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:

Оптимальная продолжительность сна 15.07.2025

Вопрос о том, сколько нужно спать, чтобы чувствовать себя отдохнувшим, волнует миллионы людей по всему миру. Общепринятая рекомендация - восемь часов сна - давно стала стандартом, однако недавние исследования ставят под сомнение ее универсальность. Оказалось, что продолжительность здорового сна зависит не только от биологии, но и от культурных и социальных условий. Американские ученые провели масштабное исследование, охватившее около пяти тысяч человек из двадцати стран. Полученные данные выявили значительные различия в продолжительности сна в зависимости от места проживания. Например, в Японии средний человек спит всего около шести часов с небольшим, тогда как во Франции этот показатель приближается к восьми. Канадцы, в свою очередь, в среднем спят по семь с половиной часов. Один из руководителей исследования, профессор социальной и культурной психологии Стивен Хайне из Университета Британской Колумбии, подчеркивает, что универсального стандарта сна не существует. По его словам, ...>>

Компьтерная оценка состояния культурных растений 15.07.2025

Современное сельское хозяйство переживает технологическую революцию, и одной из ключевых задач становится точная диагностика состояния растений. Устойчивость к климатическим изменениям, экономное использование ресурсов и повышение урожайности требуют новых подходов. Исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме предложили инновационное решение, объединив возможности дронов и искусственного интеллекта. Традиционные методы дистанционного анализа в агросекторе сталкиваются с ограничениями: они не всегда способны точно определить комбинированный стресс у растений, возникающий, например, при одновременном дефиците влаги и азота. Чтобы преодолеть это, израильские ученые оснастили дроны сложной системой сенсоров - гиперспектральными, тепловыми и RGB-камерами. Эти камеры не просто фиксируют изображение, но и собирают обширные данные о состоянии листвы, позволяя "увидеть" скрытые признаки стресса, незаметные невооруженному глазу. Для обработки полученных изображений и сигналов был ...>>

Особенности восприятия старости 14.07.2025

Понятие старости зачастую оказывается субъективным и подвижным: то, что кажется "преклонным возрастом" в юности, в зрелости уже воспринимается иначе. Исследования показывают, что границы старения не столько определяются биологическим возрастом, сколько зависят от психологического восприятия и отношения к собственному телу и уму. Недавнее исследование, проведенное в США среди двух тысяч человек старше сорока лет, позволило ученым определить, в каком возрасте американцы начинают ощущать себя "старыми". Оказалось, что чувство старения в среднем наступает уже к 47 годам, а заметная обеспокоенность внешними возрастными изменениями - примерно к пятидесяти. Это тот момент, когда люди чаще начинают замечать морщины, снижение тонуса кожи и общую усталость. На фоне этих внешних изменений многие участники признались, что испытывают тревогу по поводу когнитивного спада. Более половины респондентов признались, что хотя бы раз в день забывают, что собирались сказать, а четверть - теряют мысль ...>>

Случайная новость из Архива Новый метод фотосинтеза поможет решить проблему с голодом 16.08.2017 Несмотря на противников ГМО-технологий и синтетической пищи, ученые уже создали мясо, которое буквально выращивается в пробирке. И оно уже вышло на рынок. А исследователи из Иллинойсского университета изменили фотосинтез в растениях с тем, чтобы повысить урожайность при меньшем количестве воды и удобрений. Пока что эксперименты идут с табаком, его рост удалось ускорить на 20%. На очереди - другие сельскохозяйственные культуры. Как отмечается, это поможет победить голод на планете. Модифицированные семена табака лучше перерабатывают солнечный свет и углекислый газ, что и дает на выходе больший урожай. Как отмечается, чтобы решить проблему голода на планете, к 2050 году во всем мире урожайность должна увеличиться на 50%. Финансирование проекта идут от Фонда Билла и Мелинды Гейтс, хотя пока не сообщается, когда модифицированные культуры выйдут на рынок.

Другие интересные новости:

▪ Смартфон и завтрак с антипиренами

▪ Напечатанные на 3D-принтере предметы меняют форму и цвет

▪ Запущена крупнейшая натрий-ионная батарея

▪ Чувствительная дорога

▪ 8-разрядные микроконтроллеры PIC12F635 и PIC12F636

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Истории из жизни радиолюбителей. Подборка статей

▪ статья Электронная лампа. История изобретения и производства

▪ статья Какой цветок носит одинаковое по смыслу название в большинстве европейских языков? Подробный ответ

▪ статья Экономист по материально-техническому снабжению. Должностная инструкция

▪ статья Современные высокоэффективные светодиоды. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Активный фильтр резонанса салона на полевом и биполярном транзисторе. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025