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:

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Наушники Bowers & Wilkins Px8 S2 11.11.2025

Наушники премиум-класса становятся не только аксессуаром для прослушивания музыки, но и инструментом для профессиональной работы с аудио. Новый флагман британского бренда Bowers & Wilkins - модель Px8 S2 - демонстрирует, как эти аспекты можно объединить в одной беспроводной системе. Компания представила Px8 S2 как обновленную флагманскую модель в линейке, ориентированную на пользователей, которые ценят высокое качество звука, эффективное шумоподавление и премиальный дизайн. Производитель отмечает, что наушники сочетают передовые акустические решения с эргономикой для длительного использования. Каждое устройство оснащено 40-миллиметровыми динамиками с карбоновыми диффузорами и 24-битным цифровым процессором. По словам Bowers & Wilkins, это обеспечивает точное и детализированное воспроизведение звукового спектра, а также поддержку аудио высокого разрешения. Автоматическая оптимизация соединения с источником сигнала гарантирует стабильное и качественное звучание вне зависимо ...>>

Шимпанзе могут менять свои убеждения 10.11.2025

Понимание того, как формируются убеждения и принимаются решения, традиционно считалось уникальной способностью человека. Однако недавнее исследование показало, что шимпанзе обладают способностью пересматривать свои мнения на основе новых данных, демонстрируя уровень рациональности, который ранее считался исключительно человеческим. Психологи под руководством Ханны Шлейхауф из Утрехтского университета провели серию экспериментов, направленных на изучение метапознания у шимпанзе. Исследователи впервые наблюдали, как эти обезьяны могут взвешивать различные виды доказательств и корректировать свои решения при появлении более убедительной информации. Экспериментаторы рассматривали рациональность как способность формировать убеждение о мире на основе фактических данных. При поступлении новой информации разумное существо способно сравнивать старые и новые данные и изменять свое мнение, если новые доказательства оказываются более весомыми. Для экспериментов использовались шимпанзе из ...>>

Случайная новость из Архива Умные стекла экономят энергию и снижают выбросы CO2 03.06.2021 На здания приходится 35-40 % потребления первичной энергии и более 30% выбросов CO2. Поэтому столь ценны разнообразные технологии по снижению энергопотребления и сокращению выбросов. Замена неэффективных зон остекления зданий может стать перспективным направлением. Ученые из Университета Касселя (Германия) разработали "умные" стекла. Новое интеллектуальное остекление основано на миллионах микрозеркал, невидимых невооруженным глазом. Они отражают поступающий свет в соответствии с действиями пользователя, положением солнца, сезонной изменчивостью, обеспечивая индивидуальное управление освещением внутри здания. Массив микрозеркал неуязвим для ветра, мытья окон и любых погодных условий, потому что он расположен в пространстве между оконными стеклами, заполненными инертным газом, таким как аргон или криптон. Окна обеспечивают бесплатное солнечное тепло зимой и предотвращают перегрев летом. Также ноу-хау, по мнению специалистов, гарантирует естественный дневной свет, экономию энергии до 35%, сокращение выбросов CO2 до 30 % и 10 % снижение выбросов от использования стали и бетона в многоэтажных зданиях. Помимо проблемы с расходом энергии, искусственное освещение также имеет последствия для здоровья человека. Различные исследования связывают его с недостаточной концентрацией внимания, высокой восприимчивостью к болезням, нарушением биоритмов и бессонницей. "Умное" стекло может снизить зависимость от искусственного освещения и оптимизировать естественное дневное. Сегодня современные системы интеллектуального остекления оптимизированы либо для зимы, либо для лета, а также не в состоянии обеспечить энергосберегающие характеристики круглый год. Потребовалась интеллектуальная автоматическая технология, способная реагировать на местный климат (в любое время дня и время года), использовать имеющийся солнечный свет, регулировать свет и температуру, а также экономить значительные объемы энергии. Исследовательские микрометрические массивы MEMS интегрированы в изоляционное остекление и управляются электронной системой управления. Ориентация зеркал контролируется напряжением между соответствующими электродами. Датчики движения в помещении определяют количество, положение и движение пользователей в помещении.

Другие интересные новости:

▪ Беспроводной ультразвуковой детектор утечки газа от Texas Instruments

▪ Робот-водитель

▪ Домашние водородные батареи Lavo

▪ Открыт новый вид атомарно-тонкого углеродного материала

▪ Спирт вместо бензина

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Любителям путешествовать - советы туристу. Подборка статей

▪ статья По праву сильного. Крылатое выражение

▪ статья Сколько крокусов нужно собрать, чтобы получить килограмм шафрана? Подробный ответ

▪ статья Облицовщик деталей мебели, занятый прессованием в многоэтажных прессах. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Усилитель низкой частоты на микросхеме LA4550. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Электродвигатели и их коммутационные аппараты. Общие требования. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025