水晶振動子を備えた非接触静電容量センサー。スキーム、説明

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水晶振動子を備えた非接触静電容量センサー。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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盗難警報装置で保護区域への物体の接近を制御するために使用される非接触静電容量センサーには、古典的な方式[1]に従って組み立てられたオペアンプの矩形パルス発生器がよく使用されます。このような発電機の欠点の中で、まず第一に、RC回路によって設定される自己発振器の周波数の安定性が低く、デバイスの信頼性が低くなることに注意する必要があります。

この記事に記載されているように、デバイスの感度を上げようとすると、ネットワーク干渉による干渉（「フラッシュ」）または誤検知が発生します。これにより、オブジェクトセンサーに近づかずに定期的な誤検知が発生したり、逆に、オブジェクトが近づいたときに動作しなくなったりします。センサー。

これらの欠点は、水晶振動子が静電容量センサーと直列に接続されている場合に解消できます。これは、直列共振の周波数で励起され、静電容量センサーの複素抵抗の無効成分を補償し、変化の変換を容易にします。センサーの電気容量をアクティブ抵抗に変換 [2]. このようなデバイスは、クォーツディエルコメーターと呼ばれます。

水晶振動子を備えた非接触静電容量センサー
図。 1

以下に説明する近接センサーでは、図のスキームに従って組み立てられています。図１に示すように、周波数ｆｐｅ３＝３００ｋＨｚで直列共振する市販の真空水晶振動子ＺＱ１が静電容量センサＳｄと直列に接続されている。共振器には、次の等価電気パラメータがあります。インダクタンス - 1 H。静電容量 - 1 pF; 抵抗 - 3オーム; 電極間容量 - 300 pF; 品質係数 - 約 21,7。

ほとんどの自己発振器は、水晶振動子の直列共振の周波数と一致しない周波数で動作することに注意してください。たとえば、既知の容量性XNUMX点はより高い周波数で励起されます。これにより、共振器の品質係数が低下し、発振器の周波数安定性が低下します。直列共振の共振周波数に最も近いのはブリッジ発振器であるため、周波数安定性が最大になります。

[1]で詳細に説明されている非接触容量性近接メーターの感度と安定性を高めるために、石英誘電計を使用することをお勧めします。

実験では、[60]で説明したデバイスで使用されているものと同様の、直径1 mmの高感度エレメント（センサー）をホイルコーティングされたゲチナックスで作成しました。高周波デバイスE7-9によって測定された、自由空間（間隔の狭い物体がない）でのセンサーの静電容量は、2,51pFであることが判明しました。このようなセンサーと上記の石英共振器を使用すると、直列共振器-センサー回路の等価電気抵抗は1160オームになります。

たとえば、手などの物体のセンサーに近づくと、センサーの静電容量が増加し、回路の等価アクティブ抵抗が減少します。静電容量が1pF増加すると、等価電気抵抗は732オームになります。つまり、428オーム減少します。

したがって、センサーの静電容量の変化に対する比誘電率計の感度は 428 Ohm/pF です。

メーターの1,5次コンバーターとして、XNUMXつのトランジスターに基づくブリッジ発振器が使用され、XNUMXVの電圧のガルバニ電池から電力が供給されます。

このデバイスは、測定ブリッジ、トランジスタVT1の電圧増幅器、ダイオードVD1、VD2の検出器、およびマイクロアンペアRA1である近接インジケータで構成されています。測定ブリッジの1つのアームは、高周波トランスの巻線L1の半分で表されます.1番目のアーム（測定）は、水晶振動子ZQ1と静電容量センサーSD2で構成され、XNUMX番目のアーム（例示）は抵抗RXNUMXとRXNUMXで構成されます。。

測定ブリッジの出力電圧はコンデンサC1を介して増幅トランジスタVT1のベースに接続されます。巻線 L2 とコンデンサ C3 は並列発振回路を形成します。コンデンサ C300 を選択することにより、水晶共振子の直列共振周波数 3 kHz に同調する必要があります。この周波数では、回路は最大抵抗を持ち、最大ゲインが得られます。トランジスタ VT1 の周波数を調整し、水晶共振器の基本周波数での振動の励起を促進します。

増幅された出力電圧は、OS信号として測定ブリッジの入力に供給され、直列共振の周波数で自己発振を励起するための条件を作成し、ダイオードVD1およびVD2で作成された検出器の入力に次のように供給されます。検出された電圧により、PA1マイクロアンメータの矢印がずれます。

初期状態（センサー感度ゾーンに物体がない場合）では、ブリッジの測定アームの抵抗が抵抗よりも大きいため、自己振動がなく、検出器の出力に電圧がありません。同調抵抗器Ｒ２によって設定される例示的なものの。ブリッジの測定アームと例示的なアームのアクティブ抵抗が等しい場合、自励発振もありません。

静電容量センサーへの物体の接近は、その静電容量の増加を引き起こし、したがって等価抵抗の減少を引き起こします。ブリッジの測定アームの抵抗が例示的なものよりも小さくなると、自励発振が発生します。これは、マイクロアンメータによって示されます。トリミング抵抗R2は、デバイスの感度を調整します。つまり、自励発振を引き起こす接近する物体までの距離を設定します。

デバイスは、10 cmの距離でハンドセンサーへのアプローチを確実に固定できます（マイクロアンメーターの針は10分割でずれます）。デバイスの感度は、センサーのサイズ、電源電圧、高周波トランスの変圧比を大きくし、抵抗器 R3 と R4 の抵抗値を小さくすることによって高めることができます。

針振れ電流が最大283μA（100目盛り）のM100Kマイクロアンメータを指標に使用し、実験ではセンサ容量が1pF変化したときにマイクロアンメータの針がフルスケールまで振れる感度に設定し、これは、1160 オームから 732 オーム、つまり 428 オーム (リニアスケール) までの共振器センサー回路の等価アクティブ抵抗の変化に対応するため、M283K マイクロアンメータスケールの 4,3 分割は、0,01 オームの抵抗の変化に対応します。静電容量は XNUMX pF です。

デバイスの感度は、マイクロアンメータの0,001目盛りあたりXNUMXpFまで上げることができます。これはネットワーク干渉を除外します。

水晶振動子を備えた非接触静電容量センサー
図。 2

電源電圧が1Vの場合、消費電流は5mAです。 KT0,5BトランジスタはKT315BまたはKT368Bに置き換えることができます。高周波トランスはM342NMフェライトのK10x6x2リングに巻かれています。発振回路L3000C2の品質係数を上げるために、図に示すように、リングに幅3〜0,9mmのギャップを切ります。 1,1歯科診療で使用される研磨ディスクを使用します。ギャップはトランスコイルの巻線を非常に容易にします。巻線L2には中央からのタップで1ターンが含まれ、L50-2ターンが含まれます。どちらも直径75mmのPELSHOワイヤーでまとめて作られています

コンデンサ - セラミック KM シリーズ。コンデンサ C3 は 750 ～ 900 pF の範囲で選択され、300 kHz の共振周波数を提供します。

文学:

Moskvin A. 非接触静電容量センサー。 - ラジオ、2002 年、第 10 号。 38、39。
Savchenko V.、Gribova L. Quartz共振器は、非電気量を電気量に変換します。 -ラジオ、2004年、第2号、p。 34-36。

著者: V. サブチェンコ、L. グリボヴァ、イヴァノヴォ。出版物: radioradar.net

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