Радио" 2010 / 5, стр. 38, 39); кроме того, дополнительная информация о резонансных емкостных устройствах и их модификациях имеется так-же на интернет-странице автора вышеуказанной статьи: http://sv6502.narod.ru/index.html .

Особенности резонансных емкостных датчиков.
1) При изготовлении резонансного датчика, предназначенного для работы в уличных условиях, требуется обязательная проверка входного узла на термостабильность, для чего производится измерение потенциала на выходе детектора при различных температурах (для этого можно использовать морозилку холодильника), детектор при этом, должен быть термостабильным (на полевом транзисторе).
2) В резонансных емкостных датчиках связь между антенной и ВЧ-генератором слабая и поэтому излучение радиопомех в эфир у подобных конструкций очень незначительное, - в несколько раз меньшее по сравнению с другими типами емкостных устройств.

Область применения.
Резонансные емкостные датчики можно эффективно использовать не только в сельских и полевых, но и в городских условиях, воздерживаясь при этом, от размещения датчиков вблизи мощных источников радиосигналов (радиостанции, телецентры и т.п.), иначе и у резонансных емкостных устройств будут наблюдаться ложные срабатывания.
Устанавливать резонансные датчики можно в том числе и в непосредственной близости от других электронных устройств, - благодаря малому уровню излучения радиосигнала и высокой помехоустойчивости, резонансные емкостные конструкции имеют повышенную электромагнитную совместимость с другими устройствами.

Ссылки

[1] Нечаев И. «Емкостное реле», журн. «Радио» 1988 /1, стр.33.
[2] Ершов М. «Емкостной датчик», журн. «Радио» 2004 / 3, стр. 41, 42.
[3] Москвин А. «Бесконтактные емкостные датчики», журн. «Радио» 2002 / 10,
стр. 38, 39.
[4] Галков А., Хомутов О., Якунин А. «Емкостная адаптивная охранная система» патент РФ № 2297671 (С2), с приоритетом от 23. 06. 2005 г. – Бюллетень «Изобретения. Полезные модели», 2007, № 11.
[5] Савченко В, Грибова Л. «Бесконтактный емкостный датчик с кварцевым
резонатором», журн. «Радио» 2010 / 11, стр. 27, 28.
[6] «Емкостное реле» - журн. «Радио» 1967 / 9, стр. 61 (раздел зарубежных
конструкций).
[7] Рубцов В. «Устройство охранной сигнализации», журн. «Радиолюбитель» 1992 / 8, стр. 26.
[8] Глузман И. «Реле присутствия», журн. «Моделист-конструктор» 1981 / 1,
стр. 41, 42).

Автор: Соломеин Владислав Петрович, г. Екатеринбург, 620016, А/Я № 97. E-mail: svp105@yandex.ru