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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Ein Quarzresonator wandelt nichtelektrische Größen in elektrische um. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Der Quarzresonator dient nicht nur der Frequenzstabilisierung und Filterung von Hochfrequenzsignalen. Als hochwertiges elektromechanisches Schwingsystem eignet es sich zur Messung nichtelektrischer Parameter in der technologischen Kontrolle von Produkten, Halbzeugen und der Umweltüberwachung. Der dissipative mechanische Energiewandler aus Quarz basiert auf einem speziellen Quarzresonator, bei dem das piezoelektrische Element mit einer Substanz beschichtet ist, die auf die zu messende nichtelektrische Größe reagiert. Das elektrische Ausgangssignal des Wandlers wird an ein Messgerät oder einen Computer gesendet. Die Kontrollobjekte können gasförmige, flüssige und feste Medien sein, einschließlich Flüssigkristalle und Biopolymere, und die gemessenen nichtelektrischen Größen können Feuchtigkeit, Temperatur, elektrische, thermische und Lichtleitfähigkeit, viskoelastische Eigenschaften usw. sein. Wenn der Wandler einer gemessenen nichtelektrischen Größe ausgesetzt wird, ändert sich der äquivalente aktive Widerstand des Quarzresonators, der ein Maß für die Dissipation (Streuung) der elastischen Schwingungen des Quarzes ist. Es ist bekannt, dass der Resonator ein elektromechanisches Schwingsystem ist, das ein piezoelektrisches Element, seine Elektroden mit Zuleitungen und eine Halterung enthält. Das piezoelektrische Element ist aus einem natürlichen oder synthetischen Quarzkristall geschnitten. Elektromechanische Schwingungen im Resonator entstehen aufgrund der dem Quarz innewohnenden direkten und umgekehrten piezoelektrischen Effekte. In der Hauptanwendung eines Resonators (Stabilisierung und Filterung von Signalen) wird sein äquivalenter elektrischer (aktiver) Widerstand Ra als dynamisch bezeichnet und als Ganzes betrachtet [1]. Tatsächlich kann es in Komponenten unterteilt werden: R0 – Widerstand aufgrund des Verlusts von Schwingungsenergie im Quarz selbst; Re-In-Elektroden; Ri – Verluste durch Ultraschallstrahlung; Rc – für gekoppelte Schwingungen; Ra - Verluste im Inhaber. Bei der Verwendung eines Quarzresonators in einem Energiewandler war es notwendig, Formeln zur Berechnung aller Widerstandskomponenten Ra, einschließlich Rп, zu erhalten, die zusätzliche Verluste in der empfindlichen Beschichtung widerspiegeln – sie wird auf die Oberfläche des piezoelektrischen Elements aufgetragen, um eine bereitzustellen informatives Ausgangssignal proportional zum Wert des gesteuerten nichtelektrischen Parameters [2]. Gleichzeitig muss der Wandler bei Änderung nicht aussagekräftiger Parameter einen konstanten Wirkwiderstand aufweisen. Um eine Unabhängigkeit von Ra von der Temperatur zu erreichen, müssen beispielsweise Verluste durch damit verbundene Vibrationen im Resonator ausgeschlossen werden, was durch eine Änderung des Designs der Elektroden auf dem Piezoelement erreicht wird [3]. Die Berechnung der Komponenten anhand der Formeln in [2] ermöglichte es, die Schnittart des piezoelektrischen Elements auszuwählen und dessen optimale Abmessungen zu bestimmen. Als optimaler Schnitt für einen dissipativen mechanischen Energiewandler aus Quarz erwies sich ein DT-Schnitt (yxl/-52 Grad) mit den Abmessungen des piezoelektrischen Elements von 14,5 x 6,1 x 0,25 mm; Resonanzfrequenz - 300 kHz, Ra = 236 Ohm (ohne empfindliche Beschichtung). Der Wert des informativen Signals des Wandlers (Änderung des aktiven Widerstands) wird durch die Formel bestimmt
wobei Kpr der Umwandlungskoeffizient von 5416,74 kOhm/kg ist; Δ und μ – die Dicke der empfindlichen Beschichtung und ihre Viskosität (innere Reibung). Durch die Verwendung einer Nylonfolie (Polyproamid) als empfindliche Beschichtung, deren innere Reibung von der Luftfeuchtigkeit abhängt, konnte ein Feuchtigkeitssensorkonverter geschaffen werden, der zur Grundlage eines Feuchtigkeitsmessers wurde [4]. Der dynamische Widerstand des Wandlers beträgt in trockener Luft (bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20...30 %) 1,2 kOhm und in feuchter Luft (90...95 %) 3,265 kOhm, was einer Empfindlichkeit von mindestens entspricht 26 Ohm/%. Der Feuchtigkeitsmesser wurde im Gewächshausanbau der Staatsfarm Teplichny (Iwanowo) sowie in den Wellenleitern der Stadt- und Regionalfernsehsender Iwanowo eingesetzt. Beachten Sie, dass die Temperatur im Hohlleiter im Winter auf -35...45 °C und im Sommer auf +45 °C sinken kann. Interessant ist, dass die bekannten VOLNA-Luftfeuchtemessgeräte ebenfalls einen Quarzresonator mit einer feuchtigkeitsempfindlichen Nylonfolie als Sensor verwenden, jedoch die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von Quarz von der Masse der empfindlichen Beschichtung nutzen. Es ist schwierig, ein solches Gerät klein (im Taschenformat) herzustellen, da es zwei Quarzresonatoren und zwei Selbstoszillatoren enthalten muss. Der Mechanismus zur Dissipation der Energie elastischer Schwingungen eines piezoelektrischen Elements in einem Resonator ist viel komplexer und hängt mit Entspannungsprozessen in der empfindlichen Polymerbeschichtung und der Eindringtiefe der elastischen Welle in diese zusammen. Um eine optimale Feuchtigkeitsempfindlichkeit zu erreichen, muss der auf das piezoelektrische Element aufgebrachte Polymerfilm ein bestimmtes Verhältnis zwischen seiner Viskosität und seiner Elastizität aufweisen, was durch die Zugabe von starrem Phenol-Polyvinylacetat-Kleber (BF-2) zum viskosen Nylon erreicht wird. Beachten Sie, dass einige Polymere, deren Masse in einer feuchten Umgebung erheblich zunimmt, eine geringe Abhängigkeit der inneren Reibung von der Luftfeuchtigkeit aufweisen und daher aufgrund ihrer geringen Empfindlichkeit für einen Feuchtigkeitssensor ungeeignet sind. Der Aufbau des als Luftfeuchtigkeitssensor eingesetzten Wandlers ist in Abb. schematisch dargestellt. 1]. Auf der Piezoquarzplatte 5 des DT-Schnitts mit einer Eigenschwingungsfrequenz von 1 kHz ist eine leitfähige Beschichtung 300 aufgebracht, an der Stromzuführungen 2 angelötet sind. Auf dem Piezoelement sind die Stellen maximaler Verschiebung B und Verformung C markiert Die Stellen werden durch Leimstreifen 3 verbunden, die mit einer 4%igen Lösung davon in Ethylalkohol aufgetragen werden. Der feuchtigkeitsempfindliche Film 50 auf der Plattenoberfläche besteht aus Schichten von Polymeren mit unterschiedlicher Feuchtigkeitsempfindlichkeit und Viskoelastizität.
Die Schichttechnik ist einfach. Nach dem Auftragen der Klebestreifen wird die Platte 150 ± 60 Minuten lang bei einer Temperatur von 10 °C getrocknet, um den Kleber zu polymerisieren. Dann wird es in eine 30%ige Leimlösung in Ethylalkohol getaucht und an der Luft mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 2000...2500 min"1 30...40 s lang um die Achse der Minen zentrifugiert. Es entsteht ein dünner Leimfilm , An der Luft getrocknet, wird auf eine Nylonschicht eine 150% ige Lösung in Ameisensäure aufgetragen. Die Filme werden erneut bei einer Temperatur von XNUMX ° C getrocknet. In diesem Fall erfolgt nicht nur die Polymerisation des Klebers und die gegenseitige Diffusion von die Bildung von Filmen, sondern auch die Stabilisierung der Eigenschaften der Beschichtung. Tragen Sie dann eine zweite dünne Schicht Kleber auf, lassen Sie ihn an der Luft trocknen, und eine zweite Schicht Nylon mit einer 3%igen Lösung in Ameisensäure. Die Platte wird erneut einer Heißtrocknung unterzogen, wonach der Ausgangsparameter des Konverters überprüft wird – sein dynamischer Widerstand Rc in trockener Luft. Wenn es klein ist, werden zusätzliche Schichten Kleber und Nylon aufgetragen, bis Rc 1,2 ± 0,1 kOhm beträgt. Die beschriebene Technologie ermöglicht es, Feuchtigkeitssensoren zu erhalten, die hinsichtlich der Betriebsparameter reproduzierbar sind. Sie haben eine lineare Umwandlungscharakteristik, eine geringe Trägheit und einen geringen Temperaturfehler.
