Бесконтактный емкостный датчик с кварцевым резонатором. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Измерительная техника

 Комментарии к статье

Для бесконтактных емкостных датчиков, применяемых в устройствах охранной сигнализации для контроля приближения объекта к охраняемой зоне, часто используют генераторы прямоугольных импульсов на операционных усилителях, собранные по классической схеме [1]. Из недостатков таких генераторов следует отметить, в первую очередь, низкую стабильность частоты автогенератора, задаваемой RC-цепью, что приводит к ненадежности работы устройства.

Попытки увеличить чувствительность прибора, как отмечено в указанной статье, вызывают появление помех ("вспышек") или ложных срабатываний от сетевых наводок, что служит причиной периодических ложных срабатываний без приближения к датчику предметов или, наоборот, несрабатыванию при приближении к датчику какого-либо объекта.

Исключить эти недостатки можно, если включить последовательно с емкостным датчиком кварцевый резонатор, который, возбуждаясь на частоте последовательного резонанса, компенсирует реактивную составляющую комплексного сопротивления емкостного датчика, облегчая преобразование в активное сопротивление изменений электрической емкости датчика [2] Подобное устройство получило название кварцевого диэлькометра.

Рис. 1

В описываемом ниже датчике приближения, собранном по схеме на рис. 1, последовательно с емкостным датчиком Сд включен серийно выпускаемый вакуумированный кварцевый резонатор ZQ1 последовательного резонанса на частоту fpe3 = 300 кГц. Резонатор имеет следующие эквивалентные электрические параметры: индуктивность - 21,7 Гн; емкость - 0,013 пФ; сопротивление - 90 Ом; межэлектродная емкость - 6,5 пФ; добротность - около 455000.

Следует отметить, что большинство автогенераторов работают на частоте, не совпадающей с частотой последовательного резонанса кварцевого резонатора. Например, известная емкостная трехточка возбуждается на более высокой частоте. Это приводит к тому, что добротность резонатора уменьшается, снижая стабильность частоты автогенератора Наиболее близкую к резонансной частоте последовательного резонанса обеспечивает мостовой автогенератор, имеющий поэтому максимальную стабильность частоты.

С целью повышения чувствительности и стабильности работы бесконтактного емкостного измерителя приближения, подробно описанного в [1], целесообразно использовать кварцевый ди-элькометр.

Для экспериментов был изготовлен из фольгированного гетинакса чувствительный элемент (датчик) диаметром 60 мм, аналогичный примененному в упомянутом в [1] устройстве. Емкость датчика в свободном пространстве (без близко расположенных предметов), измеренная высокочастотным прибором Е7-9, оказалась равной 2,51 пФ. При таком датчике и указанном выше кварцевом резонаторе эквивалентное электрическое сопротивление последовательной цепи резонатор-датчик равно 1160 Ом.

При приближении к датчику какого-либо предмета - руки, например, емкость датчика увеличивается, а эквивалентное активное сопротивление цепи уменьшается. Если емкость увеличить на 1 пФ, то эквивалентное электрическое сопротивление станет равным 732 Ома, т. е. уменьшится на 428 Ом.

Таким образом, чувствительность диэлькометра к изменению емкости датчика равна 428 Ом/пФ.

В качестве вторичного преобразователя в измерителе использован мостовой автогенератор на одном транзисторе, питающийся от гальванического элемента напряжением 1,5 В.

Устройство состоит из измерительного моста, усилителя напряжения на транзисторе VT1, детектора на диодах VD1, VD2 и индикатора приближения, которым служит микроамперметр РА1. Два плеча измерительного моста представлены половинами обмотки L1 высокочастотного трансформатора Третье плечо - измерительное - состоит из кварцевого резонатора ZQ1 и емкостного датчика СД1 а четвертое - образцовое - из резисторов R1 и R2.

Выходное напряжение измерительного моста через конденсатор С1 подведено к базе усилительного транзистора VT1. Обмотка L2 вместе с конденсатором C3 образуют параллельный колебательный контур, который нужно настроить на частоту последовательного резонанса кварцевого резонатора 300 кГц подборкой конденсатора C3 На этой частоте контур имеет максимальное сопротивление, обеспечивая максимальный коэффициент усиления транзистора VT1 и благоприятствуя возбуждению колебаний на основной частоте кварцевого резонатора.

Усиленное выходное напряжение поступает на вход измерительного моста как сигнал ОС создавая условия для возбуждения автоколебаний на частоте последовательного резонанса, и на вход детектора выполненного на диодах VD1 и VD2 по схеме удвоения Продетектированное напряжение вызывает отклонение стрелки микроамперметра РА1.

В исходном состоянии (когда в зоне чувствительности датчика нет предметов) автоколебания отсутствуют и на выходе детектора напряжения нет так как сопротивление измерительного плеча моста больше сопротивления образцового, что устанавливают подстроечным резистором R2. При равенстве активного сопротивления измерительного и образцового плеч моста автоколебания также отсутствуют.

Приближение объекта к емкостному датчику вызывает увеличение его емкости, а значит, уменьшение эквивалентного сопротивления. Когда сопротивление измерительного плеча моста станет меньше, чем образцового, возникнут автоколебания, что и будет отмечено микроамперметром. Подстроечным резистором R2 регулируют чувствительность устройства, или, говоря иначе, устанавливают расстояние до приближаемого объекта, вызывающего появление автоколебаний.

