Bộ cộng hưởng thạch anh chuyển đổi các đại lượng không điện thành điện. Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện

Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện / Đài thiết kế nghiệp dư

 Bình luận bài viết

Кварцевый резонатор находит применение не только для стабилизации частоты и фильтрации радиочастотных сигналов. Являясь высокодобротной электромеханической колебательной системой, он оказывается пригодным для измерения неэлектрических параметров в технологическом контроле изделий, полуфабрикатов и в мониторинге окружающей среды.

Кварцевый диссипативный преобразователь механической энергии выполнен на основе специализированного кварцевого резонатора, в котором пьезоэлемент покрыт чувствительным к измеряемой незлектрической величине веществом. Выходной электрический сигнал преобразователя поступает на измерительный прибор или компьютер. Объектами контроля могут быть газообразные, жидкие и твердые среды, включая жидкие кристаллы и биополимеры, а измеряемыми неэлектрическими величинами - влажность, температура, электро-, тепло- и светопроводимость, вязкоупругие свойства и др.

При воздействии на преобразователь измеряемой неэлектрической величины изменяется эквивалентное активное сопротивление кварцевого резонатора, являющееся мерой диссипации (рассеяния) упругих колебаний кварца. Известно, что резонатор представляет собой электромеханическую колебательную систему, содержащую пьезоэлемент, его электроды с выводами и держатель. Пьезоэлемент вырезают из природного или синтетического кристалла кварца. Электромеханические колебания в резонаторе происходят благодаря прямому и обратному пьезозффектам, присущим кварцу.

В основном применении резонатора (стабилизация и фильтрация сигналов) его эквивалентное электрическое (активное) сопротивление Ra называют динамическим и рассматривают как единое целое [1]. В действительности оно может быть разделено на составляющие: R0 - сопротивление, обусловленное потерями энергии колебаний в самом кварце; Rэ - в электродах; Rи - потерями на излучение ультразвука; Rc - на связанные колебания; Ra - потери в держателе.

При использовании кварцевого резонатора в преобразователе энергии необходимо было получить формулы для расчета всех составляющих сопротивления Ra, включая Rп, отражающую дополнительные потери в чувствительном покрытии, - его наносят на поверхность пьезозлемента для обеспечения информативного выходного сигнала, пропорционального значению контролируемого неэлектрического параметра [2]. Вместе с этим преобразователь должен иметь постоянное активное сопротивление при изменении неинформативных параметров. Для достижения независимости Ra от температуры должны быть исключены, например, потери на связанные колебания в резонаторе, что достигается изменением конструкции электродов на пьезоэлементе [3].

Расчет составляющих по формулам в [2] позволил выбрать вид среза пьезозлемента и определить его оптимальные размеры. Оптимальным для кварцевого диссипативного преобразователя механической энергии оказался срез ДТ (yxl/-52 град) с размерами пьезоэлемента 14,5x6,1x0,25 мм; резонансная частота - 300 кГц, Ra = 236 Ом (без чувствительного покрытия).

Значение информативного сигнала преобразователя (изменение активного сопротивления) определяют по формуле

где Кпр - коэффициент преобразования, равный 5416,74 кОмс/кг; Δ и μ - толщина чувствительного покрытия и его вязкость (внутреннее трение).

Применив в качестве чувствительного покрытия пленку капрона (полика-проамида), внутреннее трение которого зависит от влажности воздуха, удалось создать преобразователь-датчик влажности, ставший основой влагомера [4]. Динамическое сопротивление пре образователя в сухом воздухе (при относительной влажности 20...30 %) равно 1,2 кОм, а во влажном (90...95 %) - 3,265 кОм, что соответствует чувствительности не менее 26 Ом/%. Влагомер нашел применение в тепличном хозяйстве совхоза "Тепличный" (г. Иваново), а также в волноводах ивановских городских и областных телевизионных станций. Заметим, что в зимнее время в волноводе температура может понижаться до -35...45, а летом достигать +45 °С.

