|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ Rezonator kwarcowy przetwarza wielkości nieelektryczne na elektryczne. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Projektant radioamatorów Rezonator kwarcowy służy nie tylko do stabilizacji częstotliwości i filtrowania sygnałów RF. Jako wysokiej jakości elektromechaniczny system oscylacyjny nadaje się do pomiaru parametrów nieelektrycznych w kontroli technologicznej produktów, półproduktów oraz w monitoringu środowiska. Kwarcowy rozpraszający przetwornik energii mechanicznej wykonany jest na bazie specjalistycznego rezonatora kwarcowego, w którym element piezoelektryczny pokryty jest substancją wrażliwą na mierzoną wielkość nieelektryczną. Wyjściowy sygnał elektryczny przetwornika podawany jest do urządzenia pomiarowego lub komputera. Przedmiotem kontroli mogą być media gazowe, ciekłe i stałe, w tym ciekłe kryształy i biopolimery, a mierzonymi wielkościami nieelektrycznymi mogą być wilgotność, temperatura, przewodność elektryczna, cieplna i świetlna, właściwości lepkosprężyste itp. Kiedy konwerter jest wystawiony na zmierzoną wielkość nieelektryczną, zmienia się równoważna rezystancja czynna rezonatora kwarcowego, która jest miarą rozpraszania (rozpraszania) oscylacji sprężystych kwarcu. Wiadomo, że rezonator jest elektromechanicznym układem oscylacyjnym zawierającym element piezoelektryczny, jego elektrody z przewodami i uchwyt. Element piezoelektryczny jest wycięty z naturalnego lub syntetycznego kryształu kwarcu. Oscylacje elektromechaniczne w rezonatorze występują z powodu efektów piezoelektrycznych do przodu i do tyłu właściwych kwarcowi. W głównym zastosowaniu rezonatora (stabilizacja i filtracja sygnałów) jego równoważna rezystancja elektryczna (czynna) Ra nazywana jest dynamiczną i traktowana jest jako całość [1]. W rzeczywistości można go podzielić na składowe: R0 to opór spowodowany utratą energii drgań w samym kwarcu; Re - w elektrodach; R i - straty spowodowane promieniowaniem ultradźwiękowym; Rc - dla drgań sprzężonych; Ra - straty w posiadaczu. W przypadku zastosowania rezonatora kwarcowego w przetwornicy energii konieczne było uzyskanie wzorów do obliczenia wszystkich składowych rezystancji Ra, w tym Rp, która odzwierciedla dodatkowe straty w czułej powłoce – jest ona nakładana na powierzchnię elementu piezoelektrycznego w celu uzyskania informacyjny sygnał wyjściowy proporcjonalny do wartości kontrolowanego parametru nieelektrycznego [2]. Wraz z tym konwerter musi mieć stałą rezystancję czynną przy zmianie parametrów nieinformacyjnych. Aby np. uzyskać niezależność Ra od temperatury, należy wykluczyć straty spowodowane oscylacjami sprzężonymi w rezonatorze, co osiąga się poprzez zmianę konstrukcji elektrod na elemencie piezoelektrycznym [3]. Obliczenia elementów według wzorów w [2] umożliwiły wybór rodzaju cięcia elementu piezoelektrycznego oraz określenie jego optymalnych wymiarów. Optymalne dla kwarcowego konwertera energii mechanicznej okazało się cięcie DT (yxl/-52 st.) z piezoelementem o wymiarach 14,5x6,1x0,25 mm; częstotliwość rezonansowa - 300 kHz, Ra = 236 Ohm (bez czułej powłoki). Wartość sygnału informacyjnego przetwornika (zmiana rezystancji czynnej) określa wzór
