Кварцевый резонатор преобразует неэлектрические величины в электрические. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

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.

Литература

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

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Не вся растительная пища полезна для психики 10.09.2026

Растительная пища традиционно считается одной из основ здорового рациона, поэтому специалисты по питанию обычно рекомендуют чаще включать в меню овощи, фрукты, цельнозерновые продукты и другие продукты растительного происхождения. Однако важна не только принадлежность пищи к растительной категории, но и способ ее обработки, количество сахара и другие характеристики рациона. Исследование иранских ученых показывает, что разные варианты растительного питания могут по-разному отражаться на психологическом состоянии человека. К такому выводу пришли исследователи из Исфаханского университета медицинских наук. Они изучали взаимосвязь между характером питания и эмоциональным состоянием взрослых людей, уделяя особое внимание симптомам депрессии и тревожности. Результаты работы были опубликованы в научном журнале PLOS One. При этом специалисты не утверждали, что отдельные продукты непосредственно вызывают депрессию: речь шла о статистической связи между определенными пищевыми привычками и сос ...>>

Подвесной робот Stringman для уборки комнаты 10.09.2026

Домашняя робототехника в основном развивается вокруг двух привычных направлений: роботов-пылесосов и многофункциональных гуманоидных машин. Но далеко не все задачи требуют колесной платформы или сложного человекоподобного механизма. Инженер Натаниэль Нифонг (Nathaniel Nifong), основатель стартапа Newfangled, предложил необычную альтернативу - подвесного робота Stringman, способного перемещаться над полом и самостоятельно собирать разбросанные предметы. Вместо того чтобы передвигаться по поверхности помещения, Stringman использует принцип, знакомый по тросовым системам камер Spidercam, применяемым на стадионах. В четырех верхних углах комнаты устанавливаются натяжные блоки, от которых к центральному рабочему модулю идут тонкие, но прочные тросы. Изменяя их натяжение, система может перемещать манипулятор практически в любую точку обслуживаемого пространства. Такое решение позволяет обойти некоторые ограничения традиционных роботов на колесах. Подвесной механизм не сталкивается с пр ...>>

Микрогравитация не ослабляет сердечные клетки 09.09.2026

Продолжительное пребывание в космосе подвергает человеческий организм воздействию условий, с которыми он никогда не сталкивается на Земле. Микрогравитация изменяет распределение жидкостей, способствует потере костной и мышечной массы, а космическое излучение способно повреждать ДНК. Особое значение для будущих длительных экспедиций имеет состояние сердечно-сосудистой системы. Новый эксперимент с мышами на борту Международной космической станции показал, что клетки сердечной мышцы могут сохранять силу сокращения даже после нескольких недель пребывания в микрогравитации. Исследователи давно наблюдают за тем, каким образом отсутствие привычной земной гравитационной нагрузки отражается на организме. В космосе жидкости перераспределяются в сторону верхней части тела, позвоночник немного растягивается, из-за чего рост временно увеличивается, а скелетные мышцы постепенно теряют массу и силу. Однако сердечная мышца работает в несколько иных условиях, поэтому специалисты Чикагского университ ...>>

Случайная новость из Архива Контроль ионного потока через нанопоры 27.08.2024 В последние годы все больше внимания уделяется развитию технологий получения энергии из альтернативных источников, которые могут заменить традиционные углеводородные топлива. Одним из таких перспективных направлений является так называемая "голубая энергия" - методика, основанная на преобразовании энергии, возникающей при движении ионов между областями с разной концентрацией солей. Исследование, проведенное учеными из Университета Осаки, продемонстрировало новый способ повышения эффективности этой технологии за счет контроля ионного потока через нанопористые мембраны с использованием регулируемого напряжения на затворном электроде. Идея использования нанопористых мембран в системе получения "голубой энергии" заключается в том, что такие мембраны позволяют селективно пропускать ионы, благодаря чему создается электрический ток. Важным аспектом для достижения высокой эффективности этой технологии является способность управлять движением ионов через мембрану. Именно этот вопрос стал центральной темой исследования под руководством ученого Макуса Цуцуи. Ученые Университета Осаки выяснили, что изменение напряжения на затворном электроде позволяет контролировать движение катионов (положительно заряженных ионов) через нанопористую мембрану. Этот процесс по своему принципу напоминает работу транзисторов, используемых в полупроводниковых схемах, где напряжение на затворе управляет током через канал. В данном случае управление напряжением позволяет значительно увеличить эффективность осмотической энергии, которая используется для преобразования солевого градиента в электрическую энергию. Проведенные эксперименты показали, что введение контролируемого напряжения на электроде может повысить энергетическую эффективность в шесть раз, что является значительным достижением. Более того, плотность мощности в таких системах может достигать 15 Вт/м2, что открывает новые перспективы для практического применения технологии в промышленности и быту. Применение данной технологии может существенно ускорить развитие осмотических генераторов энергии, что особенно важно в условиях увеличивающегося спроса на экологически чистые источники энергии. Преобразование энергии из солевых растворов при помощи нанопористых мембран с управляемым ионным потоком способно стать ключевым элементом в обеспечении устойчивого энергоснабжения будущего. Результаты исследования ученых из Университета Осаки демонстрируют, как применение напряжения на затворном электроде может значительно повысить эффективность технологий получения "голубой энергии". Это открывает широкие возможности для внедрения осмотических генераторов в повседневную жизнь, способствуя созданию более устойчивого и экологически чистого будущего.

Другие интересные новости:

▪ Ультратонкий компьютер-на-кости

▪ По руке можно кое-что предсказать

▪ Полноприводный электромобиль Tesla с функциями автопилота

▪ Автобусные остановки с солнечными батареями и кондиционерами

▪ Внешний жесткий диск WD Passport Pocket

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Основы первой медицинской помощи (ОПМП). Подборка статей

▪ статья Персты в язвы вложить. Крылатое выражение

▪ статья Как мы измеряем силу землетрясений? Подробный ответ

▪ статья Учитель-дефектолог. Должностная инструкция

▪ статья Детектор газа на датчике GH-312. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Шарик-проказник. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026