Универсальные датчики

November 28, 2010 by admin Комментировать »

Датчики для автоматических устройств радиоэлектронной аппаратуры являются важнейшими элементами в электрических схемах. Датчики, широко известные радиолюбителям, применяются повсеместно в профессиональной промышленной и непрофессиональной аппаратуре, изготовленной самими радиолюбителями. Например, датчик удара в автомобильных сигнализациях, или датчик шума в акустических устройствах, или датчик ИК излучения в устройствах дистанционного контроля параметров. Вариантов конструкций датчиков бесконечно много. Например, датчик качки (или удара) в автомобильной сигнализации с одинаковой эффективностью может быть изготовлен несколькими разными способами. Сами по себе датчики являются только частью электронной схемы, поэтому не будем забывать, что и от схемы управления зависит надежная работа всего устройства. Что же такое датчик?

Определений его множество, но самое простое — это прибор, изменяющий свое состояние в зависимости от внешних воздействий. Ниже мы рассмотрим несколько вариантов датчиков, которые можно без больших временных и финансовых затрат изготовить в домашних условиях своими руками. Эти датчики посылают однократные импульсы или пачки импульсов (дребезг контактов) на электронное устройство контроля в зависимости от воздействия на них.

В настоящее время радиоэлектронная промышленность предлагает радиолюбителям промышленные варианты датчиков казалось бы на все случаи жизни — даже счетчики Гейгера, регистрирующие радиацию, стали доступны. Следующий материал актуален по причине большой розничной стоимости большинства промышленных датчиков и направлен на поощрение творчества радиолюбителя в бытовых и «полевых» условиях, когда возможно изготовить датчики самостоятельно, без потери их качества.

Механические датчики

На рис. 3.28 изображен вариант изготовления плоского механического датчика. Монтируя один или несколько таких датчиков под ковролином, линолеумом, или под обоями, удается внешне незаметно управлять освещением, например, прихожей.

При нажатии ногой на плоскость датчика (или нажатии рукой на определенное место на стене квартиры, офиса) фольгированные контакты замыкаются, и импульс по соединительным проводам уходит на схему управления. Чувствительность датчика высокая — он реагирует даже на небольшую нагрузку.

Рис. 3.28. Конструкция механического датчика

Как видно из рисунка, на плотную фольгу накладывается картон с прорезанным внутри отверстием, а на него накладывается еще один слой фольги. К токопроводящей фольге (вполне подходит плотная фольга на бумажной основе) аккуратно припаиваются тонкие гибкие проводники. Весь получившийся «бутерброд» затем ламинируют. В качестве материала для ламинирования используют полиэтиленовую папку-карман для бумаг или школьных принадлежностей — ее нужно разрезать по размеру датчика, вложить фольгу и картон внутрь и через тряпочку прогладить утюгом. Можно просто обклеить датчик скотчем. Если в схеме управления используются помехоустойчивые элементы (полевые МОП-транзисторы или микросхемы) — длина соединительных проводов от датчиков до схемы может составлять несколько метров. Если требуется большее удаление, то применяются шинные усилители и преобразователи уровня на микросхемах (например, на элементах К561ПУЗ, К561ПУ4, К561ЛП1, К561ЛН2 и других). Если изготовить датчик в несколько слоев, чередуя проводник и диэлектрик, то получившийся «толстый бутерброд» можно использовать как датчик силы воздействия (нажима) — то есть как датчик для взвешивания. Вариантов применения такого датчика много, его особенностью является возможность легкой маскировки. Плоский датчик надежен, долговечен и описан автором подробно в нескольких разработках автоматических бытовых устройств.

Акустические датчики

На рис. 3.29 и 3.30 представлены две чувствительные схемы, осуществляющие функции акустического датчика, вырабатывающего серии (пачки) импульсов при звуковом воздействии, отличном от спокойного акустического фона. Схема на операционном усилителе (рис. 3.29) использует в качестве датчика воздействия пьезоэлемент.

Рис. 3.29. Акустический датчик, построенный на ОУ

Такой вариант неоднократно публиковался в сочетании с другими типами ОУ и поэтому он не претендует на оригинальность. В качестве пьезоэлемента использован капсюль ЗП-22 и из-за относительной чувствительности — реагирует только на удары — он не очень эффективен, однако с успехом может применяться в охранных устройствах, например, для охраны окон. Для этого капсюль нужно надежно приклеить к стеклу и датчик будет выдавать одиночные импульсы при ударах по стеклу. Чем больше площадь стекла (охраняемой зоны) — тем более чувствителен датчик. Он может применяться для охраны со стороны внешних стекол и витрин в магазинах. Чем больше сопротивление резисторов R4 и R2 на входе компаратора — тем чувствительнее схема. С выхода компаратора (вывод 6) импульс поступает на ключевую или формирующую схему. Конденсатор С1 (К50-24) фильтрует помехи по питанию.