gdzie Kpr - współczynnik konwersji równy 5416,74 kΩ/kg; Δ i μ to grubość wrażliwej powłoki i jej lepkość (tarcie wewnętrzne). Wykorzystując jako czułą powłokę warstwę nylonu (polikaproamidu), którego tarcie wewnętrzne zależy od wilgotności powietrza, udało się stworzyć przetwornik-czujnik wilgotności, który stał się podstawą wilgotnościomierza [4]. Rezystancja dynamiczna przetwornika w suchym powietrzu (przy wilgotności względnej 20...30%) wynosi 1,2 kOhm, a w wilgotnym (90...95%) - 3,265 kOhm, co odpowiada czułości co najmniej 26 Om/%. Miernik wilgotności znalazł zastosowanie w gospodarstwie szklarniowym PGR Teplichny (Iwanowo), a także w falowodach miasta Iwanowo i regionalnych stacji telewizyjnych. Należy pamiętać, że zimą temperatura w falowodzie może spaść do -35...45, a latem może dochodzić do +45°C. Co ciekawe, w znanych miernikach wilgotności powietrza VOLNA jako czujnik zastosowano również rezonator kwarcowy z nylonową warstwą wrażliwą na wilgoć, ale wykorzystuje on zależność częstotliwości rezonansowej kwarcu od masy czułej powłoki. Trudno jest zrobić takie urządzenie małe (kieszonkowe), ponieważ musi zawierać dwa rezonatory kwarcowe i dwa samooscylatory. Mechanizm rozpraszania energii drgań sprężystych elementu piezoelektrycznego w rezonatorze jest znacznie bardziej skomplikowany, wiąże się z procesami relaksacji w czułej powłoce polimerowej i głębokością wnikania w nią fali sprężystej. Aby uzyskać optymalną wrażliwość na wilgoć, folia polimerowa nałożona na element piezoelektryczny musi mieć określony stosunek lepkości do elastyczności, co uzyskuje się przez dodanie sztywnego kleju fenolowo-polioctanowego (BF-2) do lepkiego nylonu. Należy zauważyć, że niektóre polimery, które mają znaczny przyrost masy w wilgotnym środowisku, mają niewielką zależność tarcia wewnętrznego od wilgotności i dlatego nie nadają się do czujnika wilgotności ze względu na swoją niską czułość. Konstrukcję przetwornika zastosowanego jako czujnik wilgotności powietrza przedstawiono schematycznie na rys. 1]. Na płytce piezokwarcowej 5 nacięcia DT o naturalnej częstotliwości oscylacji 1 kHz nanoszona jest powłoka przewodząca 300, do której przylutowane są przewody prądowe 2. Na elemencie piezoelektrycznym zaznaczono miejsca maksymalnych przemieszczeń B i odkształceń C. alkohol etylowy. Wrażliwa na wilgoć warstewka 3 na powierzchni płyty składa się z warstw polimerów o różnej wrażliwości na wilgoć i lepkosprężystości.
Technologia warstw jest prosta. Po nałożeniu pasków kleju płytkę suszy się w temperaturze 150°C przez 60 ± 10 min w celu spolimeryzowania kleju. Następnie zanurza się go w 30% roztworze kleju w alkoholu etylowym i odwirowuje w powietrzu z częstotliwością rotacji 2000 ... 2500 min "1 wokół osi przewodów przez 30 ... 40 s. Na tej cienkiej warstwie klej, suszony na powietrzu, nakłada się warstwę nylonu z 150% roztworu kwasu mrówkowego. Folie suszy się ponownie w temperaturze XNUMX ° C. W tym przypadku nie tylko polimeryzacja kleju i wzajemna dyfuzja powstawaniu filmów, ale także stabilizacji właściwości powłoki. Następnie nakłada się drugą cienką warstwę kleju, suszy na powietrzu i drugą warstwę nylonu z 3% roztworem kwasu mrówkowego. Płytkę ponownie poddaje się suszeniu na gorąco, po czym sprawdza się parametr wyjściowy przetwornika – jego rezystancję dynamiczną Rc w suchym powietrzu. Jeśli jest mały, nakłada się dodatkowe warstwy kleju i nylonu, aż Rc osiągnie wartość 1,2 ± 0,1 kOhm. Opisana technologia umożliwia uzyskanie powtarzalnych parametrów pracy czujników wilgotności. Charakteryzują się liniową charakterystyką konwersji, małą bezwładnością i błędem temperaturowym.
Na bazie tego czujnika powstał higrometr kieszonkowy (rys. 2), zdolny do kontrolowania wilgotności powietrza w zakresie 20…95% z dokładnością ±1%. Schemat obwodu jednostki pomiarowej przyrządu pokazano na ryc. 3.
Czujnik BQ1 jest zawarty w jednym z ramion pomiarowego mostka samobalansującego pracującego z częstotliwością 300 kHz, szeregowo z elementem kompensacyjnym zawierającym rezystor R1, kondensator C1 i warikap VD1. Rezystor trymera R5 służy do ustawienia trybu mostkowania, na przykład podczas wymiany konwertera. Wyjście mostka przez kondensator C2 jest podłączone do jego wejścia przez wzmacniacz oparty na tranzystorach VT1, VT2 i transformatorze fazowym T1. Pojemność warikapa VD1 (z serii KV102, KV104 lub podobnych) bez zasilania sterującego napięciem stałym jest maksymalna, a rezystancja czynna przy częstotliwości 300 kHz jest minimalna. Z tego powodu rezystancja czynna obwodu VD1R1 przy częstotliwości 300 kHz jest również minimalna. W rezultacie spełniony jest warunek samowzbudzenia wzmacniacza: rezystancja czynna ramienia pomiarowego mostka jest mniejsza niż rezystancja ramienia porównania, mostek jest niezrównoważony, jego napięcie wyjściowe jest maksymalne. Po wzmocnieniu prądu przez wtórnik emitera na tranzystorze VT3, wchodzi on na wejście detektora wykonanego zgodnie z obwodem podwajającym napięcie (diody VD4, VD5). Powstałe napięcie stałe podawane jest do przetwornika analogowo-cyfrowego z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym. Konwerter i wskaźnik są wykonane zgodnie ze standardowym schematem, dlatego na ryc. 3 nie są pokazane. Rezystor R17 reguluje granice kontrolowanej wilgotności. Przełącznik SB1 wybiera tryb „Praca” lub „Napięcie zasilania sterowania” (co jest obsługiwane przez rezystor R16). Tak więc, jednocześnie z otrzymaniem sygnału informacyjnego określonego przez zmianę rezystancji dynamicznej konwertera, która z kolei zależy od wilgotności, zapewnione jest automatyczne samobalansowanie mostka: napięcie o wysokiej częstotliwości z rezystora zmiennego R15 wynosi doprowadzony do detektora (diody VD2, VD3) i poprzez rezystor R6 do elementu kompensacyjnego (VD1R1C1). Stałe napięcie wyjściowe detektora steruje rezystancją czynną elementu kompensacyjnego, a zmiana pojemności warikapa VD1 realizuje automatyczne równoważenie mostka. Po włączeniu zasilania rezystancja czynna elementu kompensacyjnego jest minimalna, co zapewnia samowzbudzenie wzmacniacza z powodu asymetrii mostka. Wówczas stałe napięcie sterujące, w zależności od stopnia asymetrii, zmienia rezystancję elementu kompensacyjnego, zmniejszając rezystancję ramienia pomiarowego mostka i zbliżając ją do rezystancji ramienia porównania. Pełne wyważenie mostka nie występuje, ponieważ w tym przypadku samooscylacje nie są wzbudzane. Ale przy wzmocnieniu wzmacniacza Ku > 1000 asymetria mostka jest pomijalna (około 10 omów). Ten tryb pracy mostka pomiarowego zapewnia przetwornikowi wtórnemu dużą stabilność i niezbędną czułość, regulowaną rezystorem R15. Urządzenie zasilane jest baterią „Krona” (GB1), podłączoną do włącznika dźwigienkowego SA1. Prąd pobierany ze źródła wynosi 2...3 mA. Transformator jest wykonany na obwodzie magnetycznym o rozmiarze K12x5x5 z ferrytu M1000NM-A. Uzwojenia I i II zawierają odpowiednio 90 i 35 zwojów drutu PELSHO 0,01. Uzwojenie I z kondensatorem C4 tworzy obwód rezonansowy dostrojony do częstotliwości 300 kHz. Przy prawidłowym fazowaniu uzwojeń transformatora występuje dodatnie sprzężenie zwrotne. Kwarcowe rozpraszające przetworniki energii mechanicznej znalazły bardzo szerokie zastosowanie. Służą do pomiaru właściwości reologicznych krwi ludzkiej w diagnostyce chorób [6], właściwości lepkosprężystych polimerów, określania temperatury przemian fazowych w ciekłych kryształach i innych ważnych parametrów. Należy zauważyć, że metoda badania lepkosprężystych powłok płytek kwarcowych została opracowana przez nas wcześniej niż zagraniczni naukowcy. Używają w tym celu odcinającego elementu piezoelektrycznego AT, który jest mniej informacyjny niż DT. Czasopismo „Radio” [7] opublikowało zdjęcie eksponatu z ogólnounijnej wystawy radiowej służącej do wskazywania obecności wody w paliwie lotniczym (autorzy: V.E. Savchenko i N.I. Lobatsevich, Ivanovo). Wiadomo, że woda rozpuszczona w paliwie (tysięczne części procenta) zamarza wraz ze spadkiem temperatury i wytrącając się może zatykać filtry paliwa, co może być przyczyną wypadku lotniczego. To urządzenie jest z powodzeniem stosowane na lotniskach. Realizuje wynalazek [8], który zapoczątkował zastosowanie próżniowych rezonatorów kwarcowych w dyssypacyjnych przetwornikach energii elektrycznej do sterowania parametrami rozpraszania dielektryków. Takie urządzenia nazywane są dielkomometrami kwarcowymi. Z rozważenia zastępczego obwodu rezonatora kwarcowego w [1] widać, że przy wzbudzeniu częstotliwością rezonansu szeregowego jego indukcyjność dynamiczna i pojemność są wzajemnie kompensowane. Jeśli dioda czujnika pojemnościowego jest połączona szeregowo z rezonatorem, rezonator jest rozstrojony względem częstotliwości rezonansowej i rezystancja dynamiczna wzrasta z powodu niepełnej kompensacji rezystancji indukcyjnej przez rezystancję pojemnościową. Całkowitej kompensacji zapobiega pojemność międzyelektrodowa Co rezonatora. Wartość rezystancji czynnej R obwodu czujnika rezonatorowo-pojemnościowego można obliczyć ze wzoru
Jeżeli w czujniku pojemnościowym występują straty dielektryczne określone przez rezystancję Rd, to do rezystancji R należy dodać rezystancję czynną czujnika Ra.d, która jest związana z rozpraszaniem energii pola elektrycznego w kontrolowanym środowisku, w którym czujnik znajduje się:
Częściowa kompensacja rezystancji pojemnościowej czujnika rezystancją indukcyjną rezonatora umożliwia pomiar bardzo małych strat czynnych w dielektrykach. Znane urządzenia z obwodami oscylacyjnymi zawierającymi cewkę i kondensator nie mogą niezawodnie kontrolować małych strat dielektrycznych. Tak więc miernik Q E4-7 przy częstotliwości 50 kHz może mierzyć rezystancję czynną nie większą niż 100 MΩ i z błędem ± 5%. Wyznaczenie rezystancji czynnej za pomocą przetwornika dyssypacyjnego nie wymaga ręcznego strojenia na rezonans. Mostek pomiarowy sam się równoważy automatycznie w sposób opisany powyżej (rys. 3). Z łatwością kontroluje rezystancję czynną do 10 GΩ z błędem nie większym niż ±1% przy pojemności czujnika 4 pF przy częstotliwości 50 kHz. Za pomocą czujnika 1 pF możliwy będzie pomiar rezystancji strat większych niż 100 GΩ. Tym samym opisywany przetwornik znacznie rozszerza możliwości badania nowych materiałów przy niskich stratach. Na jego podstawie zostały stworzone i przyjęte przez Komisję Państwową wilgotnościomierze kwarcowe VK-2, które są wykorzystywane w produkcji tekstyliów do kontroli i regulacji wilgotności poruszających się materiałów tekstylnych i półproduktów. Wilgotnościomierz VK-2, w przeciwieństwie do zagranicznych przyrządów o podobnym przeznaczeniu firmy Mahlo, z dużą dokładnością kontroluje wilgotność materiałów wykonanych z włókien syntetycznych, które charakteryzują się niską absorpcją wilgoci i stratami dielektrycznymi. W urządzeniu VK-2 nie ma rolki ze stykiem szczotki toczącej się po tkaninie. Zastępuje go kondensator powietrzny o pojemności około 150 pF, utworzony przez nieruchomy cylinder podłączony do przyrządu i cylinder toczący się po badanym materiale. Pomiędzy cylindrami jest szczelina powietrzna około 0,5 mm. Niedawna modernizacja wilgotnościomierza wraz z przejściem na nową podstawę pierwiastkową umożliwiła poprawę jego właściwości. Nowe urządzenie IVK-4 upraszcza procedurę obsługi. Opracowano przenośne urządzenie do kontroli wilgotności materiałów sypkich, np. zboża, nasion ogórków, pomidorów itp. Kontroluje wilgotność takich obiektów w zakresie 2...30%. Błąd bezwzględny nie przekracza ±1% przy wilgotności do 15% i ±1,5% przy wilgotności 15% i więcej. Zastosowanie czujnika indukcyjnego w przetworniku dyssypacyjnym umożliwiło stworzenie defektoskopu do wykrywania ukrytych wad tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem węglowym stosowanych w ważnych obiektach przemysłowych. Istotne wyniki uzyskano w badaniach z użyciem lodowego przetwornika rezystancji czynnej, które potwierdziły możliwość rejestracji nie tylko wody w paliwie płynnym, ale również lodu w temperaturach do -50°C. literatura
Autor: W.Savchenko, L.Gribova, Ivanovo
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ 2,5-calowe dyski przenośne firmy Toshiba o pojemności 3 TB ▪ System jednoukładowy Qualcomm Snapdragon 855 Plus ▪ Skorzystaj z kwestionowanego tworzywa biodegradowalnego ▪ Stare serce odmłodzone komórkami macierzystymi
▪ sekcja strony Zastosowanie mikroukładów. Wybór artykułu ▪ artykuł Ernsta Haeckela. Słynne aforyzmy ▪ artykuł Czym jest teoria kwantowa? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł do konserwacji samochodu. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy ▪ artykuł System bezpieczeństwa MICROALARM. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony