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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 석영 공진기는 비전기량을 전기량으로 변환합니다. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 라디오 아마추어 디자이너 석영 공진기는 RF 신호의 주파수 안정화 및 필터링에만 사용되는 것이 아닙니다. 고품질 전기 기계 진동 시스템이기 때문에 제품, 반제품의 기술적 제어 및 환경 모니터링에서 비전기적 매개변수를 측정하는 데 적합합니다. 기계적 에너지의 석영 소산 변환기는 압전 소자가 측정된 비전기량에 민감한 물질로 코팅된 특수 석영 공진기를 기반으로 만들어집니다. 변환기의 출력 전기 신호는 측정 장치 또는 컴퓨터에 공급됩니다. 제어 대상은 액정 및 바이오 폴리머를 포함한 기체, 액체 및 고체 매질이 될 수 있으며 측정된 비전기적 양은 습도, 온도, 전기, 열 및 광 전도도, 점탄성 특성 등이 될 수 있습니다. 변환기가 측정된 비전기량에 노출되면 석영 공진기의 등가 활성 저항이 변경되며 이는 수정의 탄성 진동의 소산(산란)을 측정합니다. 공진기는 압전 소자, 리드가 있는 전극 및 홀더를 포함하는 전기 기계 진동 시스템인 것으로 알려져 있습니다. 압전 소자는 천연 또는 합성 수정에서 절단됩니다. 공진기의 전자기계 진동은 석영 고유의 순방향 및 역방향 압전 효과로 인해 발생합니다. 공진기의 주요 응용(신호의 안정화 및 필터링)에서 등가 전기(활성) 저항 Ra는 동적이라고 하며 전체로 간주됩니다[1]. 실제로 구성 요소로 나눌 수 있습니다. R0은 석영 자체의 진동 에너지 손실로 인한 저항입니다. 다시 - 전극에서; R 및 - 초음파 방사로 인한 손실; Rc - 결합 진동의 경우; Ra - 보유자의 손실. 에너지 변환기에서 석영 공진기를 사용할 때 민감한 코팅의 추가 손실을 반영하는 Rp를 포함하여 저항 Ra의 모든 구성 요소를 계산하기 위한 공식을 얻어야 했습니다. 이는 압전 소자의 표면에 적용되어 제어된 비전기 매개변수의 값에 비례하는 유익한 출력 신호 [2]. 이와 함께 컨버터는 비정보 매개변수를 변경할 때 일정한 활성 저항을 가져야 합니다. 예를 들어 온도로부터 Ra의 독립성을 달성하려면 압전 소자의 전극 설계를 변경하여 공진기에서 결합된 진동으로 인한 손실을 배제해야 합니다[3]. [2]의 공식에 따라 구성 요소를 계산하면 압전 소자의 절단 유형을 선택하고 최적의 치수를 결정할 수 있습니다. 압전 소자 크기가 52x14,5x6,1 mm인 DT 컷(yxl/-0,25 deg)은 기계적 에너지의 석영 소산 변환기에 최적인 것으로 판명되었습니다. 공진 주파수 - 300kHz, Ra = 236Ohm(민감한 코팅 없음). 변환기의 유익한 신호 값(활성 저항의 변화)은 공식에 의해 결정됩니다.
여기서 Kpr - 5416,74 kΩ/kg과 같은 변환 계수; Δ 및 μ는 민감한 코팅의 두께와 점도(내부 마찰)입니다. 공기 습도에 따라 내부 마찰이 달라지는 나일론(폴리카프로아미드) 필름을 민감한 코팅으로 사용하여 수분계의 기초가 된 습도 변환기 센서를 만들 수 있었습니다[4]. 건조한 공기(상대 습도 20...30%)에서 트랜스듀서의 동적 저항은 1,2 kOhm이고 습기(90...95%) - 3,265 kOhm이며 이는 최소 26의 감도에 해당합니다. 옴/%. 수분 측정기는 Teplichny 주립 농장(Ivanovo)의 온실 농장과 Ivanovo 도시 및 지역 텔레비전 방송국의 도파관에서 응용 프로그램을 찾았습니다. 겨울에는 도파관의 온도가 -35...45까지 떨어질 수 있고 여름에는 +45 °C에 도달할 수 있습니다. 흥미롭게도 잘 알려진 VOLNA 공기 수분계에서 나일론 수분 민감성 필름이 있는 석영 공진기도 센서로 사용되지만 민감한 코팅의 질량에 대한 석영의 공진 주파수 의존성을 사용합니다. 두 개의 석영 공진기와 두 개의 자체 발진기를 포함해야 하기 때문에 이러한 장치를 소형(포켓형)으로 만드는 것은 어렵습니다. 공진기에서 피에조 소자의 탄성 진동 에너지 소산 메커니즘은 훨씬 더 복잡하며 민감한 폴리머 코팅의 이완 과정과 탄성파 침투 깊이와 관련이 있습니다. 최적의 수분감도를 얻기 위해서는 압전소자에 적용되는 고분자 필름이 점도와 탄성 사이에 일정한 비율을 가져야 하는데, 이는 점성이 있는 나일론에 경질 페놀-폴리아세트산비닐 접착제(BF-2)를 첨가함으로써 달성된다. 습한 환경에서 상당한 질량 증가를 보이는 일부 폴리머는 습도에 대한 내부 마찰의 의존성이 작기 때문에 감도가 낮기 때문에 습도 센서에 적합하지 않습니다. 공기 습도 센서로 사용되는 변환기의 설계는 그림에 개략적으로 표시됩니다. 1]. 5kHz의 자연 발진 주파수를 가진 DT-cut의 압전 석영판 1에는 전도성 코팅 300가 적용되고 전류 리드 2이 납땜됩니다.최대 변위 B 및 변형 C의 위치는 압전 소자에 표시됩니다. 에틸 알코올. 플레이트 표면의 수분 민감성 필름(3)은 수분 민감성과 점탄성이 다른 폴리머 층으로 구성됩니다.
레이어링 기술은 간단합니다. 접착 스트립을 적용한 후 플레이트를 150 °C의 온도에서 60 ± 10분 동안 건조하여 접착제를 중합합니다. 그런 다음 에틸 알코올에 녹인 30% 접착제 용액에 담그고 회전 주파수 2000 ~ 2500 min "1의 리드 축을 중심으로 30 ~ 40초 동안 공기 중에서 원심분리합니다. 이 박막에서 접착제, 공기 중에서 건조, 포름산의 150 % 용액에서 나일론 층이 적용됩니다. 필름은 XNUMX ° C의 온도에서 다시 건조됩니다. 이 경우 접착제의 중합 및 상호 확산뿐만 아니라 필름이 발생하지만 코팅 특성의 안정화도 발생합니다. 그런 다음 접착제의 두 번째 얇은 층을 적용하고 공기 중에서 건조하고 포름산에 3% 용액을 넣은 나일론의 두 번째 층을 적용합니다. 플레이트는 다시 뜨거운 건조를 거친 후 변환기의 출력 매개변수인 건조한 공기에서의 동적 저항 Rc를 확인합니다. 작으면 Rc가 1,2 ± 0,1 kOhm이 될 때까지 접착제와 나일론을 추가로 도포합니다. 설명된 기술을 통해 작동 매개변수 측면에서 재현 가능한 습도 센서를 얻을 수 있습니다. 선형 변환 특성, 낮은 관성 및 온도 오류가 있습니다.
이 센서를 기반으로 ± 2%의 정확도로 20 ~ 95% 범위의 공기 습도를 제어할 수 있는 포켓형 습도계(그림 1)가 만들어졌습니다. 계측기 측정 장치의 회로도가 그림에 나와 있습니다. 삼.