Интересно, что в известных влагомерах воздуха "ВОЛНА" в качестве датчика также применен кварцевый резонатор с капроновой влагочувствительной пленкой, но в нем использована зависимость резонансной частоты кварца от массы чувствительного покрытия. Такой прибор трудно выполнить малогабаритным (карманным), так как он должен содержать два кварцевых резонатора и два автогенератора.

Механизм рассеяния энергии упругих колебаний пьезозлемента в резонаторе значительно сложнее, он связан с релаксационными процессами в полимерном чувствительном покрытии и глубиной проникновения упругой волны в него. Для получения оптимальной влагочувствительности полимерная пленка, наносимая на пьезоэлемент, должна иметь определенное соотношение между ее вязкостью и упругостью, чего достигают добавлением к вязкому капрону жесткого фенолополивинилацетатного клея (БФ-2).

Отметим, что некоторые полимеры, имеющие значительное приращение массы во влажной среде, имеют малую зависимость внутреннего трения от влажности и поэтому непригодны для датчика влажности из-за низкой его чувствительности.

Конструкция преобразователя, используемого в качестве датчика влажности воздуха, схематически показана на рис. 1 [5]. На пьезокварцевую пластину 1 ДТ-среза с собственной частотой колебаний 300 кГц нанесено проводящее покрытие 2, к которому припаяны токоподводы 3. На пьезоэлементе отмечены места максимальных смещений Б и деформации В. Эти места соединены полосами 4 клея, наносимого 50%-ным раствором его в этиловом спирте. Влагочувствительная пленка 5 на поверхности пластины состоит из слоев полимеров с разными влагочувствительностью и вязкоупругостью.

Технология наложения слоев несложна. После нанесения полос клея пластину сушат при температуре 150 °С в течение 60±10 мин для полимеризации клея. Затем ее окунают в 30 %-ный раствор клея в этиловом спирте и центрифугируют на воздухе с частотой вращения 2000...2500 мин"1 вокруг оси выводов в течение 30.. .40 с. На эту тонкую пленку клея, высушенную на воздухе, наносят слой капрона из б %-ного раствора в муравьиной кислоте. Пленки еще раз сушат при температуре 150 °С. При этом происходят не только полимеризация клея и взаимная диффузия пленок, но и стабилизация свойств покрытия.

Затем наносят второй тонкий слой клея, сушат на воздухе, и второй слой капрона 3%-ным раствором в муравьиной кислоте. Пластину снова подвергают горячей сушке, после чего проверяют выходной параметр преобразователя - его динамическое сопротивление Rc в сухом воздухе. Если оно мало, наносят дополнительные слои клея и капрона до тех пор, пока Rc не станет равным 1,2±0,1 кОм.

Описанная технология позволяет получать воспроизводимые по эксплуатационным параметрам датчики влажности. Они имеют линейную характеристику преобразования, малую инерционность и температурную погрешность.

На базе этого датчика создан карманный гигрометр (рис. 2), способный контролировать влажность воздуха в пределах 20...95 % с точностью ±1 %. Принципиальная электрическая схема измерительного узла прибора изображена на рис. 3.

Датчик ВQ1 включен в одно из плеч измерительного самобалансирующегося моста, работающего на частоте 300 кГц, последовательно с компенсационным элементом, содержащим резистор R1, конденсатор С1 и варикап VD1. Подстроечный резистор R5 служит для установки режима моста, например, при замене преобразователя. Выход моста через конденсатор С2 соединен с его входом через усилитель на транзисторах VT1, VT2 и фазирующий трансформатор Т1.

Емкость варикапа VD1 (из серий КВ102, КВ104 или аналогичного им) без подачи управляющего постоянного напряжения максимальна, а активное сопротивление на частоте 300 кГц минимально. По этой причине активное сопротивление цепи VD1R1 на частоте 300 кГц также минимально. В результате выполняется условие самовозбуждения усилителя: активное сопротивление измерительного плеча моста меньше сопротивления плеча сравнения, мост разбалансирован, его выходное напряжение максимально. Оно после усиления по току эмиттерным повторителем на транзисторе VT3 поступает на вход детектора, выполненного по схеме удвоения напряжения (диоды VD4, VD5). Полученное напряжение постоянного тока подают на аналого-цифровой преобразователь с жидкокристаллическим индикатором. Преобразователь и индикатор выполнены по стандартной схеме, поэтому на рис. 3 не показаны. Резистором R17 регулируют пределы контролируемой влажности.

