Датчики приближения в смартфонах

Специфика конструирования датчиков

Во многих случаях (с конструкторской точки зрения) создание таких приборов является довольно проблематичным. Особенно это актуально тогда, когда требуется создать датчик с переменным уровнем емкости. Впрочем, практика показывает, что многие проблемы практически полностью решаются точной калибровкой и высокими характеристиками используемых в производстве материалов. Чаще всего с этими затруднениями приходится сталкиваться производителям двухъемкостных датчиков. Вообще специфика этого типа измерительных приборов заключается в том, что их можно представить в виде безразмерного соотношения двух физических величин (емкостей), которые имеют точное физическое выражение и значение. Так что их можно смело именовать «датчиками отношения». Преимущество этих приборов (огромный их плюс!) состоит в том, что они вообще могут не иметь в своей конструкции каких-то эталонных мер, что здорово повышает их надежность в действительно экстремальных ситуациях и условиях.

Возможные сферы применения датчиков

Рассмотренные емкостные датчики уровня, давления, положения и другие типы подобных изделий, а также особенности конструкции, позволяют сделать вывод об их универсальности. А значит, они могут быть использованы в разных областях промышленности, схемах регулирования и контроля. В качестве примера можно назвать следующие области народного хозяйства, где могут применяться подобные измерители:

• нефтегазовая промышленность;
• добыча и переработка металлов;
• горнодобывающая промышленность;
• сельское хозяйство, в том числе животноводство и растениеводство;
• деревообрабатывающая промышленность;
• производство напитков и продуктов питания;
• станкостроение и роботизированные комплексы;
• целлюлозно-бумажная промышленность;
• химическая промышленность и другие.

Использование емкостных преобразователей позволяет решить самые различные задачи. Перечислить их все просто нереально, но опять же в качестве примеров можно перечислить такие варианты их использования:

• указание положения жидкости, сыпучих веществ, в том числе продуктов, в трубе или хранилище, контроль их заполнения;
• сигнализация обрыва провода, ленты, иных подобных предметов при намотке;
• подсчет количества штучных изделий;
• контроль натяжения ленты;
• использование в охранных системах для обнаружения несанкционированного вторжения.

Характеристика датчиков линейных перемещений

Все неэлектрические величины, которые часто требуется контролировать в промышленных условиях, чрезвычайно разнообразны и многогранны. Значительную часть мер, которые подлежат строгому контролю, составляют угловые и даже линейные перемещения разного рода поверхностей в пространстве. Если использовать конденсатор, у которого абсолютно равномерное электрическое поле в рабочем зазоре, то не так уж и трудно сделать электронные датчики двух следующих типов:

• У которых площадь электродов будет переменной.
• Те, которые имеют переменный зазор между этими электродами.

Нетрудно понять, что первый тип наиболее подходит для фиксации действительно больших перемещений, в то время как при помощи второй разновидности можно замечать даже такие передвижения тела в пространстве, величина которых равна всего лишь нескольким микронам!

Датчики присутствия

Другим, не менее важным и востребованным вариантом применения датчиков на основе емкости является их использование для обнаружения кого- или чего-либо в зоне контроля. Самый простой пример — включение освещения на лестничной площадке. Хотя этим далеко не исчерпываются возможности таких измерителей. Не менее востребовано применение таких сенсоров в системах охранной сигнализации. Или подсчета количества штучной продукции.

Как это работает

Выше уже отмечалось, что человеческое тело обладает определенной диэлектрической проницаемостью и проводимостью.

На рисунке представлено схематическое изображение такой системы. Имеются два электрода, подключенные к измерителю. Каждый из них обладает своей емкостью, обозначенной С1. В результате есть определенная  результирующая емкость у всей системы.

При появлении в контролируемой зоне какого-то нового объекта, например человека, у системы образуются две дополнительные емкости:  Са — между электродом  и телом человека, и Сb — между человеком и землей. Результирующая емкость всей системы изменится, и это изменение может быть отслежено схемой контроля.

Еще один способ обнаружения присутствия

В этом случае также используется эффект увеличения емкости при появлении постороннего предмета в зоне контроля. Только в данном случае применяется механизм активного воздействия на контролируемый участок. Для этого используется схема датчика с активным излучателем.

