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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Un risonatore al quarzo converte le quantità non elettriche in elettriche. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Progettista radioamatore Il risonatore al quarzo viene utilizzato non solo per la stabilizzazione della frequenza e il filtraggio dei segnali RF. Essendo un sistema oscillatorio elettromeccanico di alta qualità, è adatto alla misura di parametri non elettrici nel controllo tecnologico di prodotti, semilavorati e nel monitoraggio ambientale. Il convertitore dissipativo di energia meccanica al quarzo è realizzato sulla base di un risonatore al quarzo specializzato, in cui l'elemento piezoelettrico è rivestito con una sostanza sensibile alla quantità non elettrica misurata. Il segnale elettrico di uscita del trasduttore viene inviato a un dispositivo di misurazione oa un computer. Gli oggetti di controllo possono essere mezzi gassosi, liquidi e solidi, inclusi cristalli liquidi e biopolimeri, e le quantità non elettriche misurate possono essere umidità, temperatura, conducibilità elettrica, termica e luminosa, proprietà viscoelastiche, ecc. Quando il convertitore è esposto a una quantità non elettrica misurata, la resistenza attiva equivalente del risonatore al quarzo cambia, che è una misura della dissipazione (scattering) delle oscillazioni elastiche del quarzo. È noto che il risonatore è un sistema oscillatorio elettromeccanico contenente un elemento piezoelettrico, i suoi elettrodi con conduttori e un supporto. L'elemento piezoelettrico è tagliato da un cristallo di quarzo naturale o sintetico. Le oscillazioni elettromeccaniche nel risonatore si verificano a causa degli effetti piezoelettrici diretti e inversi inerenti al quarzo. Nell'applicazione principale del risonatore (stabilizzazione e filtraggio dei segnali), la sua resistenza elettrica equivalente (attiva) Ra è chiamata dinamica ed è considerata nel suo insieme [1]. Si può infatti suddividere in componenti: R0 è la resistenza dovuta alla perdita di energia di vibrazione nel quarzo stesso; Re - negli elettrodi; R e - perdite dovute alla radiazione ultrasonica; Rc - per vibrazioni accoppiate; Ra - perdite nel titolare. Quando si utilizzava un risonatore al quarzo in un convertitore di energia, era necessario ottenere formule per il calcolo di tutti i componenti della resistenza Ra, incluso Rp, che riflette ulteriori perdite nel rivestimento sensibile - viene applicato alla superficie dell'elemento piezoelettrico per fornire un segnale di uscita informativo proporzionale al valore del parametro non elettrico controllato [2]. Insieme a questo, il convertitore deve avere una resistenza attiva costante quando si modificano parametri non informativi. Per ottenere l'indipendenza di Ra dalla temperatura, ad esempio, dovrebbero essere escluse le perdite dovute alle oscillazioni accoppiate nel risonatore, il che si ottiene modificando il design degli elettrodi sull'elemento piezoelettrico [3]. Il calcolo dei componenti secondo le formule in [2] ha permesso di scegliere il tipo di taglio dell'elemento piezoelettrico e di determinarne le dimensioni ottimali. Il taglio DT (yxl/-52 deg) con piezoelementi di dimensioni 14,5x6,1x0,25 mm si è rivelato ottimale per un convertitore dissipativo di energia meccanica al quarzo; frequenza di risonanza - 300 kHz, Ra = 236 Ohm (senza rivestimento sensibile). Il valore del segnale informativo del trasduttore (variazione della resistenza attiva) è determinato dalla formula
dove Kpr - fattore di conversione pari a 5416,74 kΩ/kg; Δ e μ sono lo spessore del rivestimento sensibile e la sua viscosità (attrito interno). Utilizzando come rivestimento sensibile un film di nylon (polyca-proamide), il cui attrito interno dipende dall'umidità dell'aria, è stato possibile creare un sensore-convertitore di umidità, che è diventato la base del misuratore di umidità [4]. La resistenza dinamica del trasduttore in aria secca (a un'umidità relativa del 20...30%) è di 1,2 kOhm, e in aria umida (90...95%) - 3,265 kOhm, che corrisponde a una sensibilità di almeno 26 Ohm/%. Il misuratore di umidità ha trovato applicazione nella serra della fattoria statale Teplichny (Ivanovo), nonché nelle guide d'onda della città di Ivanovo e delle stazioni televisive regionali. Si noti che in inverno la temperatura nella guida d'onda può scendere fino a -35...45, e in estate può raggiungere i +45 °C. È interessante notare che nei noti misuratori di umidità dell'aria VOLNA, come sensore viene utilizzato anche un risonatore al quarzo con una pellicola di nylon sensibile all'umidità, ma utilizza la dipendenza della frequenza di risonanza del quarzo dalla massa del rivestimento sensibile. È difficile realizzare un dispositivo del genere di piccole dimensioni (tascabile), poiché deve contenere due risonatori al quarzo e due oscillatori automatici. Il meccanismo di dissipazione dell'energia delle vibrazioni elastiche di un piezoelemento in un risonatore è molto più complicato, è associato ai processi di rilassamento in un rivestimento polimerico sensibile e alla profondità di penetrazione di un'onda elastica in esso. Per ottenere una sensibilità ottimale all'umidità, il film polimerico applicato all'elemento piezoelettrico deve avere un certo rapporto tra la sua viscosità ed elasticità, che si ottiene aggiungendo adesivo rigido fenolo-polivinilacetato (BF-2) al nylon viscoso. Si noti che alcuni polimeri, che hanno un significativo incremento di massa in un ambiente umido, hanno una piccola dipendenza dell'attrito interno dall'umidità e, pertanto, non sono adatti per un sensore di umidità a causa della loro bassa sensibilità. Il design del trasduttore utilizzato come sensore di umidità dell'aria è mostrato schematicamente in fig. 1]. Sulla piastra piezoquartz 5 del taglio DT con una frequenza di oscillazione naturale di 1 kHz, viene applicato un rivestimento conduttivo 300, a cui sono saldati i conduttori di corrente 2. I punti degli spostamenti massimi B e della deformazione C sono contrassegnati sull'elemento piezoelettrico. alcol etilico. Il film sensibile all'umidità 3 sulla superficie della lastra è costituito da strati di polimeri con diversa sensibilità all'umidità e viscoelasticità.
La tecnologia di stratificazione è semplice. Dopo aver applicato le strisce adesive, la lastra viene asciugata a una temperatura di 150 °C per 60 ± 10 min per polimerizzare l'adesivo. Quindi viene immerso in una soluzione di colla al 30% in alcool etilico e centrifugato in aria con una frequenza di rotazione di 2000 ... 2500 min "1 attorno all'asse dei conduttori per 30 ... 40 s. Su questo film sottile di colla, essiccato all'aria, viene applicato uno strato di nylon da una soluzione al 150% in acido formico. I film vengono nuovamente essiccati ad una temperatura di XNUMX ° C. In questo caso, non solo la polimerizzazione dell'adesivo e la diffusione reciproca di si verificano i film, ma anche la stabilizzazione delle proprietà del rivestimento. Quindi viene applicato un secondo strato sottile di colla, essiccato all'aria, e un secondo strato di nylon con una soluzione al 3% in acido formico. La piastra viene nuovamente sottoposta ad essiccazione a caldo, dopodiché viene verificato il parametro di uscita del trasduttore: la sua resistenza dinamica Rc in aria secca. Se è piccolo, vengono applicati ulteriori strati di colla e nylon fino a quando Rc diventa uguale a 1,2 ± 0,1 kOhm. La tecnologia descritta consente di ottenere sensori di umidità riproducibili in termini di parametri operativi. Hanno una caratteristica di conversione lineare, bassa inerzia ed errore di temperatura.
Sulla base di questo sensore è stato realizzato un igrometro tascabile (Fig. 2) in grado di controllare l'umidità dell'aria nel range 20...95% con una precisione del ±1%. Il diagramma schematico dell'unità di misura dello strumento è mostrato in fig. 3.
Il sensore BQ1 è compreso in uno dei bracci del ponte di misura autobilanciato operante alla frequenza di 300 kHz, in serie con un elemento di compensazione contenente la resistenza R1, il condensatore C1 e il varicap VD1. La resistenza del trimmer R5 viene utilizzata per impostare la modalità bridge, ad esempio, durante la sostituzione del convertitore. L'uscita del ponte attraverso il condensatore C2 è collegata al suo ingresso tramite un amplificatore basato sui transistor VT1, VT2 e un trasformatore di fase T1. La capacità del varicap VD1 (della serie KV102, KV104 o simili) senza fornire una tensione CC di controllo è massima e la resistenza attiva a una frequenza di 300 kHz è minima. Per questo motivo anche la resistenza attiva del circuito VD1R1 alla frequenza di 300 kHz è minima. Di conseguenza, la condizione di autoeccitazione dell'amplificatore è soddisfatta: la resistenza attiva del braccio di misura del ponte è inferiore alla resistenza del braccio di confronto, il ponte è sbilanciato, la sua tensione di uscita è massima. Dopo l'amplificazione di corrente da parte di un inseguitore di emettitore su un transistor VT3, entra nell'ingresso di un rivelatore realizzato secondo un circuito di raddoppio della tensione (diodi VD4, VD5). La tensione CC risultante viene inviata a un convertitore analogico-digitale con un display a cristalli liquidi. Il convertitore e l'indicatore sono realizzati secondo lo schema standard, quindi, in fig. 3 non sono mostrati. La resistenza R17 regola i limiti di umidità controllata. L'interruttore SB1 seleziona la modalità "Operation" o "Control supply voltage" (che è supportata dal resistore R16). Pertanto, contemporaneamente alla ricezione di un segnale informativo determinato da una variazione della resistenza dinamica del convertitore, che a sua volta dipende dall'umidità, viene fornito l'autobilanciamento automatico del ponte: la tensione ad alta frequenza dal resistore variabile R15 è fornita al rivelatore (diodi VD2, VD3) e attraverso la resistenza R6 all'elemento di compensazione (VD1R1C1). La tensione costante di uscita del rilevatore controlla la resistenza attiva dell'elemento di compensazione e la modifica della capacità del varicap VD1 implementa il bilanciamento automatico del ponte. All'accensione, la resistenza attiva dell'elemento di compensazione è minima, il che garantisce l'autoeccitazione dell'amplificatore a causa dello squilibrio del ponte. Quindi una tensione di controllo costante, in funzione del grado di squilibrio, modifica la resistenza dell'elemento di compensazione, riducendo la resistenza del braccio di misura del ponte e avvicinandola alla resistenza del braccio di confronto. Non si verifica il bilanciamento completo del ponte, poiché in questo caso le auto-oscillazioni non sono eccitate. Ma con il guadagno dell'amplificatore Ku > 1000, lo sbilanciamento del ponte è trascurabile (circa 10 ohm). Questa modalità di funzionamento del ponte di misura fornisce al convertitore secondario un'elevata stabilità e la necessaria sensibilità, regolata dal resistore R15. Il dispositivo è alimentato da una batteria "Krona" (GB1), collegata all'interruttore a levetta SA1. La corrente consumata dalla sorgente è 2...3 mA. Il trasformatore è realizzato su un circuito magnetico di dimensioni K12x5x5 da ferrite M1000NM-A. Gli avvolgimenti I e II contengono rispettivamente 90 e 35 spire di filo PELSHO 0,01. L'avvolgimento I con il condensatore C4 forma un circuito risonante sintonizzato su una frequenza di 300 kHz. Con la corretta fasatura degli avvolgimenti del trasformatore, si verifica un feedback positivo. I convertitori dissipativi di energia meccanica al quarzo hanno trovato una vastissima applicazione. Sono utilizzati per misurare le proprietà reologiche del sangue umano nella diagnosi delle malattie [6], le proprietà viscoelastiche dei polimeri, determinare la temperatura delle transizioni di fase nei cristalli liquidi e altri parametri importanti. Si noti che il metodo per studiare i rivestimenti viscoelastici delle lastre di quarzo è stato sviluppato da noi prima degli scienziati stranieri. A tale scopo usano l'elemento piezoelettrico di interruzione AT, che è meno informativo di DT. La rivista "Radio" [7] ha pubblicato una fotografia di una mostra della mostra radiofonica di tutta l'Unione utilizzata per indicare la presenza di acqua nel carburante per aviazione (autori V.E. Savchenko e N.I. Lobatsevich, Ivanovo). È noto che l'acqua disciolta (millesimi di percento) nel carburante si congela al diminuire della temperatura e, precipitando, può intasare i filtri del carburante, il che può causare un incidente aereo. Questo dispositivo è stato utilizzato con successo negli aeroporti. Implementa l'invenzione [8], che ha segnato l'inizio dell'uso di risonatori al quarzo sottovuoto nei convertitori dissipativi di energia elettrica per controllare i parametri di scattering dei dielettrici. Tali dispositivi sono chiamati dielcometri al quarzo. Dalla considerazione del circuito equivalente del risuonatore al quarzo in [1], si può vedere che quando eccitato alla frequenza della risonanza serie, la sua induttanza dinamica e capacità sono reciprocamente compensate. Se un LED sensore capacitivo è collegato in serie con il risonatore, il risonatore è desintonizzato rispetto alla frequenza di risonanza e la resistenza dinamica aumenta a causa della compensazione incompleta della resistenza induttiva da parte di quelle capacitive. La compensazione completa è impedita dalla capacità interelettrodica Co del risonatore. Il valore della resistenza attiva R del circuito del sensore risonatore-capacitivo può essere calcolato dalla formula
Se sono presenti perdite dielettriche nel sensore capacitivo, determinate dalla resistenza Rd, alla resistenza Rd va aggiunta la resistenza attiva del sensore Ra.d, che è associata alla dissipazione dell'energia del campo elettrico in un ambiente controllato dove il sensore si trova:
La compensazione parziale della resistenza capacitiva del sensore mediante la resistenza induttiva del risonatore consente di misurare perdite attive molto piccole nei dielettrici. I dispositivi noti con circuiti oscillatori contenenti una bobina e un condensatore non possono controllare in modo affidabile piccole perdite dielettriche. Quindi, il Q-meter E4-7 a una frequenza di 50 kHz può misurare la resistenza attiva non superiore a 100 MΩ e con un errore di ±5%. La determinazione della resistenza attiva mediante un trasduttore dissipativo non richiede la regolazione manuale della risonanza. Il ponte di misura si autobilancia automaticamente con le stesse modalità sopra descritte (fig. 3). Può facilmente controllare la resistenza attiva fino a 10 GΩ con un errore non superiore a ±1% con una capacità del sensore di 4 pF a una frequenza di 50 kHz. Con un sensore da 1 pF sarà possibile misurare resistenze di perdita superiori a 100 GΩ. Pertanto, il trasduttore descritto amplia notevolmente le possibilità di studiare nuovi materiali con basse perdite. Sulla sua base, i misuratori di umidità al quarzo VK-2 sono stati creati e adottati dalla Commissione statale, che vengono utilizzati nella produzione tessile per controllare e regolare l'umidità dei materiali tessili in movimento e dei prodotti semilavorati. A differenza dei dispositivi estranei di scopo simile di Mahlo, il misuratore di umidità VK-2 controlla con elevata precisione il contenuto di umidità dei materiali in fibre sintetiche, che sono caratterizzati da basso assorbimento di umidità e perdite dielettriche. Nel dispositivo VK-2, non c'è rullo con un contatto a spazzola che rotola sul tessuto. È sostituito da un condensatore ad aria con una capacità di circa 150 pF, formato da un cilindro fisso collegato allo strumento e un cilindro che rotola sul materiale in prova. Tra i cilindri c'è un traferro di circa 0,5 mm. La recente modernizzazione del misuratore di umidità con il passaggio a una nuova base elementare ha permesso di migliorarne le caratteristiche. Il nuovo dispositivo IVK-4 semplifica la procedura operativa. È stato sviluppato un dispositivo portatile per controllare il contenuto di umidità di materiali sfusi, ad esempio grano, semi di cetrioli, pomodori, ecc. Controlla il contenuto di umidità di tali oggetti nell'intervallo 2 ... 30%. L'errore assoluto non supera ±1% con umidità fino al 15% e ±1,5% al 15% e oltre. L'utilizzo di un sensore induttivo in un trasduttore dissipativo ha permesso di creare un rilevatore di difetti per rilevare difetti nascosti nelle plastiche rinforzate con fibra di carbonio utilizzate in importanti impianti industriali. Importanti risultati sono stati ottenuti nello studio utilizzando un trasduttore di resistenza attiva del ghiaccio, che ha confermato la possibilità di registrare non solo l'acqua nel combustibile liquido, ma anche il ghiaccio a temperature fino a -50 °C. Letteratura
Autore: V.Savchenko, L.Gribova, Ivanovo
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