석영 공진기가 있는 비접촉 정전식 센서. 계획, 설명

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석영 공진기가 있는 비접촉 정전 용량 센서. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전

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보호 영역에 대한 물체의 접근을 제어하기 위해 도난 경보 장치에 사용되는 비접촉 정전식 센서의 경우 고전적인 방식[1]에 따라 조립된 연산 증폭기의 직사각형 펄스 발생기가 종종 사용됩니다. 이러한 발전기의 단점 중 우선 RC 회로에 의해 설정된 자체 발진기의 주파수 안정성이 낮아 장치의 신뢰성이 떨어진다는 점에 유의해야 합니다.

이 문서에 언급된 대로 장치의 감도를 높이려는 시도는 간섭("깜박임") 또는 네트워크 간섭으로 인한 오탐을 유발하여 물체 센서에 접근하지 않고 주기적으로 오탐을 일으키거나 반대로 물체가 접근할 때 작동하지 않습니다. 센서 .

수정 공진기가 정전식 센서와 직렬로 연결되면 직렬 공진 주파수에서 여기되어 정전식 센서의 복소 저항의 반응성 성분을 보상하여 변화 변환을 용이하게 하는 경우 이러한 단점을 제거할 수 있습니다. 능동 저항으로 센서의 전기 용량 [2] 이러한 장치를 석영 디엘코미터라고 합니다.

석영 공진기가 있는 비접촉 정전용량 센서
그림. 1

아래에서 설명하는 근접 센서에서 그림 1의 구성표에 따라 조립됩니다. 도 1에 도시된 바와 같이, 주파수 fpe3 = 300kHz에서 직렬 공진의 상업적으로 이용가능한 진공 진공형 석영 공진기 ZQ21,7은 용량성 센서 Sd와 직렬로 연결된다. 공진기는 다음과 같은 동등한 전기적 매개변수를 갖습니다. 인덕턴스 - 0,013 H; 커패시턴스 - 90pF; 저항 - 6,5옴; 전극간 커패시턴스 - 455000pF; 품질 요소 - 약 XNUMX.

대부분의 자체 발진기는 수정 공진기의 직렬 공진 주파수와 일치하지 않는 주파수에서 작동합니다. 예를 들어, 알려진 용량성 XNUMX점은 더 높은 주파수에서 여기됩니다. 이것은 공진기의 품질 계수가 감소하여 발진기의 주파수 안정성을 감소시킨다는 사실로 이어집니다.직렬 공진의 공진 주파수에 가장 가까운 것은 브리지 발진기에 의해 제공되므로 최대 주파수 안정성을 갖습니다.

[1]에서 자세히 설명한 비접촉 정전용량식 근접계의 감도와 안정성을 높이려면 석영 디엘로미터를 사용하는 것이 좋습니다.

실험을 위해 [60]에 언급된 장치에 사용된 것과 유사한 직경 1mm의 민감한 소자(센서)는 호일 코팅된 getinax로 만들어졌습니다. 고주파 장치 E7-9로 측정한 자유 공간(밀접한 물체가 없는)에서 센서의 커패시턴스는 2,51pF로 밝혀졌습니다. 이러한 센서와 위의 수정 공진기를 사용하면 직렬 공진기-센서 회로의 등가 전기 저항은 1160옴입니다.

예를 들어 손과 같은 물체의 센서에 접근하면 센서의 커패시턴스가 증가하고 회로의 등가 활성 저항이 감소합니다. 커패시턴스가 1pF 증가하면 등가 전기 저항은 732옴이 됩니다. 즉, 428옴 감소합니다.

따라서 센서의 커패시턴스 변화에 대한 디엘코미터의 감도는 428 Ohm/pF입니다.

미터의 1,5차 변환기로 하나의 트랜지스터를 기반으로 하는 브리지 발진기가 사용되며 XNUMXV 전압의 갈바니 전지로 전원이 공급됩니다.

이 장치는 측정 브리지, 트랜지스터 VT1의 전압 증폭기, 다이오드 VD1, VD2의 감지기 및 마이크로 암미터 RA1인 근접 표시기로 구성됩니다. 측정 브리지의 두 팔은 고주파 변압기의 권선 L1의 절반으로 표시됩니다. 세 번째 팔(측정)은 수정 공진기 ZQ1과 정전용량 센서 SD1, 네 번째(예시) 저항기 R1 및 R2로 구성됩니다. .

커패시터 C1을 통한 측정 브리지의 출력 전압은 증폭 트랜지스터 VT1의 베이스에 연결됩니다. 커패시터 C2와 함께 권선 L3는 커패시터 C300를 선택하여 3kHz의 석영 공진기의 직렬 공진 주파수로 조정되어야 하는 병렬 발진 회로를 형성합니다. 이 주파수에서 회로는 최대 저항을 가지며 최대 이득을 제공합니다. 트랜지스터 VT1의 수정 공진기의 기본 주파수에서 진동의 여기를 선호합니다.

증폭된 출력 전압은 OS 신호로 측정 브리지의 입력에 공급되어 직렬 공진 주파수에서 자체 발진의 여기 조건을 생성하고 다이오드 VD1 및 VD2에 따라 만들어진 검출기의 입력에 따라 이중화 계획.

초기 상태(센서의 감도 영역에 물체가 없을 때)에서는 브리지의 측정 암의 저항이 튜닝 저항 R2에 의해 설정되는 예시적인 저항. 브리지의 측정 및 예시 암의 활성 저항이 동일하면 자체 진동도 없습니다.

정전 용량 센서에 대한 물체의 접근은 정전 용량을 증가시켜 등가 저항을 감소시킵니다. 브리지의 측정 암의 저항이 예시적인 것보다 작아지면 자체 진동이 발생하며 이는 마이크로암미터로 표시됩니다. 트리밍 저항 R2는 장치의 감도를 조절합니다. 즉, 자체 발진을 일으키는 접근하는 물체까지의 거리를 설정합니다.

이 장치는 10cm 거리에서 손 센서에 대한 접근을 안정적으로 고정할 수 있습니다(마이크로 전류계의 바늘은 10눈금씩 벗어남). 센서의 크기, 공급 전압, 고주파 변압기의 변환 비율을 늘리고 저항 R3 및 R4의 저항을 줄임으로써 장치의 감도를 높일 수 있습니다.

최대 바늘 편향 전류가 283μA(100눈금)인 M100K 마이크로 전류계를 지시계로 사용하였으며, 실험에서는 센서 커패시턴스가 1pF만큼 변할 때 마이크로 전류계 바늘이 풀 스케일로 벗어나도록 감도를 설정하였다. 이는 공진기-센서 회로의 등가 활성 저항의 변화에 해당하는 1160옴에서 최대 732옴, 즉 428옴(선형 눈금) 따라서 M283K 마이크로 전류계 눈금의 한 눈금은 4,3옴의 저항 변화에 해당합니다. 0,01pF의 커패시턴스.

장치의 감도는 마이크로암미터 단위당 0,001pF까지 증가할 수 있습니다. 이것은 네트워크 간섭을 제외합니다.

석영 공진기가 있는 비접촉 정전용량 센서
그림. 2

공급 전압이 1V일 때 소비 전류는 5mA입니다. KT0,5B 트랜지스터는 KT315B 또는 KT368B로 교체할 수 있으며 고주파 변압기는 M342NM 페라이트의 K 10x6x2 링에 감겨 있습니다. 발진 회로 L3000C2의 품질 계수를 높이려면 그림과 같이 링에서 3 ... 0,9mm 너비의 간격을 자릅니다. 1,1 치과 진료에 사용되는 연마 디스크를 사용합니다. 갭은 변압기 코일의 권선을 크게 용이하게 합니다.권선 L2은 중간에서 탭으로 1회, L50 - 2회를 포함합니다. 둘 다 직경 75mm의 PELSHO 와이어로 대량으로 만들어집니다.

커패시터 - 세라믹 KM 시리즈. 커패시터 C3은 750kHz의 공진 주파수를 제공하기 위해 900...300pF 내에서 선택됩니다.

문학:

Moskvin A. 비접촉 정전용량 센서. - 라디오, 2002, 10번. p. 38, 39.
Savchenko V., Gribova L. Quartz 공진기는 비전기량을 전기량으로 변환합니다. - 라디오, 2004, 2번, p. 34-36.

저자: V. Savchenko, L. Gribova, Ivanovo; 간행물: radioradar.net

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