Емкостные датчики присутствия

Поскольку человеческое тело представляет собой среду с высокой диэлектрической проницаемостью (на частоте 40 МГц диэлектрическая константа мышц, кожи и крови приблизительно равна 97, а жира и костей — 15), между ним и окружающими

Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов

предметами возникают различные емкостные связи. Величины появляющихся переходных емкостей определяются такими факторами, как размер тела, матери­ал одежды , тип окружающих объектов, погода и т.д. Обычно он лежит в диапазо­не от нескольких пикофарад до нескольких нанофарад. При движении человека величины этих емкостей меняются, что дает возможность отделить движущиеся объекты от статических. На самом деле все объекты связаны друг с другом некото­рыми емкостными связями. И если эти связи в какой-либо зоне зафиксировать, появление любого нового объекта в окрестности этой зоны приведет к наруше­нию установившихся связей. На рис. 6.3 показано, что первоначально емкость между тестовой пластиной и землей (здесь, под словом «земля» подразумевается любой большой объект, такой как земля, озеро, автомобиль, корабль, самолет и т.д.) равна С₁. При вторжении человека в окрестность этой пластины формируют­ся два дополнительных конденсатора: С_а — между пластиной и телом и С_ь — между телом и землей. Поэтому суммарная емкость между пластиной и землей увели­чится на величину ΔС:

Это изменение емкости может быть зафиксировано при помощи соответствующей аппаратуры и использоваться для детектирования присутствия людей в охраняе­мой зоне.

Рис. 6.3. Человек вносит дополнительную емкость в схему детектора

земля

На рис. 6.4 показана емкостная охранная система для автомобиля [3]. Чув­ствительный элемент вмонтирован в сидение автомобиля. Он может быть изго­товлен в виде металлической пластины или сетки, электропроводной ткани и т.д. Чувствительный элемент формирует одну из пластин конденсатора С. Второй пластиной этого конденсатора может быть либо корпус автомобиля, либо отдель­ная пластина, расположенная под ковриком на полу. В качестве эталонного кон­денсатора С_х используется либо постоянный, либо переменный конденсатор. Его необходимо размещать недалеко от сидения. Эталонный и чувствительный кон­денсаторы подключаются к соответствующим входам детектора зарядов (через резисторы R1 R₂). Для уменьшения паразитных наводок соединительные прово­да следует скручивать. Дифференциальный детектор зарядов управляется генера­тором прямоугольных импульсов (рис. 6.5). Когда на сидении никто не сидит,

6 3 Емкостные датчики присутствия

эталонный конденсатор устанавливается приблизительно равным конденсатору С Резисторы и соответствующие конденсаторы определяют постоянные времени двух цепей В исходном состоянии обе ЛСцепи имеют одинаковые постоянные време­ни, равные т, Напряжения с резисторов подаются на входы ОУ, выходной сигнал которого V_c практически равен нулю Небольшие пики на выходном сигнале свиде­тельствуют о некотором разбалансе схемы Когда человек садится на сидение, его тело формирует дополнительную емкость параллельно С, что приводит к увеличе­нию постоянной времени цепи от т, до т₂ Это сказывается на увеличении амплиту­ды пиков на выходе ОУ Компаратор сравнивает V с эталонным уровнем напряже­ния V Когда К становится больше V. компаратор посылает сигнал на логическое устройство, вырабатывающее сигнал тревоги V, свидетельствующий о том, что в машине кто-то находится Следует отметить, что емкостной детектор является ак­тивным устройством, поскольку для его работы необходим сигнал генератора

Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов

Когда емкостной датчик присутствия используется рядом или на металлических устройствах, его чувствительность может быть несколько снижена из-за паразитных емкостных связей между электродом и металлическими частями. Эффективный спо­соб борьбы с паразитными емкостями — применение экранов. На рис. 6.6А показан робот с металлической рукой. Рука движется рядом с людьми и другими потенциально проводящими объектами и может с ними столкнуться, если управляющий компьютер робота не получит информацию о близости руки с препятствием. При приближении любого объекта круке робота формируется емкостная связь между ним и рукой, равная С_so Рука робота покрыта электрически изолированной проводящей оболочкой, назы­ваемой электродом. На рис. 6.3 показано, как можно при помощи детектирования емкостной связи определять присутствие людей в окрестности датчика. Однако мас­сивная металлическая рука робота (рис. 6.6Б) имеет гораздо более сильную емкостную связь с электродом, чем образуемая связь между элекгродом и объектом. Элегантное решение этой проблемы — размещение между электродом и рукой робота промежу­точного экрана (рис. 6.6В) (Этот принцип был предложен М.С. Катоу из Palnning Research Corp. при создании робота для NASA's Jet Propulsion Laboratory). Роль датчи­ка приближения здесь выполняет многослойное покрытие руки робота, в котором нижний слой является диэлектриком, после него идет большой токопроводящий эк­ран, а верхний слой представляет собой узкую пластину электрода. Для уменьшения емкостной связи между электродом и рукой робота, потенциал экрана должен быть равен потенциалу электрода, следовательно, на экран надо подавать напряжение, рав­ное напряжению электрода (поэтому такой экран часто называется управляемым экра­ном). При выполнении этого условия между экраном и электродом не будет никакого электрического поля, а между экраном и рукой робота возникнет сильное электричес­кое поле. При этом между электродом и объектом также формируется достаточно силь­ное электрическое поле. На рис. 6.7 показа­на упрощенная схема генератора прямоуголь­ных импульсов, частота которых зависит от значений входной емкости, состоящей из следующих емкостей: С_sg (между датчиком и землей), С_so(между датчиком и объектом) и С_og (между объектом и землей). Электрод со­единен с экраном через повторитель напря­жения. Частотно-модулированный сигнал поступает в компьютер робота, управляющий движением его руки. Такое устройство позво­ляет детектировать соседние проводящие объекты на расстоянии 30 см.

Рис. 6.6. Емкостной датчик приближения. Управляемый экран располагается на метал­лической руке заземленного робота (А). Без экрана электрическое поле в основном сосре­доточено между электродом и роботом (Б), тог­да как экран помогает перенаправить поле в область между электродом и объектом (В)

Рис. 6.7. Упрощенная схема частотного модулятора, управляемого входными емкостями

Поиск по сайту: