水晶振動子は非電気量を電気量に変換します。スキーム、説明

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水晶振動子は、非電気量を電気量に変換します。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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水晶共振器は、周波数の安定化と RF 信号のフィルタリングだけでなく、使用されます。高品質の電気機械振動システムであるため、製品、半製品の技術制御、および環境モニタリングにおける非電気パラメータの測定に適しています。

機械エネルギーの水晶散逸コンバータは、特殊な水晶共振器に基づいて作成され、圧電素子は測定された非電気量に敏感な物質でコーティングされています。トランスデューサの出力電気信号は、測定装置またはコンピュータに供給されます。制御の対象となるのは、液晶やバイオポリマーなどの気体、液体、固体媒体であり、測定される非電気量には、湿度、温度、電気、熱、光の伝導率、粘弾性特性などが含まれます。

コンバータが測定された非電気量にさらされると、水晶共振子の等価アクティブ抵抗が変化します。これは、水晶の弾性振動の散逸 (散乱) の尺度になります。共振器は、圧電素子、リード付きの電極、およびホルダーを含む電気機械振動システムであることが知られています。圧電素子は天然または合成の水晶から切り出されます。共振器内の電気機械振動は、水晶に固有の順方向および逆方向の圧電効果によって発生します。

共振器の主な用途 (信号の安定化とフィルタリング) では、その等価電気 (アクティブ) 抵抗 Ra は動的と呼ばれ、全体として考慮されます [1]。実際、それは次の成分に分けることができます。R0 は水晶自体の振動エネルギーの損失による抵抗です。電極内に再。超音波放射による R および - 損失。 Rc - 結合振動の場合。 Ra - ホルダーの損失。

エネルギー変換器で水晶共振子を使用する場合、Rp を含む抵抗 Ra のすべての成分を計算するための式を取得する必要がありました。Rp は、感応コーティングの追加損失を反映します。コーティングは、圧電素子の表面に適用されて、制御された非電気パラメータの値に比例する情報出力信号 [2]。これに加えて、非有益なパラメータを変更する場合、コンバータは一定のアクティブ抵抗を持たなければなりません。たとえば、Ra を温度から独立させるには、共振器内の結合振動による損失を排除する必要があります。これは、圧電素子の電極の設計を変更することで実現されます [3]。

[2]の式に従ってコンポーネントを計算することにより、圧電素子のカットのタイプを選択し、その最適な寸法を決定することが可能になりました。圧電素子寸法 52x14,5x6,1 mm の DT カット (yxl/-0,25 度) は、機械エネルギーの石英散逸コンバータに最適であることが判明しました。共振周波数 - 300 kHz、Ra = 236 オーム (高感度コーティングなし)。

トランスデューサの情報信号の値 (アクティブ抵抗の変化) は、次の式で決定されます。

ここで、Kpr - 変換係数は 5416,74 kΩ/kg に等しい。 Δ と μ は、敏感なコーティングの厚さとその粘度 (内部摩擦) です。

内部摩擦が空気湿度に依存するナイロン (ポリカプロアミド) フィルムを感応コーティングとして使用することで、湿度計の基礎となる湿度変換器センサーを作成することができました [4]。トランスデューサの動的抵抗は、乾燥空気 (相対湿度 20 ～ 30%) では 1,2 kOhm、湿潤環境 (90 ～ 95%) では 3,265 kOhm で、これは少なくとも 26 の感度に相当します。オーム/％。この水分計は、テプリチヌイ州立農場 (イヴァノヴォ) の温室農場だけでなく、イヴァノヴォ市や地方テレビ局の導波管にも応用されています。冬には導波管内の温度が -35 ～ 45 ℃に低下する可能性があり、夏には +45 °C に達する可能性があることに注意してください。

興味深いことに、よく知られている VOLNA 空気水分計では、ナイロン感湿フィルムを備えた水晶共振器もセンサーとして使用されていますが、これは感応コーティングの質量に対する水晶の共振周波数の依存性を利用しています。このようなデバイスは、XNUMXつの水晶振動子とXNUMXつの自励発振器を内蔵する必要があるため、小型（ポケット）にすることが困難です。

共振器内の圧電素子の弾性振動のエネルギー散逸のメカニズムははるかに複雑で、感応性ポリマーコーティングの緩和プロセスと弾性波の浸透深さに関連しています。最適な感湿性を得るには、圧電素子に適用されるポリマーフィルムの粘度と弾性の間に特定の比率が必要です。これは、粘性のあるナイロンに硬質フェノールポリ酢酸ビニル接着剤 (BF-2) を添加することによって実現されます。

一部のポリマーは湿気の多い環境で大幅に質量が増加しますが、内部摩擦の湿度依存性が小さいため、感度が低いため湿度センサーには適していません。

空気湿度センサーとして使用されるトランスデューサーの設計を図に示します。 1]。固有振動周波数３００ｋＨｚのＤＴカットの圧電石英板１上に導電性コーティング２を施し、電流リード３を半田付けし、圧電素子上に最大変位箇所Ｂと変形箇所Ｃをマーキングする。エチルアルコール。プレート表面の感湿膜５は、感湿性と粘弾性の異なるポリマーの層から構成されている。

水晶振動子は非電気量を電気に変換します

レイヤリング技術はシンプルです。接着剤ストリップを塗布した後、プレートを 150 °C の温度で 60 ± 10 分間乾燥させ、接着剤を重合させます。次に、接着剤の 30% エチルアルコール溶液に浸し、リードの軸の周りに 2000 ～ 2500 min -1 の回転数で空気中で 30 ～ 40 秒間遠心分離します。接着剤を空気中で乾燥させた後、ギ酸の150％溶液からナイロンの層を塗布します。フィルムをXNUMX℃の温度で再度乾燥させます。この場合、接着剤の重合と接着剤の相互拡散だけでなく、膜が形成されるだけでなく、コーティングの特性も安定します。

次に、接着剤の 3 番目の薄い層を塗布し、空気中で乾燥させ、次に 1,2% ギ酸溶液を含むナイロンの 0,1 番目の層を塗布します。プレートは再度高温乾燥され、その後、トランスデューサーの出力パラメーター、つまり乾燥空気中での動的抵抗 Rc がチェックされます。小さい場合は、Rc が XNUMX ± XNUMX kOhm になるまで接着剤とナイロンの層を追加して塗布します。

記載された技術により、動作パラメータに関して再現可能な湿度センサーを取得することが可能になります。直線的な変換特性、低い慣性、および温度誤差を備えています。

水晶振動子は非電気量を電気に変換します

このセンサーに基づいて、± 2% の精度で 20 ～ 95% の範囲の空気湿度を制御できるポケット湿度計 (図 1) が作成されました。機器の測定ユニットの回路図を図に示します。 3.

水晶振動子は非電気量を電気に変換します

センサー BQ1 は、300 kHz の周波数で動作する測定用自己平衡ブリッジのアームの 1 つに、抵抗 R1、コンデンサ C1、およびバリキャップ VD5 を含む補償素子と直列に組み込まれています。トリマ抵抗 R2 は、コンバータ交換時などにブリッジモードを設定するために使用します。コンデンサC1を介したブリッジの出力は、トランジスタVT2、VT1および整相変圧器TXNUMXに基づく増幅器を介してその入力に接続されている。

制御 DC 電圧を供給しない場合の VD1 バリキャップ (KV102、KV104 または同様のシリーズ) の静電容量は最大となり、周波数 300 kHz でのアクティブ抵抗は最小になります。このため、周波数 1 kHz における VD1R300 回路のアクティブ抵抗も最小になります。その結果、アンプの自励条件が満たされます。つまり、ブリッジの測定アームのアクティブ抵抗が比較アームの抵抗より小さく、ブリッジが不平衡になり、出力電圧が最大になります。電流は、トランジスタ VT3 のエミッタフォロワによって増幅された後、電圧倍増回路 (ダイオード VD4、VD5) に従って作られた検出器の入力に入力されます。結果として生じる DC 電圧は、液晶ディスプレイを備えたアナログ - デジタルコンバーターに供給されます。したがって、コンバータとインジケータは標準スキームに従って作成されています。 3は表示されていません。抵抗 R17 は、制御湿度の限界を調整します。

SB1 スイッチは、「動作」モードまたは「供給電圧制御」モード (抵抗 R16 によってサポートされます) を選択します。

したがって、湿度に依存するコンバータの動的抵抗の変化によって決定される情報信号を受信すると同時に、ブリッジの自動自己平衡化が提供されます。可変抵抗器 R15 からの高周波電圧は、検出器 (ダイオード VD2、VD3) に供給され、抵抗 R6 を介して補償素子 (VD1R1C1) に供給されます。検出器の出力定電圧は補償素子のアクティブ抵抗を制御し、バリキャップ VD1 の静電容量を変更することでブリッジの自動平衡化が実現されます。

電源がオンになると、補償素子のアクティブ抵抗が最小限になり、ブリッジの不平衡によるアンプの自励が保証されます。次に、不平衡の程度に応じて一定の制御電圧によって補償要素の抵抗が変化し、ブリッジの測定アームの抵抗が減少し、比較アームの抵抗に近づきます。

この場合、自己発振が励起されないため、ブリッジの完全なバランスは発生しません。しかし、アンプのゲインが Ku > 1000 の場合、ブリッジの不平衡は無視できます (約 10 オーム)。測定ブリッジのこの動作モードは、二次コンバータに高い安定性と、抵抗 R15 によって調整される必要な感度を提供します。

このデバイスは、トグルスイッチ SA1 に接続されたバッテリー「Krona」(GB1) によって電力を供給されます。ソースから消費される電流は 2 ～ 3 mA です。

トランスは、M12NM-A フェライトからサイズ K5x5x1000 の磁気回路で作られています。巻線 I と II には、それぞれ 90 巻と 35 巻の PELSHO 0,01 ワイヤが含まれています。巻線 I とコンデンサ C4 は、300 kHz の周波数に同調された共振回路を形成します。トランス巻線の位相が正しいと、正のフィードバックが発生します。

機械エネルギーの水晶散逸コンバータは、非常に幅広い用途に使用されています。これらは、病気の診断における人間の血液のレオロジー特性 [6]、ポリマーの粘弾性特性の測定、液晶の相転移温度、およびその他の重要なパラメーターの測定に使用されます。

石英板の粘弾性コーティングを研究する方法は、外国の科学者よりも早く私たちが開発したものであることに注意してください。この目的のために、カットオフ圧電素子 AT が使用されますが、DT ほど有益ではありません。

雑誌「ラジオ」[7] は、航空燃料中の水の存在を示すために使用される全連合ラジオ展示会の展示品の写真を掲載した (著者 V.E. サブチェンコと N.I. ロバツェビッチ、イヴァノヴォ)。燃料中の溶解水（数千分の１）は温度の低下とともに凍結し、沈殿すると燃料フィルターを詰まらせる可能性があり、航空機事故を引き起こす可能性があることが知られています。この装置は飛行場での使用に成功しています。これは、誘電体の散乱パラメータを制御するための散逸型電気エネルギー変換器における真空水晶共振器の使用の始まりを示す発明[8]を実現するものである。このような装置は石英ダイレコメータと呼ばれます。

[1] の水晶共振子の等価回路の考察から、直列共振の周波数で励振すると、その動的インダクタンスとキャパシタンスが相互に補償されることがわかります。容量性センサー LED が共振器と直列に接続されている場合、共振器は共振周波数に対して離調し、容量性センサーによる誘導抵抗の補償が不完全であるために動的抵抗が増加します。完全な補償は、共振器の電極間容量 Co によって妨げられます。

共振器容量性センサー回路のアクティブ抵抗 R の値は、次の式で計算できます。

抵抗 Rd によって決定される容量性センサーに誘電損失がある場合、センサーのアクティブ抵抗 Ra.d を抵抗 R に追加する必要があります。これは、制御された環境での電界エネルギーの散逸に関連します。センサーは次の場所にあります:

共振器の誘導抵抗によってセンサーの容量抵抗を部分的に補償することにより、誘電体における非常に小さなアクティブ損失を測定することが可能になります。

コイルとコンデンサを含む発振回路を備えた既知のデバイスは、小さな誘電損失を確実に制御することができない。したがって、E4-7 Q メーターは周波数 50 kHz で 100 MΩ 以下のアクティブ抵抗を ±5% の誤差で測定できます。

散逸トランスデューサを使用したアクティブ抵抗の決定では、共振を手動で調整する必要はありません。測定ブリッジは、上記と同じ方法で自動的に自己バランスをとります (図 3)。 10 kHz の周波数で 1 pF のセンサー静電容量により、最大 4 GΩ のアクティブ抵抗を ±50% 以内の誤差で簡単に制御できます。 1 pF センサーを使用すると、100 GΩ を超える損失抵抗を測定できます。したがって、記載されたトランスデューサは、低損失で新しい材料を研究する可能性を大幅に拡大します。

これに基づいて、石英水分計 VK-2 が作成され、国家委員会によって採用されました。これは、繊維生産において、移動する繊維材料や半製品の湿度を制御および調整するために使用されます。 Mahlo による同様の目的の外国の装置とは異なり、VK-2 水分計は、吸湿性と誘電損失が低いという特徴を持つ合成繊維で作られた材料の含水量を高精度で制御します。

VK-2 デバイスには、布地の上を転がるブラシ接触を備えたローラーはありません。これは、機器に接続された固定シリンダーと試験対象の材料の上を転がるシリンダーによって形成された、約 150 pF の容量を持つエアコンデンサーに置き換えられます。シリンダー間には約 0,5 mm の空隙があります。新しい元素ベースへの移行による水分計の最近の近代化により、その特性を改善することが可能になりました。新しいIVK-4デバイスは操作手順を簡素化します。

穀物、キュウリの種子、トマトなどのバルク材料の水分含有量を制御するためのポータブル装置が開発されました。この装置は、そのような物体の水分含有量を 2 ～ 30% の範囲で制御します。絶対誤差は湿度 1% まででは ±15%、1,5% 以上では ±15% を超えません。散逸トランスデューサで誘導センサーを使用することにより、重要な産業施設で使用される炭素繊維強化プラスチックの隠れた欠陥を検出するための探傷器を作成することが可能になりました。

氷活性抵抗トランスデューサを使用した研究で重要な結果が得られ、液体燃料中の水だけでなく、最大 -50 °C の温度の氷も記録できる可能性が確認されました。

文学

Belykh A.転送用の石英フィルター。 - ラジオ、2002 年、No. 7、p。 64-67。
サフチェンコ V. 水晶振動子を使用して非電気量を測定するエネルギー法。 - Engineering Physics Journal、1997 年、No. 1、p. 163-167。
Savchenko V. E.、Gribovv L. K. ガス湿度センサー。著者の証明書番号 1003003 に対する発明の説明。 - Bulletin「発見、発明、1983 年、第 9 号」。
Savchenko V.クォーツガス湿度センサー。 - ラジオ、1975 年、第 11 号、p. 26、27。
Gribova L. K.、Savchenko V. E. 圧電石英ガス湿度センサーの製造方法。 RF 特許第 2035731 号 - 会報「発見、発明、...」、1995 年、第 14 号
Savchenko V. E. et al. 血液のレオロジー特性を監視するセンサー。著者の証明書番号 1399686 に対する発明の説明。 - 紀要「発見、発明、...」、1988 年、第 20 号。
Lysikov A. アマチュア無線による国家経済への貢献。 - ラジオ、1987 年、第 11 号、p. 47、48。
Savchenko VE 誘電体のパラメータを測定するための装置。著者の証明書番号 321770 に対する発明の説明。 - 会報「発見、発明、...」、1971 年、第 35 号。
Savchenko VE 誘電体の微量水分を電気信号に変換するパラメトリックコンバーター。 RF 特許第 1049816 号 - 会報「発見、発明、...」、1983 年、第 39 号

著者: V.Savchenko、L.Gribova、Ivanovo

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