В состав такого измерителя входят генератор сигналов, компаратор и усилитель-преобразователь. При включении схемы в пространстве перед измерителем возникает электрическое поле. Генератор настроен таким образом, чтобы при отсутствии посторонних предметов он не запускался. Достигается это тем, что свободное пространство считается развернутым конденсатором с диэлектрической проницаемостью равной 1. Значение емкости получается недостаточным для запуска генератора.

При появлении каких-либо материалов, объектов, людей перед измерителем диэлектрическая проницаемость среды изменяется (увеличивается), также растет емкость конденсатора. Это приводит к запуску генератора. Амплитуда колебаний будет зависеть от расстояния до предмета, его материала и диэлектрической проницаемости.

При достижении амплитуды колебаний определенной величины, срабатывает компаратор и выдает сигнал на усилитель. Посторонний предмет обнаружен.

Данная схема может применяться не только в системах охранной сигнализации для фиксации вторжения в закрытую зону, но и для других целей. На этом принципе может работать система подсчета количества штучного товара, например, упаковок молока, консервных банок или любых других аналогичных предметов.

Емкостные датчики прикосновения

Рассматривая разнообразные типы сенсоров на основе электрической емкости, нельзя обойти вниманием такое их использования как датчики прикосновения. Самым наглядным примером подобных приборов служат смартфоны

Реализация датчиков прикосновения может быть достаточно сложной, но она базируется на некоторых простых основополагающих принципах. Работа таких устройств основана:

• на использовании собственной емкости;
• на использовании взаимной емкости.

Далее будет рассмотрен принцип работы датчиков прикосновения на основе собственной емкости.

Датчик на основе собственной емкости

Конденсатор существует не только в виде отдельного объемного элемента с выводами. Емкостью также обладают два обычных проводника, расположенные параллельно. Исходя из этого, можно получить конденсатор, основываясь на электропроводных слоях, разделенных каким-либо диэлектриком. Такой конденсатор может быть получен на основе печатной платы.

Он представлен на рисунке ниже (в двух проекциях — сверху и сбоку). Мы видим обособленный участок (сенсорная кнопка), отделенный от общего слоя меди. А так как остальные участки соединены с землей, то сенсорная площадка может быть представлена как конденсатор между ней и землей.

Емкость такого конденсатора будет мала, порядка 10 пФ. Но для различных устройств ее значение не принципиально. При контроле зачастую важна не емкость, а ее изменение. Именно на это рассчитаны те схемы, которые обрабатывают состояние сенсорной кнопки.

Как изменить состояние кнопки

Самое простое, что можно сделать, — прикоснуться пальцем. Надо сразу отметить, что никакой опасности для человека такое касание не представляет. Обычно все платы покрываются лаком, так что прямого контакта с токопроводящими элементами не произойдет. Тем не менее, изменения состояния конденсатора будут. Это возможно по двум причинам:

• из-за диэлектрической проницаемости человеческого тела;
• из-за собственной проводимости

Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью

Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость тела отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, который служит изолятором в первоначальный момент, то емкость конденсатора изменится. Здесь расчет простой — диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а воды — 80 (человеческое тело по большей части состоит из воды). Значит, емкость сенсорной кнопки увеличится.

Для этого изменения даже не надо ее касаться. Как показали исследования ученых, порой достаточно просто поднести палец к контакту.

Тело обладает собственной проводимостью

Это давно установленный факт.

И хотя выше говорилось, что касание не несет опасности для человека, тем не менее, оно вносит свою лепту в изменение состояния сенсорной кнопки. Упрощенно можно считать, что емкость пальца подключена параллельно емкости сенсорной кнопки. Поэтому общая емкость системы, как и в предыдущем случае, увеличится. А значит, оба рассмотренных механизма (изменение диэлектрической проницаемости и собственная проводимость человеческого тела) приводят к увеличению емкости.

Описание и назначение

Приложения напряжения разного знака, согласно закону Ампера, вызывает перемещение проводников, на которых находятся электрические частицы. При этом возникает переменный ток, который может быть обнаружен. Величина протекающего тока определяется емкостью, которая, в свою очередь, зависит от площади проводников и расстояния между ними. Более крупные и более близкие объекты вызывают больший ток, чем более мелкие и более отдаленные.