센서 BQ1은 저항 R300, 커패시터 C1 및 바리캡 VD1을 포함하는 보상 요소와 직렬로 1kHz의 주파수에서 작동하는 측정 자체 균형 브리지의 암 중 하나에 포함됩니다. 트리머 저항 R5는 예를 들어 컨버터를 교체할 때 브리지 모드를 설정하는 데 사용됩니다. 커패시터 C2를 통한 브리지의 출력은 트랜지스터 VT1, VT2 및 페이징 변압기 T1을 기반으로 한 증폭기를 통해 입력에 연결됩니다. 제어 DC 전압을 공급하지 않는 VD1 varicap(KV102, KV104 또는 유사 시리즈)의 커패시턴스는 최대이며 주파수 300kHz에서 활성 저항은 최소입니다. 이러한 이유로 1kHz 주파수에서 VD1R300 회로의 활성 저항도 최소화됩니다. 결과적으로 증폭기의 자기 여기 조건이 충족됩니다. 브리지 측정 암의 활성 저항은 비교 암의 저항보다 작고 브리지는 불균형이며 출력 전압은 최대입니다. 트랜지스터 VT3의 이미 터 팔로워에 의한 전류 증폭 후 전압 배가 회로 (다이오드 VD4, VD5)에 따라 만들어진 검출기의 입력으로 들어갑니다. 생성된 DC 전압은 액정 디스플레이가 있는 아날로그-디지털 변환기에 공급됩니다. 변환기와 표시기는 표준 체계에 따라 만들어 지므로 그림에서. 3은 표시되지 않습니다. 저항 R17은 제어된 습도의 한계를 조절합니다. SB1 스위치는 "작동" 또는 "제어 공급 전압" 모드(저항 R16에 의해 지원됨)를 선택합니다. 따라서 습도에 따라 달라지는 변환기의 동적 저항 변화에 의해 결정되는 유익한 신호를 수신하는 동시에 브리지의 자동 자체 균형이 제공됩니다. 가변 저항 R15의 고주파 전압은 검출기 (다이오드 VD2, VD3)에 공급되고 저항 R6을 통해 보상 요소 (VD1R1C1)에 공급됩니다. 검출기의 출력 정전압은 보상 요소의 활성 저항을 제어하고 varicap VD1의 커패시턴스를 변경하여 브리지의 자동 균형을 구현합니다. 전원이 켜지면 보상 요소의 활성 저항이 최소화되어 브리지의 불균형으로 인해 증폭기의 자체 여기가 보장됩니다. 그런 다음 불균형 정도에 따라 일정한 제어 전압이 보상 요소의 저항을 변경하여 브리지 측정 암의 저항을 줄이고 비교 암의 저항에 더 가깝게 만듭니다. 브리지의 전체 균형은 발생하지 않습니다. 이 경우 자체 진동이 여기되지 않기 때문입니다. 그러나 증폭기의 이득 Ku > 1000에서 브리지의 불균형은 무시할 수 있습니다(약 10옴). 측정 브리지의 이 작동 모드는 저항 R15에 의해 조절되는 높은 안정성과 필요한 감도를 보조 컨버터에 제공합니다. 장치는 토글 스위치 SA1에 연결된 배터리 "Krona"(GB1)로 전원을 공급받습니다. 소스에서 소비되는 전류는 2~3mA입니다. 변압기는 M12NM-A 페라이트로 만든 K5x5x1000 크기의 자기 회로에서 만들어집니다. 권선 I 및 II에는 각각 PELSHO 90 와이어의 35회 및 0,01회 권선이 포함되어 있습니다. 커패시터 C4가 있는 권선 I는 300kHz의 주파수로 조정된 공진 회로를 형성합니다. 변압기 권선의 올바른 위상 조정으로 양의 피드백이 발생합니다. 기계적 에너지의 석영 소산 변환기는 매우 광범위한 응용 분야를 발견했습니다. 그들은 질병 진단에서 인간 혈액의 유변학적 특성[6], 고분자의 점탄성 특성, 액정의 상전이 온도 결정 및 기타 중요한 매개변수를 측정하는 데 사용됩니다. 석영 판의 점탄성 코팅을 연구하는 방법은 외국 과학자보다 일찍 우리가 개발했습니다. 이 목적을 위해 DT보다 정보가 적은 컷오프 압전 소자 AT를 사용합니다. 잡지 "Radio"[7]는 항공 연료(저자 V.E. Savchenko 및 N.I. Lobatsevich, Ivanovo)에 물이 있음을 나타내는 데 사용된 All-Union 라디오 전시회의 전시회 사진을 게시했습니다. 연료에 용해된 물(8/XNUMX)은 온도가 낮아짐에 따라 동결되고 침전되어 연료 필터를 막아 항공기 사고를 유발할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 이 장치는 비행장에서 성공적으로 사용되었습니다. 그것은 유전체의 산란 매개변수를 제어하기 위해 소산성 전기 에너지 변환기에서 진공 석영 공진기의 사용 시작을 표시한 발명[XNUMX]을 구현합니다. 이러한 장치를 석영 딜코미터라고 합니다. [1]의 석영 공진기의 등가 회로를 고려하면 직렬 공진의 주파수에서 여기될 때 동적 인덕턴스와 커패시턴스가 상호 보상됨을 알 수 있습니다. 정전 용량 센서 LED가 공진기와 직렬로 연결되면 공진기는 공진 주파수에 대해 이조되고 용량 성 저항에 의한 유도 저항의 불완전한 보상으로 인해 동적 저항이 증가합니다. 완전한 보상은 공진기의 전극간 커패시턴스 Co에 의해 방지됩니다. 공진기 용량 성 센서 회로의 활성 저항 R 값은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
저항 Rd에 의해 결정되는 용량성 센서에 유전 손실이 있는 경우 센서 Ra.d의 활성 저항을 저항 R에 추가해야 합니다. 센서 위치:
공진기의 유도 저항에 의해 센서의 용량 저항을 부분적으로 보상하면 유전체에서 매우 작은 활성 손실을 측정할 수 있습니다. 코일과 커패시터를 포함하는 진동 회로를 가진 알려진 장치는 작은 유전 손실을 안정적으로 제어할 수 없습니다. 따라서 4kHz의 주파수에서 E7-50 Q-미터는 100MΩ 이하의 활성 저항을 ±5%의 오차로 측정할 수 있습니다. 소산 변환기를 사용하여 활성 저항을 결정하면 공진을 위한 수동 조정이 필요하지 않습니다. 측정 브리지는 위에서 설명한 것과 같은 방식으로 자동으로 자체 균형을 잡습니다(그림 3). 10kHz의 주파수에서 1pF의 센서 정전 용량으로 ±4% 이하의 오차로 최대 50GΩ의 능동 저항을 쉽게 제어할 수 있습니다. 1pF 센서를 사용하면 100GΩ보다 큰 손실 저항을 측정할 수 있습니다. 따라서 설명된 변환기는 손실이 적은 새로운 재료를 연구할 수 있는 가능성을 크게 확장합니다. 기본적으로 석영 수분 측정기 VK-2는 섬유 생산에 사용되어 움직이는 섬유 재료 및 반제품의 습도를 제어하고 조절하는 데 사용되는 주위원회에서 만들고 채택했습니다. Mahlo의 유사한 목적의 외국 장치와 달리 VK-2 수분 측정기는 낮은 수분 흡수 및 유전 손실이 특징인 합성 섬유 소재의 수분 함량을 높은 정확도로 제어합니다. VK-2 장치에는 브러시 접촉부가 직물 위로 굴러가는 롤러가 없습니다. 이는 기기에 연결된 고정 실린더와 테스트 대상 재료 위로 구르는 실린더로 형성된 약 150pF 용량의 공기 축전기로 대체됩니다. 실린더 사이에는 약 0,5mm의 에어 갭이 있습니다. 최근 새로운 원소 기반으로의 전환과 함께 수분 측정기의 현대화로 인해 그 특성을 개선할 수 있게 되었습니다. 새로운 IVK-4 장치는 작동 절차를 단순화합니다. 곡물, 오이 씨앗, 토마토 등과 같은 벌크 재료의 수분 함량을 제어하기 위해 휴대용 장치가 개발되었습니다. 이 장치는 이러한 물체의 수분 함량을 2 ~ 30% 범위로 제어합니다. 절대 오차는 최대 습도 1%에서 ±15%, 1,5% 이상에서 ±15%를 초과하지 않습니다. 소산 변환기에 유도 센서를 사용하여 중요한 산업 시설에서 사용되는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 숨겨진 결함을 감지하기 위한 결함 감지기를 만들 수 있었습니다. 얼음 능동 저항 변환기를 사용한 연구에서 중요한 결과를 얻었으며, 이는 액체 연료의 물뿐만 아니라 최대 -50°C의 온도에서 얼음도 등록할 수 있는 가능성을 확인했습니다. 문학
저자: V.Savchenko, L.Gribova, Ivanovo
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