Устройство может надежно фиксировать приближение к датчику руки на расстояние 10 см (стрелка микроамперметра отклоняется на 10 делений). Чувствительность устройства может быть повышена увеличением размеров датчика, напряжения питания, коэффициента трансформации высокочастотного трансформатора, а также уменьшением сопротивления резисторов R3 и R4.

В качестве индикатора применен микроамперметр М283К с максимальным током отклонения стрелки 100 мкА (100 делений) В опытах чувствительность устанавливали такой, что при изменении емкости датчика на 1 пФ стрелка микроамперметра отклонялась на всю шкалу, что соответствует изменению эквивалентного активного сопротивления цепи резонатор-датчик от 1160 до 732 Ом, т. е. на 428 Ом (шкала линейная) Следовательно, одно деление шкалы микроамперметра М283К соответствовало изменению сопротивления на 4,3 Ом и емкости на 0,01 пФ.

Чувствительность устройства может быть увеличена до 0,001 пф на одно деление микроамперметра. При этом исключены сетевые наводки.

Рис. 2

При напряжении питания 1 5 В потребляемый ток равен 0,5 мА. Транзистор КТ315Б можно заменить на КТ368Б или КТ342Б Высокочастотный трансформатор намотан на кольце типоразмера К 10x6x2 из феррита М3000НМ. Для повышения добротности колебательного контура L2C3 в кольце прорезан зазор шириной 0,9...1,1 мм, как показано на рис. 2, с помощью абразивного диска, применяемого в зубоврачебной практике. Зазор существенно облегчает намотку катушек трансформатора Обмотка L1 содержит 50 витков с отводом от середины, a L2 - 75 витков. Обе они выполнены внавал проводом ПЭЛШО диаметром 0,15 мм

Конденсаторы - керамические серии КМ. Конденсатор C3 подбирают в пределах 750...900 пф для обеспечения резонансной частоты 300 кГц.

Литература:

1. Москвин А. Бесконтактные емкостные датчики. - Радио, 2002, № 10. с. 38, 39.
2. Савченко В., Грибова Л. Кварцевый резонатор преобразует неэлектрические величины в электрические. - Радио, 2004, № 2, с. 34-36.

Автор: В. Савченко, Л. Грибова, г. Иваново; Публикация: radioradar.net

Смотрите другие статьи раздела Измерительная техника.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Видеокарта ASUS GeForce GTX 780 DirectCU II OC 16.06.2013 На прошедшей в Тайбэе международной выставке Computex 2013 компания ASUSTeK Computer впервые показала видеокарту ASUS GeForce GTX 780 DirectCU II OC на базе созданного по 28-нм проектным нормам чипа GK110 с 2304 ядрами CUDA и архитектурой Kepler. А теперь в Сеть попала более подробная информацию о технических характеристиках этой оригинальной по исполнению и фабрично разогнанной модели. Новинка изготовлена на печатной плате альтернативного дизайна под шину PCI Express 3.0 x16. Для повышения разгонного потенциала разработчики оснастили свой продукт мощной подсистемой питания DIGI+ VRM, а также применили при производстве концепцию ASUS Super Alloy Power, отдав предпочтение только качественным и надёжным компонентам. Обеспечением оптимального температурного режима занимается усовершенствованная фирменная система активного воздушного охлаждения DirectCU II, прикрытая сверху чёрной крышкой с красными акцентами. Этот двухслотовый кулер конструктивно состоит из массивного алюминиевого радиатора, нескольких медных тепловых трубок толщиной 8 мм и 10 мм, вступающих в прямой контакт с поверхностью GPU, а также двух вентиляторов, один из которых с технологией CoolTech для создания большего воздушного потока. На обратной стороне PCB закреплена дополнительная теплоотводящая пластина. Объём имеющейся на борту памяти GDDR5 с 384-битным интерфейсом и частотой 6008 МГц равен 3072 Мбайт. Базовая частота графического ядра установлена на отметке 889 МГц и силами технологии NVIDIA GPU Boost 2.0 может динамически повышаться до 941 МГц. Ускоритель совместим с DirectX 11.1 и поддерживает технологии NVIDIA FXAA, NVIDIA TXAA, NVIDIA Adaptive VSync, NVIDIA CUDA, NVIDIA PhysX, NVIDIA SLI, NVIDIA 3D Vision Surround. На задней панели расположены два разъёма DVI, порт HDMI и выход DisplayPort.

Другие интересные новости:

▪ Захватывающие фильмы отключают мозг

▪ 64-разрядные процессорные ядра MIPS Warrior I6400

▪ Астронавтов отправят на пойманные астероиды

▪ Изгнутые сенсорные панели Panasonic для автомобилей

▪ Электрический школьный автобус

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электрику. Подборка статей

▪ статья Персты в язвы вложить. Крылатое выражение

▪ статья Почему Нобелевская премия не вручается за достижения в математике? Подробный ответ

▪ статья Гидромобиль. Личный транспорт

▪ статья Автономное охранное устройство. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Шарик в лунке. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026