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 Стресс может влиять на пол ребенка 30.09.2024 Ранее считалось, что пол ребенка определяется исключительно генетическими факторами, заложенными в ДНК родителей. Однако недавнее исследование международной группы ученых показало, что сильный стресс, который испытывает будущая мать, может оказывать влияние на пол ребенка. Это открытие меняет представление о том, как внешние факторы могут влиять на внутриутробное развитие. Исследователи проанализировали данные 187 здоровых беременных женщин в возрасте от 18 до 45 лет. Они изучили 27 показателей, отражающих психосоциальное и физическое состояние матерей, а также их повседневную активность. Информация собиралась с помощью анкет, дневников и ежедневных замеров состояния здоровья. Ключевыми факторами для анализа стали показатели стресса - как субъективные ощущения матерей, так и объективные данные о физическом состоянии. Результаты исследования показали, что около 17% женщин находились в состоянии психологического стресса, проявляющегося в виде депрессии, тревоги и нервного напряжения. Еще 16% женщин испытывали физический стресс, характеризующийся повышенным артериальным давлением и увеличенным потреблением калорий. Остальные 67% участников исследования не имели выраженных признаков стресса. Наиболее важное открытие ученых заключается в том, что стресс во время беременности может изменять соотношение полов новорожденных. В нормальных условиях на каждые 100 девочек рождается около 105 мальчиков. Однако в группах женщин, испытывающих физический или психологический стресс, наблюдалось изменение этой пропорции. В частности, у женщин, находившихся под воздействием стресса, чаще рождались девочки. Соотношение мальчиков и девочек в этих группах составило 4:9 и 2:3 соответственно. Кроме того, исследователи выявили, что стресс оказывает влияние не только на пол ребенка, но и на другие аспекты беременности. Так, у матерей, испытывавших физический стресс, наблюдалось повышенное артериальное давление и увеличенное потребление калорий, что увеличивало риск преждевременных родов. Психологический стресс также был связан с осложнениями во время родов, и такие матери были более склонны к трудностям в процессе рождения ребенка. Эти выводы подчеркивают важность эмоционального и физического благополучия женщин во время беременности. Влияние стресса на развитие плода, в том числе на пол будущего ребенка, требует дальнейших исследований, но уже сейчас ясно, что управление стрессом может стать важным фактором в обеспечении здорового течения беременности.

Другие интересные новости:

▪ Водяной крокет

▪ Добыча полезных ресурсов на Луне

▪ Изобретен способ против запотевания очков

▪ Перспективы альтермагнетизма для сверхбыстрой электроники

▪ 5-ти канальный регулятор питания Infineon IRPS5401

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Домашняя мастерская. Подборка статей

▪ статья Телескоп. История изобретения и производства

▪ статья Какой священник отрезал себе бороду из страха нарушить символ государственной власти? Подробный ответ

▪ статья Одобрит даже Ихтиандр. Личный транспорт

▪ статья Маломощные усилители с электронным управлением. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Эквивалент нагрузки для проверки источников питания. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026