Электростатические датчики движения

Любой объект может накапливать на своей поверхности статическое электриче­ство. Заряды на поверхности появляются вследствие электростатических явле­ний (т.е. процессов выделения зарядов при движении объектов, при трении тка­ней друг об друга, из-за турбулентности воздуха и атмосферного электричества и т.д) (см. раздел 3.1 главы 3). Обычно в воздухе находятся либо положительные, либо отрицательные ионы, которые при попадании на тело человека меняют его заряд. В идеальных статических условиях все объекты не заряжены, их объемные заряды равны нулю. Однако в реальных условиях в любом объекте, изолирован­ном хотя бы временно от земли, может возникнуть разбаланс объемного заряда. Другими словами, он становится носителем электрических зарядов.

Любая электронная схема представляет собой набор проводников и диэ­лектриков. Если схема неэкранирована, все ее компоненты имеют емкостные связи с окружающими объектами. На практике переходные емкости могут быть очень малы — порядка 1 пФ и даже меньше. Для увеличения связи схемы с окру­жающими объектами на ее вход иногда ставят чувствительный электрод, напо­минающий электрод, используемый в емкостных детекторах, рассмотренных в разделе 6.3. Электрод может быть выполнен в форме проводящей пластины, надежно изолированной от земли.

Между электродом и окружающими объектами всегда устанавливается элек­трическое поле, если хотя бы один из них является носителем зарядов. Другими словами, все распределенные конденсаторы, сформированные между электро­дом и соседними объектами, заряжаются статическими или слабо меняющи­мися электрическими полями. Когда вблизи электрода нет движущихся объек­тов электрическое поле там либо стационарно, либо меняется сравнительно медленно.

262 Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов

Если носитель заряда (человек или животное) меняет свое положение (уда­ляется или в окрестности электрода появляется новый объект — носитель заря­да), статическое электрическое поле нарушается. Это приводит к перераспреде­лению зарядов между переходными конденсаторами, включая те, которые сфор­мированы между входным электродом и окружающими объектами. Величина зарядов на поверхности объектов зависит от их природы и атмосферных усло­вий. Например, человек в сухой одежде, идущий по ковру, переносит в миллион раз больший заряд, чем человек в мокрой одежде, вошедший в помещение пос­ле дождя. Электронная схема должна быть адаптирована под конкретные усло­вия, в которых ей предстоит работать. Другими словами, предназначение дан­ной системы заключается в преобразовании переменных индуцированных за­рядов на входах в электрические сигналы, которые далее усиливаются и посту­пают в устройства обработки данных. Таким образом, статическое электриче­ство, являющееся обычным физическим явлением, можно использовать для фор­мирования переменных электрических сигналов для детектирования движения объектов.

На рис. 6.8 показан однополярный электростатический детектор движения. Он состоит из проводящего электрода, подключенного на вход аналогового пре­образователя импеданса, реализованного на основе МОП транзистора Q_] рези­стора смещения R₁ входного конденсатора С₀, усилителя и оконного компара­тора [4]. Вся схема кроме электрода, как правило, экранируется. Электрод же подвержен воздействию окружающей среды и образует с внешними объектами емкостные связи, которые можно выразить в виде конденсатора С . На рис. 6.8 источником статического электричества выступает человеческое тело, на поверх­ности которого распределены положительные заряды. Будучи носителем заря­дов, тело формирует электрическое поле с напряженностью Е. Это поле индуци­рует на электроде отрицательные заряды. В стационарных условиях, когда чело­век находится без движения, напряженность поля остается постоянной, а вход­ная емкость С₀ разряжается через резистор R₁ Для того чтобы схема обладала высокой чувствительностью, сопротивление резистора R₁, должно быть очень боль­шим — порядка 10¹⁰ Ом и даже выше.

6.4. Электростатические датчики движения

При движении человека напряженность электрического поля меняется. Это приводит к появлению на входном конденсаторе С₀ электрического заряда, что сказывается на величине напряжения на резисторе R₁ которое через разделитель­ный конденсатор попадает на усилитель и далее на вход оконного компаратора. Компаратор сравнивает пришедший сигнал с двумя пороговыми уровнями, как это показано на временных диаграммах (рис. 6.9Б). Один пороговый уровень обычно выше базовой линии статического сигнала, а другой — ниже. При движении чело­века сигнал на входе компаратора отклоняется либо вверх, либо вниз, пересекая один из пороговых уровней. Выходной сигнал компаратора представляет собой серию прямоугольных импульсов, которая может быть подана в устройство обра­ботки данных. Следует отметить, что в отличие от емкостных детекторов движе­ния, являющихся активными устройствами, электростатические датчики относят­ся к пассивным схемам.

Существует несколько источников помех, которые могут привести к ложным срабатываниям электростатических детекторов: 60 или 50-ти герцовые сетевые на­водки, электромагнитные поля от радиостанций, силовые электрические установ­ки, молнии и т.д. Большинство перечисленных помех формирует вокруг детектора довольно равномерные электрические поля, которые могут быть скомпенсированы при использовании схемы с симметричными входами и высоким КОСС

.

264Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов

Поиск по сайту: