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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Sensor capacitivo sin contacto con resonador de cuarzo. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Tecnología de medición Para sensores capacitivos sin contacto utilizados en dispositivos de alarma antirrobo para controlar el acercamiento de un objeto a un área protegida, a menudo se usan generadores de pulsos rectangulares en amplificadores operacionales, ensamblados de acuerdo con el esquema clásico [1]. Entre las deficiencias de tales generadores, debe tenerse en cuenta, en primer lugar, la baja estabilidad de la frecuencia del autooscilador establecida por el circuito RC, lo que conduce a la falta de confiabilidad del dispositivo. Los intentos de aumentar la sensibilidad del dispositivo, como se indica en este artículo, provocan interferencias ("destellos") o falsos positivos de la interferencia de la red, lo que provoca falsos positivos periódicos sin acercarse al sensor del objeto o, por el contrario, no funciona cuando se acerca un objeto. el sensor Estas deficiencias se pueden eliminar si se conecta en serie un resonador de cuarzo con el sensor capacitivo, el cual, siendo excitado a la frecuencia de la resonancia en serie, compensa la componente reactiva de la resistencia compleja del sensor capacitivo, facilitando la conversión de cambios en la capacitancia eléctrica del sensor en resistencia activa [2] Este dispositivo se llama dielcómetro de cuarzo.
En el sensor de proximidad que se describe a continuación, ensamblado según el esquema de la Fig. 1, un resonador de cuarzo evacuado ZQ1 comercialmente disponible de resonancia en serie a una frecuencia fpe3 = 300 kHz está conectado en serie con el sensor capacitivo Sd. El resonador tiene los siguientes parámetros eléctricos equivalentes: inductancia - 21,7 H; capacitancia - 0,013 pF; resistencia - 90 ohmios; capacitancia entre electrodos - 6,5 pF; factor de calidad - alrededor de 455000. Cabe señalar que la mayoría de los autoosciladores operan a una frecuencia que no coincide con la frecuencia de resonancia en serie del resonador de cuarzo. Por ejemplo, un tres puntos capacitivo conocido se excita a una frecuencia más alta. Esto conduce al hecho de que el factor de calidad del resonador disminuye, reduciendo la estabilidad de frecuencia del oscilador.El oscilador de puente proporciona la frecuencia más cercana a la resonancia de la resonancia en serie, que por lo tanto tiene la máxima estabilidad de frecuencia. Para aumentar la sensibilidad y estabilidad del medidor de proximidad capacitivo sin contacto, descrito en detalle en [1], es recomendable utilizar un dielcómetro de cuarzo. Para los experimentos, se fabricó un elemento sensible (sensor) con un diámetro de 60 mm, similar al utilizado en el dispositivo mencionado en [1], de getinax recubierto con lámina. La capacitancia del sensor en el espacio libre (sin objetos muy juntos), medida por un dispositivo de alta frecuencia E7-9, resultó ser de 2,51 pF. Con tal sensor y el resonador de cuarzo anterior, la resistencia eléctrica equivalente del circuito resonador-sensor en serie es de 1160 ohmios. Al acercarse al sensor de cualquier objeto, una mano, por ejemplo, la capacitancia del sensor aumenta y la resistencia activa equivalente del circuito disminuye. Si la capacitancia aumenta en 1 pF, la resistencia eléctrica equivalente será de 732 ohmios, es decir, disminuirá en 428 ohmios. Así, la sensibilidad del dielcómetro a un cambio en la capacitancia del sensor es de 428 Ohm/pF. Como convertidor secundario en el medidor, se utiliza un oscilador de puente basado en un transistor, alimentado por una celda galvánica con un voltaje de 1,5 V. El dispositivo consta de un puente de medición, un amplificador de voltaje en un transistor VT1, un detector en diodos VD1, VD2 y un indicador de proximidad, que es un microamperímetro RA1. Dos brazos del puente de medición están representados por mitades del devanado L1 de un transformador de alta frecuencia El tercer brazo - de medición - consiste en un resonador de cuarzo ZQ1 y un sensor capacitivo SD1, y el cuarto - ejemplar - de resistencias R1 y R2 . El voltaje de salida del puente de medición se conecta a través del capacitor C1 a la base del transistor amplificador VT1. El devanado L2 junto con el condensador C3 forman un circuito oscilatorio paralelo, que debe sintonizarse a la frecuencia de resonancia en serie del resonador de cuarzo de 300 kHz seleccionando el condensador C3. A esta frecuencia, el circuito tiene la máxima resistencia, proporcionando la máxima ganancia del transistor VT1 y favoreciendo la excitación de oscilaciones a la frecuencia fundamental del resonador de cuarzo. El voltaje de salida amplificado se alimenta a la entrada del puente de medición como una señal OS, creando condiciones para la excitación de autooscilaciones a la frecuencia de resonancia en serie, y a la entrada del detector realizado en los diodos VD1 y VD2 de acuerdo con el esquema de duplicación El voltaje detectado hace que la flecha del microamperímetro PA1 se desvíe. En el estado inicial (cuando no hay objetos en la zona de sensibilidad del sensor), no hay autooscilaciones y no hay voltaje en la salida del detector, ya que la resistencia del brazo de medición del puente es mayor que la resistencia del ejemplar, que se establece mediante la resistencia de sintonización R2. Si la resistencia activa de los brazos de medición y eje del puente es igual, tampoco hay autooscilaciones. La aproximación de un objeto a un sensor capacitivo provoca un aumento de su capacitancia y, por tanto, una disminución de la resistencia equivalente. Cuando la resistencia del brazo de medición del puente sea inferior a la del ejemplo, se producirán autooscilaciones, que serán detectadas por el microamperímetro. La resistencia de recorte R2 regula la sensibilidad del dispositivo o, en otras palabras, establece la distancia a un objeto que se aproxima que provoca auto-oscilaciones. El dispositivo puede fijar de manera confiable el acercamiento al sensor manual a una distancia de 10 cm (la aguja del microamperímetro se desvía en 10 divisiones). La sensibilidad del dispositivo se puede aumentar aumentando el tamaño del sensor, la tensión de alimentación, la relación de transformación del transformador de alta frecuencia y reduciendo la resistencia de las resistencias R3 y R4. Se usó como indicador un microamperímetro M283K con una corriente máxima de deflexión de aguja de 100 μA (100 divisiones).En los experimentos, la sensibilidad se fijó de tal manera que cuando la capacitancia del sensor cambiaba 1 pF, la aguja del microamperímetro se desviaba a la escala completa, que corresponde a un cambio en la resistencia activa equivalente del circuito resonador-sensor de 1160 a 732 ohmios, es decir, 428 ohmios (escala lineal), por lo tanto, una división de la escala del microamperímetro M283K correspondía a un cambio en la resistencia de 4,3 ohmios y capacitancia por 0,01 pF. La sensibilidad del dispositivo se puede aumentar a 0,001 pF por división del microamperímetro. Esto excluye la interferencia de la red.
Con una tensión de alimentación de 1 5 V, el consumo de corriente es de 0,5 mA. El transistor KT315B se puede reemplazar con KT368B o KT342B El transformador de alta frecuencia está enrollado en un anillo K 10x6x2 hecho de ferrita M3000NM. Para aumentar el factor de calidad del circuito oscilatorio L2C3, se corta un espacio de 0,9 ... 1,1 mm de ancho en el anillo, como se muestra en la fig. 2 usando un disco abrasivo usado en la práctica dental. El espacio facilita enormemente el devanado de las bobinas del transformador.El devanado L1 contiene 50 vueltas con un grifo desde el medio, y L2 - 75 vueltas. Ambos están fabricados a granel con alambre PELSHO de 0,15 mm de diámetro Condensadores - serie KM de cerámica. El condensador C3 se selecciona dentro de 750...900 pF para proporcionar una frecuencia de resonancia de 300 kHz. Literatura:
Autor: V. Savchenko, L. Gribova, Ivanovo; Publicación: radioradar.net
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