На рис. 3.30 показан более чувствительный, хотя и более старомодный вариант. В качестве ВМ1 используется любой угольный микрофон от старых телефонных аппаратов (МК-10 и аналогичные). Транзисторный усилитель собран по схеме последовательного усиления таким образом, что коэффициент усиления второго каскада вдвое больше первого и т.д. На рисунке мы видим трехкаскадный усилитель, позволяющий использовать эту схему как сверхчувствительную, однако, если такая чувствительность не является столь необходимой — можно обойтись и только одним каскадом на составном транзисторе. Усилитель работоспособен в широких пределах напряжения питания схемы. С коллектора последнего транзистора пачки импульсов поступают на ключевую или формирующую последовательность импульсов схему (например, одновибратор). Усиление эффективно регулируется резистором R1 (чем больше его сопротивление — тем чувствительнее схема) и в незначительных пределах резистором R6. Как известно, в таких микрофонах находится угольный порошок, очень чувствительный к сотрясениям и звуковым волнам, он изменяет сопротивление микрофона по постоянному току. Эти импульсы и улавливает усилитель на транзисторах VT1—VT4. Отрицательной особенностью схемы является ее инерционность, обусловленная свойствами угольных микрофонов. Но для многих радиолюбительских разработок такая чувствительная схема практически незаменима по своей простоте и эффективности. Положительные качества — простота в изготовлении, некритичность к обратному включению и перепадам напряжения питания, надежность. Проводники от микрофона к электрической схеме должны иметь минимальную длину. Транзисторы допустимо применять любые из серий КТ3107, КТ361. В практике автора устройство, показанное на рис. 3.30, успешно и стабильно применяется в качестве звукового датчика для подачи рыбам в аквариум воздуха. Микрофон вместе со схемой датчика устанавливается в пластмассовом компактном корпусе, который надежно крепится к стенке аквариума так, чтобы обеспечить плотное прилегание рабочей поверхности угольного микрофона к стеклу. Практика показала, что любое движение за стенкой аквариума даже небольшой рыбки вблизи микрофона-датчика, а тем более всплывание рыбы к верхнему краю воды за воздухом улавливается датчиком и он выдает пачку импульсов. Угольный микрофон изменяет свое сопротивление в зависимости от внешних акустических воздействий. Это изменение затем воспринимается усилительной схемой на транзисторах. Количество импульсов в пачке пропорционально силе воздействия звуковой волны на микрофон. Импульсы преобразуются схемой управления, и автоматически включается компрессор на 1…2 часа (время, обусловленное дополнительным таймером).

Этот датчик может найти и другое применение, например, как акустический датчик, реагирующий на разговор в помещении, и включающий подсветку. Если корпус устройства вместе с микрофоном монтировать на полу — схема будет оповещать о приближении человека задолго до его подхода к датчику. Так как шаги человека по полу, как показывает практика в городских квартирах, воздействуют на его поверхность и передаются на большое расстояние. Таким образом, вариантов применения такого датчика очень много.

Индуктивный датчик

На рис. 3.31 показан простой датчик, реагирующий на магнитную индукцию. Когда вблизи обмотки катушки И появляется небольшой ток (например, в проводах линии связи), он наводится в катушке и передается на усилительный каскад на составном транзисторе. Усилитель для этой схемы может быть любой конфигурации, с большим коэффициентом усиления. С положительной обкладки конденсатора С2 снимается переменное напряжение, наведенное в катушке И. Если в качестве катушки применить магнитную антенну, можно получить прибор, реагирующий на

Рис. 3.31. Усилитель для индукционного датчика

радиоволны определенной длины, то есть контролировать радиоэфир. Чувствительность схемы регулируется резистором R1, задающим смещение на составной транзистор.

Чем больше сопротивление переменного резистора — тем чувствительнее схема. Для оптимального режима усиления (т.к. напряжение питания схемы может существенно изменяться) подбирается номинал резистора R2 так, чтобы ток, потребляемый этим узлом от источника питания, был в пределах 2 мА. На практике датчик улавливает переменный ток от 50 мА в проводах на расстоянии до 5 см. Длина проводов от катушки L1 до входного каскада схемы для исключения помех должна стремиться к минимуму.

Катушка наматывается проводом ПЭВ или ПЭЛ диаметром 0,1…0,15 мм внавал и содержит 2500 витков на любом подходящем картонном, деревянном или пластмассовом каркасе диаметром 8 мм. Внутрь каркаса вставляется сердечник из феррита марки 600 — 2000НН. Длина каркаса соответствует длине сердечника и находится в пределах 25…40 мм.

Датчик тока

Конструкция устройства показана на рисунке 3.32.

Датчик представляет собой геркон с намотанным по длине его стеклянного корпуса проводом диаметром 0,08…0,1 мм. Намотка внавал (300—400 витков) — в зависимости от назначения датчика. Когда по обмотке такого датчика протекает электрический ток, геркон под воздействием магнитной индукции замыкает (размыкает) свои контакты, коммутируя периферийную цепь. На основе этого датчика радиолюбитель может самостоятельно изготовить «токовое реле», соединив один из контактов геркона с концом обмотки, как показано на рис. 3.33.

Сразу после включения протекающий через нагрузку ток создает падение напряжения на обмотке L1. Падение напряжения на обмотке прямо пропорционально силе тока в цепи. Наведенное напряжение создаст небольшое электромагнитное поле, которое будет достаточным для воздействия на контакты геркона, которые заблокируют электрическую цепь. Когда нагрузка обесточит – ся (или ток в ее цепи уменьшится, что может произойти в силу очень разных причин), падение напряжения на L1 уменьшится, уменьшится магнитное поле, и контакты геркона разомкнуться. Чувствительность такого датчика зависит от количества витков L1 и силы тока в цепи. Токовое реле, как и электромагнитный датчик, имеет много вариантов применения в радиотехнических конструкциях.

Датчик малого тока

Рис. 3.36. Оптический датчик

параллельно передатчику и под углом к нему расположены фотоприемники (блок 2), также обращенные в пространство. При отсутствии отражающего объекта энергия, излучаемая свето- диодом, рассеивается, не попадая на чувствительную поверхность фотоприемников. При появлении объекта в пределах действия активного излучения световой отраженный луч улавливается одним или несколькими датчиками-приемниками, вследствие этого от фотоприемника на управляющую схему поступает импульс. Расстояние от излучателя сигнала до приемника (датчика) в плоскости излучения не должно превышать 4…5 сантиметров. Однако, если в качестве объекта-отражателя использовать зеркальную поверхность (даже без фокусирующей линзы) с радиусом кривизны 50…80 мм, то устройство может эффективно срабатывать на расстоянии до отражающего объекта до 25 см.

По этому принципу был создан специальный датчик, который испытывался в системе обеспечения жизнедеятельности аквариумов и в качестве датчика дождя для автомобилей. Рассмотрим работу узла (принципиальная схема показана на рис. 3.36, б) на примере аквариума. Датчик (оптрон АОРС113А — оптопара с открытым оптическим каналом, в данной схеме его излучающие светодиоды и принимающие фоторезисторы включены параллельно) монтируется с внешней стороны на одну из стенок аквариума и рабочей поверхностью обращен внутрь аквариума. Аноды излучающих диодов внутри корпуса оптрона объединены и имеют общий вывод 8. Корпус АОР113А и АОРС113А — металлический, с шестнадцатью выводами, на основе керамической подложки, типа «планар», со стеклянным окном. Это позволяет упростить монтаж к ровной контролируемой поверхности.

Отличие АОР113А от АОРС113А в том, что в составе АОРС113А находятся два идентичных приемо-передатчика (подобные одному в АОР113А). Оптрон АОРС113А позволяет контролировать соответственно две координаты и включать дифференциальные фотоприемники последовательно либо параллельно.

