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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Sensore capacitivo senza contatto con risuonatore al quarzo. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Per i sensori capacitivi senza contatto utilizzati nei dispositivi antifurto per controllare l'avvicinamento di un oggetto ad un'area protetta, vengono spesso utilizzati generatori di impulsi rettangolari su amplificatori operazionali, assemblati secondo lo schema classico [1]. Tra le carenze di tali generatori, va notato, prima di tutto, la bassa stabilità della frequenza dell'auto-oscillatore impostata dal circuito RC, che porta all'inaffidabilità del dispositivo. I tentativi di aumentare la sensibilità del dispositivo, come indicato in questo articolo, causano interferenze ("lampeggia") o falsi positivi a causa di interferenze di rete, che provocano periodici falsi positivi senza avvicinarsi al sensore dell'oggetto o, al contrario, il mancato funzionamento quando un oggetto si avvicina il sensore. Queste carenze possono essere eliminate se un risonatore al quarzo è collegato in serie al sensore capacitivo, il quale, essendo eccitato alla frequenza della risonanza in serie, compensa la componente reattiva della complessa resistenza del sensore capacitivo, facilitando la conversione delle variazioni di la capacità elettrica del sensore in resistenza attiva [2] Tale dispositivo è chiamato dielcometro al quarzo.
Nel sensore di prossimità descritto di seguito, assemblato secondo lo schema di Fig. 1, un risonatore al quarzo sottovuoto ZQ1 disponibile in commercio di risonanza in serie ad una frequenza fpe3 = 300 kHz è collegato in serie al sensore capacitivo Sd. Il risonatore ha i seguenti parametri elettrici equivalenti: induttanza - 21,7 H; capacità - 0,013 pF; resistenza - 90 Ohm; capacità interelettrodo - 6,5 pF; fattore di qualità - circa 455000. Va notato che la maggior parte degli auto-oscillatori funzionano a una frequenza che non coincide con la frequenza della risonanza in serie del risonatore al quarzo. Ad esempio, un noto tre punti capacitivo viene eccitato a una frequenza più alta. Ciò porta al fatto che il fattore di qualità del risonatore diminuisce, riducendo la stabilità in frequenza dell'oscillatore.Il più vicino alla frequenza di risonanza della risonanza in serie è fornito dall'oscillatore a ponte, che quindi ha la massima stabilità in frequenza. Per aumentare la sensibilità e la stabilità del misuratore di prossimità capacitivo senza contatto, descritto in dettaglio in [1], è consigliabile utilizzare un dielcometro al quarzo. Per gli esperimenti, un elemento sensibile (sensore) con un diametro di 60 mm, simile a quello utilizzato nel dispositivo menzionato in [1], è stato realizzato in getinax rivestito di lamina. La capacità del sensore nello spazio libero (senza oggetti ravvicinati), misurata da un dispositivo ad alta frequenza E7-9, è risultata essere 2,51 pF. Con un tale sensore e il suddetto risonatore al quarzo, la resistenza elettrica equivalente del circuito risonatore-sensore in serie è di 1160 ohm. Quando ci si avvicina al sensore di qualsiasi oggetto, ad esempio le mani, la capacità del sensore aumenta e la resistenza attiva equivalente del circuito diminuisce. Se la capacità viene aumentata di 1 pF, la resistenza elettrica equivalente diventerà 732 ohm, ovvero diminuirà di 428 ohm. Pertanto, la sensibilità del dielcometro a una variazione della capacità del sensore è di 428 Ohm/pF. Come convertitore secondario nel contatore viene utilizzato un autooscillatore a ponte basato su un transistor, alimentato da una cella galvanica con una tensione di 1,5 V. Il dispositivo è costituito da un ponte di misura, un amplificatore di tensione su un transistor VT1, un rilevatore sui diodi VD1, VD2 e un indicatore di prossimità, che è un microamperometro RA1. Due bracci del ponte di misura sono rappresentati da metà dell'avvolgimento L1 di un trasformatore ad alta frequenza, il terzo braccio - di