Педагогічні науки/2. Проблеми підготовки спеціалістів

Юрченко О.В.

Харківський Національний педагогічний університет ім. Г.С. Сковороди, Україна

Аналіз фізичних основ роботи
ємнісного сенсорного детектора

В системі засобів оптимізації навчання велике значення належить формуванню пізнавальних інтересів школярів. Серед багатьох ідей, спрямованих на вдосконалення навчального процесу, ідея формування пізнавальних інтересів учнів являється однією із самих значущих [1]. Одним з напрямків розвитку пізнавальних здібностей є вміле використання прийомів і методів, що забезпечують високу активність учнів у навчанні. До найефективніших із них, як зазначав відомий популяризатор фізики Я.І. Перельман, належать наступні прийоми: положення науки ілюструються подіями сучасності, залучаються приклади із техніки.

Мета роботи – показати майбутнім вчителям фізики, щодо зацікавленості учнів при викладанні фундаментальних понять, що в роботі складних сучасних пристроїв застосовуються базові фізичні явища та найбільш загальні закономірності в природі.

Майже кожен зустрічається з новим різновидом елементів управління, які увійшли в наше життя – сенсорами. Це почалося з мобільних телефонів, mp3-програвачів, та після захопило весь ряд електронних пристроїв сучасної техніки, як повсякденного життя, так і спеціального призначення. Прості електроди під склом чи корпусом приладу замінюють механічні кнопки з рухомими елементами.

Як же працює ємнісний сенсор? Згадаємо, що конденсатор складається з двох металевих пластин, відокремлених ізолятором. Наступна формула показує параметри, які впливають на ємність: , де C – ємність;  ‑ відносна діелектрична постійна ізоляційного матеріалу між пластинами;  ‑ діелектрична постійна вакууму; S – площа пластин; d - відстань між пластинами. Електрод датчика контакту представляє одну пластину такого конденсатора, відповідно інша пластина (рис.1а) представлена навколишнім середовищем електрода датчика (щоб сформувати паразитний конденсаторний C0) та іншої проводить об'єкт, як людський палець (щоб сформувати Ст конденсатора контакту) (рис.1б). Електрод датчика пов'язаний з ланцюгом вимірювання. Якщо об'єкт, який проводить електричний струм, наблизиться чи торкнеться діелектрика над електродом, то ємність збільшиться. Ця зміна буде виявлена ланцюгом вимірювання і перетворена в сигнал.

а) б)

Рисунок 1. Схема відкритого конденсатора та ілюстрація роботи датчика

Аналізуючи формулу для ємності, можна бачити, що збільшення площі електрода S і зменшення товщини діелектрика матеріалу покриття d призводить до більшого Ст ємності контакту і в результаті більшої різниці ємностей між натиснутою і не натиснутою клавішею датчика. Іншими словами, розмір електрода і матеріалу покриття впливає на чутливість датчика.

Існує безліч прийомів для вимірювання ємності [2 , 3]: зміна резонансної частоти, частотної модуляції, амплітудної модуляції, вимірювання часу заряду, вимірювання часу затримки та інші. Більшість методів вимагає аналогових підсилювальних ланцюгів і, як наслідок, виникають пов'язані з цим проблеми: перехресні зв'язки і шумова чутливість. Як же просто і ефективно визначити зміну ємності?

Сучасні системи використовують цифровий підхід [4], як більш економічний за потужністю споживання, порівняно з аналоговими рішеннями. Цифрові схеми використовують фіксацію неузгодженості сигналу в лінії при передачі синфазного сигналу. Ланцюг вимірює різницю фаз між опорним сигналом і сигналом через сенсор (рис 2).

Рисунок 2. Функціонування цифрового сенсора

Система складається з генератора опорного сигналу G; двох ліній заряду ємностей, одна з яких проходить через майданчик сенсора; двох

порогових елементів, що спрацьовують на ідентичну напругу на вході; детектора різницевого сигналу; елемент фіксації даних детектора різницевого сигналу. Форма сигналу генератора G являє імпульси напруги прямокутної форми. Частота генератора повинна бути узгоджена з параметрами ліній RC, а також розмірами сенсора. Робота сенсора ілюструється епюрами напруги в ключових точках схеми (рис.3).

Якщо відсутнє дотик до сенсора ( ), то час заряду ємностей и однаковий. Після проходження порогових елементів, затримка поширення сигналу по ланцюгах Uaf(t) і Usf(t) дорівнює, що не викликає спрацьовування детектора різницевого сигналу (рис. 3а). При торканні до зони сенсора ( ) час збільшується, що після проходження порогових елементів викликає розбіжність фази сигналів (рис. 3б). Розбіжність фіксується детектором різницевого сигналу Udiff(t), який після елемента засувки даних подається в схему обробки.

Рисунок 3. Епюри напруги в ключових точках схеми: випадок А) до торкання, випадок Б) на момент торкання

Таким чином, наочне представлення принципу дії сучасних технічних приладів та зв’язок з фізичними принципами, на яких грунтується їх робота, допоможе учням глибше зрозуміти сутність фізичних явищ, забезпечити міцне і усвідомлене знання матеріалу, який вивчається, зробити навчальну діяльність захоплюючою і продуктивною.

Література:

1. Ланина И.Я. Формирование познавательных интересов учащихся на уроках физики: Кн. Для учителя. – М.: Просвещение, 1985. – 128 с., ил.

2. Capacitive Proximity Sensing Using FDC2x1y// [електронний ресурс] режим доступу : http://www.ti.com/lit/an/snoa940/snoa940.pdf

3. cLiteTM Capacitive Sensor Signal Conditioner // [електронний ресурс] режим доступу : http://www.idt.com/document/dst/zssc3123-datasheet

4. Improving Proximity and Touch Interfaces: Capacitive Sensors with Auto-Calibration // [електронний ресурс] режим доступу : http://www.nxp.com
/documents/white_paper/NXP_DigiKey_CapacitiveSensors.pdf