В больших аквариумах (объемом более 60 литров) имеются определенные трудности с заменой воды. Поэтому там устанавливаются компрессоры для фильтрации, очистки воды и постоянного снабжения воздухом акватории. Воду в больших аквариумах заменяют частично, а полностью очень редко, в случае крайней необходимости. В результате на дне и на стенках аквариума скапливаются различные органические отложения, загрязняющие воду. В некоторых случаях внутри акватории начинает цвести трава и вода совсем теряет прозрачность. Для ответственных хозяев это недопустимо. Рассматриваемый здесь оригинальный датчик практически не отражает излучение в случае чистых стенок аквариума и прозрачной воды, и начинает отражать луч, если есть загрязнение. Импульс от датчиков поступает на схему контроля параметров (реализованную на составном транзисторе), тогда при подаче питания на нагрузку (устройство сигнализации) последняя звуком сигнализирует о загрязнении аквариума. В схеме управления должна быть предусмотрена задержка подачи сигнала тревоги (таймер на несколько минут) для того, чтобы исключить ложные срабатывания системы сигнализации в случае появления в пределах активной зоны датчиков рыбы или, например, проползания улиток. Практикой доказано, что живым организмам в аквариуме не вредит небольшое излучение датчика. Скорее, можно констатировать обратный факт — рыбы часто появляются в рабочей зоне датчиков и живо интересуются происходящим.

Принцип действия датчика дождя для автомобиля аналогичен приведенному выше. Сами датчики (излучатели и приемники) соединены со схемой управления экранированными проводниками наименьшей длины. Исполнительное устройство датчика дождя призвано замыкать цепь автомобильной электроники — контакты выключателя стеклоочистителей. В автомобиле не нужна задержка на включение устройств нагрузки. Ночью, в темноте прибор ведет себя стабильно. Чувствительность устройства регулируется только один раз при установке на стекло автомобиля для исключения ложных срабатываний от солнечного спектра излучения в ясную погоду. Питание схемы — стабилизированное, может быть в пределах 10…18 В. Если точность срабатывания схемы не принципиальна, то в качестве нагрузки можно использовать любое автомобильное реле на напряжение 12 В.

Разница с предыдущим вариантом состоит в креплении корпуса с устройством к лобовому стеклу автомобиля (изнутри). В ясную погоду постоянное излучение свободно проходит через чистое стекло и рассеивается в пространстве. Во время дождя стекло с внешней стороны загрязняется дождевыми каплями, которые незначительно отражают лучи. Отраженный сигнал, соответственно, изменяет сопротивление фоторезисторов в корпусе оптрона с открытым оптическим каналом. Это приводит к изменению режима составного транзистора и появлению импульса тока на выходе. Так же как и в первом случае, фотоприемники (фоторезисторы) подключаются параллельно (их общее сопротивление при световом воздействии уменьшается быстрее — происходит увеличение чувствительности узла). Когда отражающего сигнала нет — суммарное сопротивление фоторезисторов оптрона высокое, порядка сотни кОм. На выходе схемы напряжение стремится к нулю относительно отрицательного полюса источника питания. Отраженное световое излучение уменьшит суммарное сопротивление фоторезисторов и откроет VT1, VT2. На выходе схемы появится напряжение высокого уровня, почти равное напряжению питания. Регулировка чувствительности схемы осуществляется переменным резистором R1, который следует выбрать с линейной характеристикой. С выхода схемы управляющий сигнал можно подавать на компаратор, сравнивающий базовое напряжение с входным (собранный по любой стандартной схеме, например на К521САЗ). Компаратор на своем выходе выдаст постоянный положительный сигнал при изменении напряжения на его входе. Сигнал с выхода компаратора через любой транзисторный ключ включит исполнительное реле, которое своими контактами замкнет цепь сигнализации (нагрузки).

Пара слов о монтаже к аквариумной стенке. Прозрачное окно корпуса оптрона моментальным клеем монтируется к стеклу, при этом следует следить, чтобы клей не попал на рабочую поверхность оптрона. Вместо АОРС113А можно применить два прибора АОР113А (на рис. 3.36, в, показана цоколевка и различие между данными оптронами). Они имеют аналогичные электрические параметры. Применение только одного элемента из пары не замедлит сказаться на работе всей схемы в сторону уменьшения чувствительности.

При использовании схемы в качестве датчика дождя для автомобиля необходимо учитывать следующий факт. Устройство хорошо работает в температурном диапазоне 0…50°С, поэтому зимой, если автомобиль не ставится в теплый гараж при отрицательной температуре воздуха, в первые моменты начала движения автомобиля, пока температура в салоне не поднимется до нуля градусов, датчик дождя может некорректно реагировать на внешние факторы.

Кроме приведенных здесь двух вариантов применения бесконтактного оптического датчика отражения, безусловно, существует множество других возможностей его использования (датчик пульса, охранные системы и т.п.).

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты