Простая схема, измеряющая микрометры путем сопоставления емкости датчика с емкостью эталонного конденсатора.
Трудно представить себе более простой электромеханический датчик, чем емкостной; он состоит, по сути, лишь из двух пластин (или даже одной, если измеряемый объект электропроводен), разделенных диэлектриком (например, воздухом). Емкость датчика приблизительно равна
C = 8.854 пФ×S/d,
где S – площадь пластин, а d – расстояние между ними (обе величины в метрах). Таким образом, емкость C становится чувствительным индикатором расстояния между пластинами.
Вот вполне правдоподобный пример. При диаметре круглых пластин 38 мм и начальном расстоянии между ними 1 мм номинальная емкость составляет
Значение C будет изменяться от 3.3 пФ при d = 3 мм до 33 пФ при d = 0.3 мм, что с помощью несложных вычислений можно преобразовать в расстояние между пластинами. Но как измерить емкость C?
Для этого нам понадобится схема интерфейса. Показанная на Рисунке 1, она достаточно проста и соответствует простоте самого емкостного датчика, состоя всего из 8 недорогих доступных компонентов. Вот как это работает.
 | |
| Рисунок 1. | Перекрестно соединенные триггеры Шмитта U1a и U1b образуют RC-мультивибратор с частотой около 1 МГц. |
Для приведенных в качестве примера размеров датчика и номиналов компонентов коэффициент заполнения выходного напряжения (x)
Элементы U1a и U2a образуют RC-таймер с постоянной времени, равной R1·CSENSE, тогда как U1b и U2b выполняют аналогичную функцию для цепи R2·CREF. Их перекрестное соединение, показанное на Рисунке 1, создает генератор прямоугольных импульсов, выходной сигнал которого на выводе 3 элемента U1 имеет частоту порядка 1 МГц, находясь на уровне +V в течение времени
TREF = 50 кОм·CREF = 500 нс
и на уровне нуля в течение времени
TSENSE = 50 кОм·CSENSE/d = 500 нс /d,
где d, как и ранее, измеряется в миллиметрах.
Таким образом, коэффициент заполнения выходного сигнала VOUT
Начиная с
после некоторых преобразований получаем x(d + 1) = d, затем xd + x = d, x = d(1 – x) и, наконец,
На Рисунке 2 показано, как работает эта формула, когда сигнал VOUT подается на 12-разрядный АЦП.
 | |
| Рисунок 2. | На этом графике показаны характеристики датчика при подключении VOUT к 12-битному АЦП с опорным напряжением +5 В. Черная кривая (левая ось) – расстояние между пластинами (d) в миллиметрах, а красная кривая (правая ось) – разрешение младшего значащего бита АЦП в микрометрах. Обратите внимание, что разрешение близко к 0.1% (d/1000) в большей части диапазона. |
К особенностям работы схемы относятся согласование и взаимное отслеживание параметров вентилей U1, естественное для элементов, расположенных на одном кристалле, а также точная оцифровка коэффициента заполнения, если подключенный АЦП в качестве опорного напряжения использует +5 В.
Компоненты, отмеченные звездочкой (R1, R2 и CREF), должны быть прецизионными. Следует тщательно минимизировать паразитные параметры, вносимые внешними подключениями и разводкой печатной платы.
Если существует вероятность того, что пластины датчика могут соприкоснуться и вызвать короткое замыкание, стоит защитить микросхему U2 последовательным конденсатором. Хорошо подойдет конденсатор 0.1 мкФ (из той же упаковки, что и C1 и C2); его емкость будет достаточно велика по сравнению с CSENSE, поэтому его точность и стабильность (или их отсутствие) не будут иметь никакого значения. Я бы также поставил еще один конденсатор последовательно с CREF; в нем нет строгой необходимости, но так схема будет выглядеть более сбалансированной.
Если в вашем приложении требуется отслеживание положения в двух измерениях (например, для координатного стола XY), то для этого отлично подойдут свободные секции микросхем U1 и U2; это позволит сохранить простоту и компактность решения!