Переключателем SB1 выбирают режим "Работа" или "Контроль напряжения питания" (которое поддерживают резистором R16).

Таким образом, одновременно с получением информативного сигнала, определяемого изменением динамического сопротивления преобразователя, которое, в свою очередь, зависит от влажности, обеспечивается автоматическое самобалансирование моста: высокочастотное напряжение с переменного резистора R15 поступает на детектор (диоды VD2, VD3) и через резистор R6 на компенсационный элемент (VD1R1C1). Выходное постоянное напряжение детектора управляет активным сопротивлением компенсационного элемента, а изменение емкости варикапа VD1 реализует автоматическое балансирование моста.

При включении питания активное сопротивление компенсационного элемента минимально, что обеспечивает самовозбуждение усилителя из-за разбаланса моста. Затем постоянное управляющее напряжение, зависящее от степени разбаланса, изменяет сопротивление компенсационного элемента, уменьшая сопротивление измерительного плеча моста и приближая его к сопротивлению плеча сравнения.

Полного баланса моста не происходит, так как в этом случае автоколебания не возбуждаются. Но при коэффициенте усиления усилителя Ку > 1000, разбаланс моста незначителен (около 10 Ом). Такой режим работы измерительного моста обеспечивает вторичному преобразователю высокую стабильность и необходимую чувствительность, регулируемую резистором R15.

Прибор питается от батареи "Крона" (GB1), подключаемой тумблером SA1. Потребляемый от источника ток - 2...3 мА.

Трансформатор выполнен на магнитопроводе типоразмера К12x5x5 из феррита М1000НМ-А. Обмотки I и II содержат соответственно 90 и 35 витков провода ПЭЛШО 0,01. Обмотка I с конденсатором С4 образуют резонансный контур, настроенный на частоту 300 кГц. При правильной фазировке обмоток трансформатора возникает положительная ОС.

Кварцевые диссипативные преобразователи механической энергии нашли весьма широкое применение. С их помощью измеряют реологические свойства крови человека при диагностике заболеваний [6], вязкоупругие свойства полимеров, определяют температуру фазовых переходов в жидких кристаллах и другие важные параметры.

Отметим, что метод исследования вязкоупругих покрытий кварцевых пластин был разработан нами раньше зарубежных ученых. Они используют для этих целей пьезоэлемент среза AT, который менее информативен, чем ДТ.

В журнале "Радио" [7] была помещена фотография экспоната с всесоюзной радиовыставки, применяемого для индикации наличия воды в авиационном топливе (авторы В. Е. Савченко и Н. И. Лобацевич, г. Иваново). Известно, что находящаяся в топливе растворенная вода (тысячные доли процента) с понижением температуры замерзает и, выпадая в осадок, способна забивать топливные фильтры, что может явиться причиной аварии летательного аппарата. Этот прибор успешно применялся на аэродромах. В нем реализовано изобретение [8], положившее начало использования вакуумированных кварцевых резонаторов в диссипативных преобразователях электрической энергии для контроля параметров рассеяния диэлектриков. Такие приборы получили название кварцевых диэлькометров.

Из рассмотрения эквивалентной схемы замещения кварцевого резонатора в [1] можно видеть, что при возбуждении на частоте последовательного резонанса его динамические индуктивность и емкость взаимно компенсируются. Если последовательно с резонатором включить емкостный датчик СД, происходят расстройка резонатора относительно резонансной частоты и увеличение динамического сопротивления из-за неполной компенсации индуктивного сопротивления емкостным. Полной компенсации препятствует межэлектродная емкость Co резонатора.

Значение активного сопротивления R цепи резонатор-емкостный датчик можно рассчитать по формуле

При наличии в емкостном датчике диэлектрических потерь, определяемых сопротивлением Rд, к сопротивлению R следует прибавить активное сопротивление датчика Ra.д, связанное с диссипацией энергии электрического поля в контролируемой среде, где находится датчик:

Частичная компенсация емкостного сопротивления датчика индуктивным сопротивлением резонатора и дает возможность измерять очень незначительные активные потери в диэлектриках.

Известные приборы с колебательными контурами, содержащими катушку и конденсатор, не могут надежно контролировать малые диэлектрические потери. Так, измеритель добротности Е4-7 на частоте 50 кГц может измерять активное сопротивление не более 100 МОм и с погрешностью ±5 %.

Определение активного сопротивления с помощью диссипативного преобразователя не требует ручной настройки на резонанс. Измерительный мост автоматически самобалансируется подобно тому, как описано выше (рис. 3). Он может легко контролировать активное сопротивление до 10 ГОм с погрешностью не более ±1 % при емкости датчика 4 пФ на частоте 50 кГц. С датчиком емкостью 1 пФ возможно будет измерять сопротивление потерь более 100 ГОм. Таким образом, описываемый преобразователь существенно расширяет возможности исследования новых материалов с малыми потерями.

На его базе созданы и приняты Государственной комиссией кварцевые влагомеры ВК-2, используемые в текстильном производстве для контроля и регулирования влажности движущихся текстильных материалов и полуфабрикатов. В отличие от зарубежных приборов аналогичного назначения фирмы Mahlo влагомер ВК-2 с высокой точностью контролирует влажность материалов из синтетических волокон, отличающихся малыми влагопоглощением и диэлектрическими потерями.

В приборе ВК-2 нет ролика со щеточным контактом, катящегося по ткани. Он заменен воздушным конденсатором емкостью примерно 150 пФ, образованным неподвижным цилиндром, соединенным с прибором, и цилиндром, катящимся по контролируемому материалу. Между цилиндрами имеется воздушный зазор около 0,5 мм. Проведенная в последнее время модернизация влагомера с переходом на новую элементную базу позволила улучшить его характеристики. Новый прибор ИВК-4 упрощает методику эксплуатации.

Разработан переносный прибор для контроля влажности сыпучих материалов, например, зерна, семян огурцов, помидоров и др. Он контролирует влажность таких объектов в пределах 2...30 %. Абсолютная погрешность не превышает ±1 % при влажности до 15 % и ±1,5 % - при 15 % и более. Использование в диссипативном преобразователе индуктивного датчика позволило создать дефектоскоп для обнаружения скрытых дефектов в углепластиках, применяемых на важных промышленных объектах.

Важные результаты были получены при исследовании с помощью преобразователя активного сопротивления льда, подтвердившие возможность регистрации не только воды в жидком топливе, но и льда при температуре до -50 °С.

Văn chương

1. Белых А. Кварцевые фильтры для трансферов. - Радио, 2002, № 7, с. 64-67.
2. Савченко В. Энергетический метод из-мерения неэлектрических величин с помощью кварцевых резонаторов. - Инженерно-физический журнал, 1997, № 1, с. 163-167.
3. Савченко В. Е., Грибовв Л. К. Датчик влажности газов. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 1003003. - Бюллетень "Открытия, изобретения, 1983, №9.
4. Савченко В. Кварцевые датчики влажности газов. - Радио, 1975, № 11, с. 26, 27.
5. Грибова Л. К., Савченко В. Е. Способ изготовления пьезокварцевого датчика влажности газов. Патент РФ № 2035731. - Бюллетень "Открытия, изобретения,...", 1995, № 14
6. Савченко В. Е. и др. Датчик контроля реологических свойств крови. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 1399686. - Бюллетень "Открытия, изобретения,...", 1988, № 20.
7. Лысиков А. Радиолюбительский вклад в народное хозяйство. - Радио, 1987, №11, с. 47, 48.
8. Савченко В. Е. Устройство для измерения параметров диэлектриков. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 321770. - Бюллетень "Открытия, изобретения,...", 1971, № 35.
9. Савченко В. Е. Параметрический преобразователь малых влагосодержаний диэлектриков в электрический сигнал. Патент РФ № 1049816. - Бюллетень "Открытия, изобретения,...", 1983, № 39

Автор: В.Савченко, Л.Грибова, г.Иваново

Xem các bài viết khác razdela Đài thiết kế nghiệp dư.

Đọc và viết hữu ích bình luận về bài viết này.

<< Quay lại

Tin tức khoa học công nghệ, điện tử mới nhất:

Một cách mới để kiểm soát và điều khiển tín hiệu quang 05.05.2024

Thế giới khoa học và công nghệ hiện đại đang phát triển nhanh chóng, hàng ngày các phương pháp và công nghệ mới xuất hiện mở ra những triển vọng mới cho chúng ta trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một trong những đổi mới như vậy là sự phát triển của các nhà khoa học Đức về một phương pháp mới để điều khiển tín hiệu quang học, phương pháp này có thể dẫn đến tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực quang tử học. Nghiên cứu gần đây đã cho phép các nhà khoa học Đức tạo ra một tấm sóng có thể điều chỉnh được bên trong ống dẫn sóng silica nung chảy. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng lớp tinh thể lỏng, cho phép người ta thay đổi hiệu quả sự phân cực của ánh sáng truyền qua ống dẫn sóng. Bước đột phá công nghệ này mở ra triển vọng mới cho việc phát triển các thiết bị quang tử nhỏ gọn và hiệu quả có khả năng xử lý khối lượng dữ liệu lớn. Việc điều khiển phân cực quang điện được cung cấp bởi phương pháp mới có thể cung cấp cơ sở cho một loại thiết bị quang tử tích hợp mới. Điều này mở ra những cơ hội lớn cho ... >>

Bàn phím Primium Seneca 05.05.2024

Bàn phím là một phần không thể thiếu trong công việc máy tính hàng ngày của chúng ta. Tuy nhiên, một trong những vấn đề chính mà người dùng gặp phải là tiếng ồn, đặc biệt là ở các dòng máy cao cấp. Nhưng với bàn phím Seneca mới của Norbauer & Co, điều đó có thể thay đổi. Seneca không chỉ là một bàn phím, nó là kết quả của 5 năm phát triển để tạo ra một thiết bị lý tưởng. Mọi khía cạnh của bàn phím này, từ đặc tính âm thanh đến đặc tính cơ học, đều được xem xét và cân bằng cẩn thận. Một trong những tính năng chính của Seneca là bộ ổn định im lặng, giúp giải quyết vấn đề tiếng ồn thường gặp ở nhiều bàn phím. Ngoài ra, bàn phím còn hỗ trợ nhiều độ rộng phím khác nhau, thuận tiện cho mọi người dùng. Mặc dù Seneca vẫn chưa có sẵn để mua nhưng nó được lên kế hoạch phát hành vào cuối mùa hè. Seneca của Norbauer & Co đại diện cho các tiêu chuẩn mới trong thiết kế bàn phím. Cô ấy ... >>

Khai trương đài quan sát thiên văn cao nhất thế giới 04.05.2024

Khám phá không gian và những bí ẩn của nó là nhiệm vụ thu hút sự chú ý của các nhà thiên văn học từ khắp nơi trên thế giới. Trong bầu không khí trong lành của vùng núi cao, cách xa ô nhiễm ánh sáng thành phố, các ngôi sao và hành tinh tiết lộ bí mật của chúng một cách rõ ràng hơn. Một trang mới đang mở ra trong lịch sử thiên văn học với việc khai trương đài quan sát thiên văn cao nhất thế giới - Đài thiên văn Atacama của Đại học Tokyo. Đài quan sát Atacama nằm ở độ cao 5640 mét so với mực nước biển mở ra cơ hội mới cho các nhà thiên văn học trong việc nghiên cứu không gian. Địa điểm này đã trở thành vị trí cao nhất cho kính viễn vọng trên mặt đất, cung cấp cho các nhà nghiên cứu một công cụ độc đáo để nghiên cứu sóng hồng ngoại trong Vũ trụ. Mặc dù vị trí ở độ cao mang lại bầu trời trong xanh hơn và ít bị nhiễu từ khí quyển hơn, việc xây dựng đài quan sát trên núi cao đặt ra những khó khăn và thách thức to lớn. Tuy nhiên, bất chấp những khó khăn, đài quan sát mới mở ra triển vọng nghiên cứu rộng lớn cho các nhà thiên văn học. ... >>

Tin tức ngẫu nhiên từ Kho lưu trữ Nhà máy làm sạch không khí khỏi chất gây ung thư 23.06.2020 Các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington đã tạo ra một loại cây trồng biến đổi gen có khả năng hấp thụ các phân tử chloroform và benzen từ không khí, sử dụng chúng để hỗ trợ sự phát triển của chính nó. Các nhà khoa học đã biến scindapsus hay còn gọi là "cây thường xuân của quỷ" thành một bộ lọc sinh học có thể chống lại các hạt nhỏ nhất mà thiết bị lọc không khí truyền thống không bắt được. Khả năng độc đáo của cây là do nó đã được bổ sung một gen chịu trách nhiệm hình thành protein cytochre P450 2E1, thường được sản xuất bởi gan của động vật có vú để trung hòa chất độc. Với sự trợ giúp của nó, cơ thể chuyển hóa benzen thành phenol, và chloroform thành carbon dioxide và các ion clorua. Các chất gây ung thư có hại tích tụ trong nhà và có thể gây ung thư. Tuy nhiên, scindapsus đã được sửa đổi không chỉ vô hiệu hóa chúng mà còn sử dụng chúng để tăng trưởng. Thực vật ăn carbon dioxide và các ion clorua, và tạo thành các thành phần của thành tế bào từ phenol. Trong quá trình thử nghiệm, các mẫu cây thường xuân thông thường và cây thường xuân GM đã được niêm phong trong 11 ngày trong các ống nghiệm có chất gây ô nhiễm. Trong ống nghiệm có hình chóp thông thường, nồng độ của các khí không thay đổi theo thời gian. Tuy nhiên, các cây được biến đổi đã giảm 82% nồng độ chloroform chỉ trong ba ngày và gần như hấp thụ hoàn toàn vào ngày thứ sáu. Tuy chậm hơn một chút, nhưng hàm lượng benzen cũng giảm: 75% vào ngày thứ tám. Mặc dù hiệu suất tuyệt vời, nhưng quá trình lọc là thụ động, vì vậy cần có sự lưu thông không khí để làm sạch hiệu quả. Nếu cây chỉ đứng trong góc phòng, chắc chắn nó sẽ làm sạch khu vực xung quanh, nhưng nếu không có dòng chảy định hướng, sẽ mất nhiều thời gian để các hạt có hại từ phía bên kia phòng bám vào lá. Vì vậy, để lọc nhanh, cần đặt cây kim sa dưới quạt gió để dẫn không khí qua lá. Các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu các phương pháp chống lại các khí độc hại khác. Một nhóm nghiên cứu của Đại học Rutgers đã tạo ra một chất xúc tác điện có thể biến CO2 thành nhựa, vải và nhựa.

Tin tức thú vị khác:

▪ Ổ cứng di động 2,5 "3TB Toshiba

▪ Hệ thống chip đơn Qualcomm Snapdragon 855 Plus

▪ Dầu diesel từ xăng

▪ Lợi ích từ nhựa phân hủy sinh học được đặt câu hỏi

▪ Trái tim già được trẻ hóa bằng tế bào gốc

Nguồn cấp tin tức khoa học và công nghệ, điện tử mới

Tài liệu thú vị của Thư viện kỹ thuật miễn phí:

▪ phần của trang web Ứng dụng vi mạch. Lựa chọn các bài viết

▪ bài viết của Ernst Haeckel. câu cách ngôn nổi tiếng

▪ bài viết Thuyết lượng tử là gì? đáp án chi tiết

▪ bài báo bảo dưỡng ô tô. Hướng dẫn tiêu chuẩn về bảo hộ lao động

▪ bài viết Hệ thống bảo mật MICROALARM. Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện

▪ bài báo Bộ điều chỉnh tải chủ động với ổn định dòng điện, 8-28 vôn 0,2-3 ampe. Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện

Để lại bình luận của bạn về bài viết này:

Tất cả các ngôn ngữ của trang này

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Trang chủ | Thư viện | bài viết | Sơ đồ trang web | Đánh giá trang web

www.diagram.com.ua
2000-2024