Самодельный сенсор силы

Так как емкостным сенсором танцевального коврика выяснились серьезные проблемы, то я начал искать способ создать емкостной сенсор силы, который был изолирован от внешнего мира.

Конструкция, которая сразу пришла в голову, довольная проста:

Зеленый – диэлектрик
Синий – контакт заземления
Красный – сенсорный контакт

Диэлектрик должен быть тонким и пружинящим. Типа резины. Тонким он должен быть и для удобства и для нормальной емкости. Причем, для емкости это не очень важно, важно, чтобы он становился тонким при нажатии ногой. Еще более важное его качество – быстрое и более или менее полное восстановление объема после устранения нажима.

Контакт заземления должен быть именно заземлен. Окружая сенсорный контакт, он убираем все внешние помехи и заключаем ЭМ поле внутри созданного плоского конденсатора.

Сенсорный контакт должен быть немного меньше, чем общая площадь, чтобы точно не касаться земли.

В качестве диэлектрика я хотел найти тонкую 3-4мм резину средней жесткости, но не смог. Просто нет нигде. Но я нашел теплоизоляционные обои. Фактически это 2мм пенопласт обклеенный с одной стороны тонкой бумагой и алюминиевой фольгой.

Вот этапы сборки:

Для тестирования я собрал очень простой осциллятор на схеме CD4093BE на 5В. При изменении емкости должна изменяться при изменении емкости сенсора (при нажатии и отжатии). Сигнал наблюдаю на осциллографе.

Теперь немного банальной математики.

Емкость плоского конденсатора: C=(e0*e*S)/d, где e0=8,854E-12, e примем как для воздуха, т.е. единица, размер сенсора был взять для начала 20х25 см, d=0.002м.

Примерная расчетная емкость 2.2E-10 фарад, но так как обкладки 2, то фактически емкость удваивается. Т.е. C=4.4E-10 фарад. Т.е. 400 пикофарад, то немало.

Формула расчета частоты осциллятора:
f=1/RC*ln((Vp*(Vdd-Vn))/(Vn*(Vdd-Vp)))
R=1000000 Ом
C=4.4E-10 пФ
Vp=3.3В (из даташита)
Vdd=5В
Vn=2.3В (из даташита)

Расчетная частота в спокойном состоянии: 2732 Гц

Собрав всю конструкцию и измерив частоту я получил 1.8 КГц, что, в общем, неплохо согласуется с расчетными значениями.

Сжал рукой, частота явно упала. Сжал сильнее руками с двух сторон – еще упала. Мне удалось ее «уронить» почти в два раза. Однако, когда я решил нажать просто пальцами на малой площади, то внутри этого сенсора сломался пенопласт, продавился и что-то совсем сломалось. После этого он больше не работал.

Тогда я собрал (склеил) другой сенсор. Из 7мм подложки для ламината. Это слишком толстый материал, но я думал, что он будет больше продавливаться и лучше восстанавливаться.

Размер сенсора был сделан 0.3 на 0.3 м. Расчетная емкость 2,27674E-10 Фарад. Я решил поднять частоту и поставил 100 КОм резистор.

Расчетная частота: 53300 Гц.

Реальная измеренная частота 83 Кгц. Если стать обеими ногами на сенсор, то я смог получить 67 Кгц.

Неприятность с этим сенсором была еще в том, что сопротивление между контактами этого конденсатора оказалось в районе 10 МОм. Почему – не понимаю. Может клей токопроводящий, так как не высох еще или в самом материала какая-то ерунда, но конденсатор получился совсем далекий от идеального. Например, с R=1 МОм он вообще не работает.

Выводы:

1) Сам подход правильный, такая схема работает. В работе неважно, давить голой рукой на контакт земли или через диэлектрик, емкость меряется относительно двух контактов и никакие помехи на это не влияют даже при значительном размере сенсора.

2) Испробованные материалы не подходят. Нужно и далее искать материал с хорошими диэлектрическими свойствами и с хорошей упругостью толщиной 2-3мм.

Если кто посоветует материалы – буду благодарен. Пока на уме сделать слоеный пирог из силикона. Прямо размазать силиконовый клей и получить такой вот блинчик. Не может же он продавиться до замыкания? Также можно проложить контакты тонким полиэтиленом, чтобы даже при продавливании не было замыкания.