Емкость определяется следующими параметрами:

• Характером не проводящей ток среды-диэлектрика, располагающейся между проводниками.
• Размерами проводников.
• Силой тока.

Пара таких поверхностей образует обкладки простейшего конденсатора, емкость которого прямо пропорциональна площади и диэлектрической проницаемости рабочей среды, и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. При постоянстве размеров обкладок и состава рабочей среды между ними любое изменение емкости будет являться результатом изменения расстояния между двумя объектами: зондом (датчиком) и отслеживаемой целью. Достаточно только преобразовать изменения емкости в значения сфокусированного электрического напряжения, которое будет управлять дальнейшими действиями прибора. Данные устройства, таким образом, предназначены для определения изменяющегося расстояния между объектами, а также для уточнения характера и качества поверхности измеряемых изделий.

Возможные сферы применения датчиков

Рассмотренные емкостные датчики уровня, давления, положения и другие типы подобных изделий, а также особенности конструкции, позволяют сделать вывод об их универсальности. А значит, они могут быть использованы в разных областях промышленности, схемах регулирования и контроля. В качестве примера можно назвать следующие области народного хозяйства, где могут применяться подобные измерители:

• нефтегазовая промышленность;
• добыча и переработка металлов;
• горнодобывающая промышленность;
• сельское хозяйство, в том числе животноводство и растениеводство;
• деревообрабатывающая промышленность;
• производство напитков и продуктов питания;
• станкостроение и роботизированные комплексы;
• целлюлозно-бумажная промышленность;
• химическая промышленность и другие.

Использование емкостных преобразователей позволяет решить самые различные задачи. Перечислить их все просто нереально, но опять же в качестве примеров можно перечислить такие варианты их использования:

• указание положения жидкости, сыпучих веществ, в том числе продуктов, в трубе или хранилище, контроль их заполнения;
• сигнализация обрыва провода, ленты, иных подобных предметов при намотке;
• подсчет количества штучных изделий;
• контроль натяжения ленты;
• использование в охранных системах для обнаружения несанкционированного вторжения.

Другой подход к индуктивным датчикам

Другой подход к индуктивным датчикам использует тот же физический принцип, но в нём применяются плоские конструкции на основе печатных плат вместо намотанных катушек. Именно этот подход и применяется Zettlex

. Это означает, что обмотки могут быть изготовлены путём травления меди или при помощи нанесения на самые различные материалы подложки: полиэстерную плёнку, бумагу, эпоксидный слоистый пластик и даже на керамику. Такие печатные конструкции можно изготовить более точно, чем намотанные катушки. Вследствие чего достигается более высокая точность измерения при меньших затратах, размерах и массе, сохраняя в то же время все положительные свойства индуктивной технологии.

Рисунок 3. Пример грязного, но полностью работоспособного индуктивного датчика с плоской печатной обмоткой.

Датчики серии IncOders компании Zettlex

– это бесконтактные устройства для прецизионного измерения угла. Датчик IncOder состоит из двух частей: статор и ротор, каждая из которых имеет форму плоского кольца. Большое центральное отверстие позволяет легко пропускать валы, оптические волокна, трубы и кабели, размещать токосъёмники. Индуктивные угловые энкодерысерии IncOder не требуют точной механической установки, скорее можно сказать, что ротор и статор должны быть просто привинчены в конечное изделие. Угловые энкодерыZettlex не восприимчивы к посторонним веществам, что делает их идеально подходящими к жёстким условиям окружающей среды, где ёмкостные устройства работают ненадёжно.

Где они могут быть использованы?

Области их возможного применения чрезвычайно разнообразны. Так, практически во всех отраслях промышленности можно встретить операции, которые контролируются именно этими приборами. Их применяют для контроля над заполнением различных резервуаров, причем их содержимое может быть жидким, сыпучим или же газообразным (датчик газа).

Распространенность их в промышленности и обычной производственной деятельности человека тем выше, чем надежнее и проще конструкция таких приборов. По совокупности этих признаков они настолько хороши, что их можно использовать даже в невероятно агрессивных условиях трюмов нефтеналивных танкеров.

Кроме того, емкостной датчик может быть использован в качестве конечного выключателя на конвейерной линии или станке производственного цеха. Необходим он и для наиболее точного позиционирования различных механизмов.

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:

Влияние пальца на сенсорную кнопку в качестве проводника

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.

Сферы применения

Данные устройства используются в следующих целях:

• Для обнаружения пластмасс и других изоляторов.
• В системах сигнализации, при установлении факта перемещений по контролируемой территории.
• Как компонент охранных устройств автомобилей.
• Для определения чистоты поверхности материалов после механической обработки.
• С целью определения уровня жидких или газообразных рабочих сред в закрытых резервуарах.
• При установке систем автоматического включения/выключения светильников.

Во всех случаях емкостные датчики подлежат обязательной калибровке в заводских или иных специализированных условиях.

Назначение датчика приближения в смартфоне

Главная функция модуля приближения – фиксирование объектов, находящихся в непосредственной близости от телефона. Чтобы лучше понять, когда возникает необходимость аппаратного модуля, выделим 2 примера:

1. Человек звонит по телефону. Как только пользователь подносит трубку к уху, экран устройства погасает, что было бы невозможным без сенсора приближения. Благодаря этой особенности дисплей защищен от случайных касаний.
2. Пользователь смотрит видео. Если в опциях смартфона активирована функция автоотключения экрана, дисплей не погаснет в процессе просмотра длинного фильма, поскольку сенсор будет видеть человека.

Таким образом, датчик приближения необходим для защиты от случайных нажатий

Но еще одной немаловажной функцией является экономия электроэнергии. Ведь, когда экран погасает, заряд аккумулятора начинает истощаться намного медленнее

А теперь просто представьте, насколько удобно было бы пользоваться телефоном, не имеющим соответствующего сенсора.

ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ (ПРИБЛИЖЕНИЯ)

Итак, мы имеем классический плоский конденсатор (С). Давайте развернем его пластины, как показано на рисунке 2. Изменится конфигурация поля Е.

Если будет изменяться диэлектрическая проницаемость среды, через которую проходят линии этого поля (будем называть это зоной обнаружения), то будет изменяться емкость конденсатора.

То есть появление в этой зоне инородного предмета (или вещества) вызовет изменение емкости С. Электронная схема устройства это изменение отслеживает и формирует соответствующий сигнал.

На этом принципе основана работа емкостных датчиков положения. При появлении в зоне обнаружения любого предмета детектор срабатывает.

Дальность обнаружения, она, кстати, невелика – от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, и размер контролируемого объекта определяются чувствительностью детектора. Эти параметры должны оговариваться в техническом описании (паспорте) на изделие.

Безусловным достоинством такого датчика является обнаружение объектов из любых материалов, а не только металлических, как у индуктивных.

Емкостной принцип обнаружения какого либо события, помимо детекции положения используется достаточно широко.

Это:

• сенсорные устройства управления, например, выключатели;
• некоторые типы экранов смартфонов;
• системы охранной сигнализации.

Про последний тип устройств стоит написать несколько подробнее.

Дело в том, что в качестве одной обкладок конденсатора можно использовать металлический предмет, а в качестве другой – землю (а в частном случае пол помещения).

Таким образом при приближении к металлическому сейфу или шкафу, оборудованному емкостным охранным датчиком будет формироваться сигнал тревоги.

Используются такие извещатели, правда, не часто. Дело в том, что любой датчик, использующий в своей работе емкостной принцип действия чувствителен к воздействию электромагнитных помех.

Это следует учитывать при принятии решения о применении таких устройств в условиях конкретного объекта.

Типы емкостных датчиков и их применение

Датчики приближения

В настоящее время одним из наиболее часто используемых емкостных датчиков являются датчики приближения, которые, помимо того, что они чрезвычайно надежны, имеют очень широкий спектр преимуществ.

Датчики этого типа используются практически во всех областях, так как они имеют очень разумную стоимость. Они используются для контроля уровня заполнения различных емкостей, управления напряжением, для сигнализации в случае проблем на производственных линиях и других.

Емкостные датчики для угловых и линейных перемещений

Датчики этого типа используются в таких отраслях, как машиностроение, энергетика, транспорт, строительство и другие.

Инклинометры

Емкостные инклинометры используются на нефтяных платформах в системах нивелирования, для определения деформации опор, для мониторинга и контроля уклона автомобильных и железных дорог при их строительстве, для определения качества автомобилей, судов, лифтов, подъемного оборудования, сельскохозяйственной техники для определения углового смещения вращающихся объектов, таких как валы, шестерни и механизмы, как стационарных, так и подвижных.

Емкостные датчики уровня

Датчики этого типа используются в системах мониторинга, регулирования и контроля процессов в пищевой, фармацевтической, химической и нефтяной промышленности.

Они чрезвычайно эффективны при работе с жидкостями, сыпучими материалами, проводящими и непроводящими вязкими веществами, а также в тяжелых рабочих условиях в помещениях или местах, где накапливается пыль или конденсат.

Емкостные датчики широко используются в отраслях, где требуется точное измерение общего давления, толщины диэлектрических материалов, влажности, линейных и угловых деформаций и других.

Классификация датчиков

Используемые в промышленности способы их производства позволяют поделить все выпускаемые типы датчиков на две большие группы: одноемкостные и двухъемкостные. Последняя разновидность подразделяется на дифференциальные и полудифференциальные. Расмотрим их более подробно.

Одноемкостный прибор. В этом случае схемы емкостных датчиков просты до крайности, так как основной их частью является самый обычный конденсатор с переменной емкостью. К сожалению, даже слегка повышенная влажность и температура оказывают на точность показаний весьма ощутимое влияние. Из-за этого нередко возникают различные неисправности датчиков. Чтобы нивелировать величины таких погрешностей, приходится использовать дифференцированные конструкции.

Двухъемкостный датчик. Собственно, он-то и является такой дифференцированной структурой. Очень часто можно встретить емкостной датчик уровня, изготовленный именно по такой схеме. Эти приборы избавлены от основных недостатков предыдущей модели, но имеют собственные слабые стороны. Наиболее значимым их недостатком является необходимость использования двух-трех экранированных проводов между самим устройством и поверхностью, так как только таким способом можно подавить так называемые паразитные емкости.

Впрочем, на довольно сложные схемы емкостных датчиков в этом случае легко не обращать внимания, так как взамен вы получаете чрезвычайно точный и чувствительный прибор.

Основные преимущества емкостных датчиков

Необходимо заметить, что емкостной датчик обладает большим количеством преимуществ, если сравнивать его с аналогичными приборами, которые выполнены по несколько иным принципам. Давайте перечислим основные достоинства этих КИПов:

• В изготовлении они чрезвычайно просты. Кроме того, в их производстве могут быть использованы самые простые и дешевые материалы. Даже емкостные датчики уровня топлива, используемые на важных объектах нефтяной промышленности, имеют крайне скромные габариты, обладают минимально возможным уровнем потребления электрической энергии. При всех этих характеристиках они отличаются превосходным уровнем чувствительности, который нередко недостижим и для более дорогих приборов.
• В принципе, можно сделать емкостной датчик своими руками, используя в качестве его основы любой более-менее надежный и качественный промышленный конденсатор.
• Контактов у них нет (очень редко используется один токосъемник), что крайне благоприятно сказывается на работе в условиях высокой запыленности и влажности в помещении.
• Срок эксплуатации чрезвычайно долог, прибор многократно успевает «отбить» свою невысокую стоимость. Соответственно, датчик емкостной (цена которого находится в пределах 1200-1700 рублей) является чрезвычайно выгодным приобретением.
• Для перемещения подвижной части прибора требуется приложить удивительно мало усилий.
• Устройство очень легко сочетается практически со всеми категориями оборудования, которое только используется в промышленной деятельности.

Похожие записи:

Активное и индуктивное сопротивление Как определить катод и анод у светодиода Открытие: ток течёт не от плюса к минусу, а от фазы к нулю Автоматическое включение фар при запуске двигателя автомобиля своими руками Топ новых гаджетов 2020 года Выбираем энергосберегающие лампы: сравнительный обзор 3-х видов энергоэффективных лампочек