misura - è costituito da un risonatore al quarzo ZQ1 e da un sensore capacitivo SD1, ed il quarto - esemplare - dalle resistenze R1 e R2 . La tensione di uscita del ponte di misura è collegata tramite il condensatore C1 alla base del transistor di amplificazione VT1. L'avvolgimento L2 insieme al condensatore C3 forma un circuito oscillatorio parallelo, che deve essere sintonizzato sulla frequenza di risonanza in serie del risuonatore al quarzo di 300 kHz selezionando il condensatore C3. A questa frequenza, il circuito ha la massima resistenza, fornendo il massimo guadagno del transistor VT1 e favorendo l'eccitazione delle oscillazioni alla frequenza fondamentale del risuonatore al quarzo. La tensione di uscita amplificata viene alimentata all'ingresso del ponte di misura come segnale OS, creando le condizioni per l'eccitazione di auto-oscillazioni alla frequenza di risonanza in serie, e all'ingresso del rivelatore realizzato sui diodi VD1 e VD2 secondo il raddoppio schema. Nello stato iniziale (quando non ci sono oggetti nella zona di sensibilità del sensore), non ci sono auto-oscillazioni e non c'è tensione all'uscita del rivelatore, poiché la resistenza del braccio di misura del ponte è maggiore di la resistenza di quella esemplare, che è impostata dal resistore di sintonia R2. Se la resistenza attiva dei bracci di misura ed esemplare del ponte è uguale, non ci sono nemmeno auto-oscillazioni. L'avvicinamento di un oggetto a un sensore capacitivo provoca un aumento della sua capacità e quindi una diminuzione della resistenza equivalente. Quando la resistenza del braccio di misura del ponte diventa inferiore a quella dell'esemplare, si verificheranno delle auto-oscillazioni, che verranno rilevate dal microamperometro. Il resistore di trimming R2 regola la sensibilità del dispositivo o, in altre parole, imposta la distanza da un oggetto in avvicinamento che provoca auto-oscillazioni. Il dispositivo può fissare in modo affidabile l'approccio al sensore manuale a una distanza di 10 cm (l'ago del microamperometro devia di 10 divisioni). La sensibilità del dispositivo può essere aumentata aumentando le dimensioni del sensore, la tensione di alimentazione, il rapporto di trasformazione del trasformatore ad alta frequenza, nonché riducendo la resistenza dei resistori R3 e R4. Come indicatore è stato utilizzato un microamperometro M283K con una corrente di deflessione massima dell'ago di 100 μA (100 divisioni).Negli esperimenti, la sensibilità è stata impostata in modo tale che quando la capacità del sensore cambiava di 1 pF, l'ago del microamperometro deviava al fondo scala, che corrisponde a una variazione della resistenza attiva equivalente del circuito risonatore-sensore da 1160 fino a 732 ohm, ovvero 428 ohm (scala lineare).Pertanto, una divisione della scala del microamperometro M283K corrispondeva a una variazione della resistenza di 4,3 ohm e capacità di 0,01 pF. La sensibilità del dispositivo può essere aumentata a 0,001 pF per divisione del microamperometro. Ciò esclude le interferenze di rete.
Con una tensione di alimentazione di 1 5 V, il consumo di corrente è di 0,5 mA. Il transistor KT315B può essere sostituito con KT368B o KT342B Il trasformatore ad alta frequenza è avvolto su un anello K 10x6x2 di ferrite M3000NM. Per aumentare il fattore di qualità del circuito oscillatorio L2C3, nell'anello viene tagliato uno spazio di 0,9 ... 1,1 mm, come mostrato in Fig. 2 utilizzando un disco abrasivo utilizzato nello studio dentistico. Il divario facilita notevolmente l'avvolgimento delle bobine del trasformatore L'avvolgimento L1 contiene 50 giri con un tocco dal centro e L2 - 75 giri. Entrambi sono realizzati sfusi con filo PELSHO con un diametro di 0,15 mm Condensatori - serie KM in ceramica. Il condensatore C3 è selezionato entro 750...900 pF per fornire una frequenza di risonanza di 300 kHz. Letteratura:
Autore: V. Savchenko, L. Gribova, Ivanovo; Pubblicazione: radioradar.net
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