Basierend auf diesem Sensor wurde ein Taschenhygrometer entwickelt (Abb. 2), das die Luftfeuchtigkeit im Bereich von 20...95 % mit einer Genauigkeit von ±1 % überwachen kann. Der elektrische Schaltplan der Messeinheit des Gerätes ist in Abb. dargestellt. 3.
Der Sensor BQ1 ist mit einem der Arme einer selbstausgleichenden Messbrücke verbunden, die mit einer Frequenz von 300 kHz arbeitet, in Reihe mit einem Kompensationselement, das Widerstand R1, Kondensator C1 und Varicap VD1 enthält. Der Trimmerwiderstand R5 dient zur Einstellung des Brückenmodus, beispielsweise beim Austausch des Wandlers. Der Ausgang der Brücke über den Kondensator C2 ist über einen Verstärker an den Transistoren VT1, VT2 und den Phasentransformator T1 mit ihrem Eingang verbunden. Die Kapazität des Varicap VD1 (aus der Serie KV102, KV104 o.ä.) ohne Zuführung einer Steuergleichspannung ist maximal, der Wirkwiderstand bei einer Frequenz von 300 kHz minimal. Aus diesem Grund ist auch der aktive Widerstand der VD1R1-Schaltung bei einer Frequenz von 300 kHz minimal. Dadurch ist die Selbsterregungsbedingung des Verstärkers erfüllt: Der aktive Widerstand des Messzweigs der Brücke ist kleiner als der Widerstand des Vergleichszweigs, die Brücke ist unsymmetrisch und ihre Ausgangsspannung ist maximal. Nach der Stromverstärkung durch einen Emitterfolger am Transistor VT3 wird er dem Eingang eines Detektors zugeführt, der nach einer Spannungsverdopplungsschaltung (Dioden VD4, VD5) aufgebaut ist. Die resultierende Gleichspannung wird einem Analog-Digital-Wandler mit Flüssigkristallanzeige zugeführt. Konverter und Anzeige sind nach Standardausführung gefertigt, daher in Abb. 3 nicht dargestellt. Der Widerstand R17 regelt die Grenzen der kontrollierten Luftfeuchtigkeit. Mit dem Schalter SB1 wählen Sie den Modus „Betrieb“ oder „Versorgungsspannungsregelung“ (der durch den Widerstand R16 unterstützt wird). Somit wird gleichzeitig mit dem Empfang eines informativen Signals, das durch die Änderung des dynamischen Widerstands des Wandlers bestimmt wird, der wiederum von der Luftfeuchtigkeit abhängt, ein automatischer Selbstausgleich der Brücke gewährleistet: Hochfrequenzspannung vom variablen Widerstand R15 wird dem Detektor (Dioden VD2, VD3) und über den Widerstand R6 dem Kompensationselement (VD1R1C1) zugeführt. Die DC-Ausgangsspannung des Detektors steuert den aktiven Widerstand des Kompensationselements und durch Ändern der Kapazität des Varicap VD1 wird ein automatischer Ausgleich der Brücke implementiert. Beim Einschalten ist der aktive Widerstand des Kompensationselements minimal, was eine Selbsterregung des Verstärkers aufgrund der Unsymmetrie der Brücke gewährleistet. Anschließend verändert eine konstante Steuerspannung je nach Grad der Unsymmetrie den Widerstand des Kompensationselements, wodurch der Widerstand des Messarms der Brücke verringert und näher an den Widerstand des Vergleichsarms herangeführt wird. Es kommt nicht zu einem vollständigen Gleichgewicht der Brücke, da in diesem Fall keine Eigenschwingungen angeregt werden. Aber wenn die Verstärkerverstärkung Ku > 1000 ist, ist die Unsymmetrie der Brücke unbedeutend (etwa 10 Ohm). Diese Funktionsweise der Messbrücke verleiht dem Sekundärwandler eine hohe Stabilität und die nötige Empfindlichkeit, geregelt durch den Widerstand R15. Das Gerät wird von einer Krona-Batterie (GB1) angetrieben, die über den Kippschalter SA1 angeschlossen ist. Der von der Quelle aufgenommene Strom beträgt 2...3 mA. Der Transformator besteht aus einem Magnetkern der Standardgröße K12x5x5 aus M1000NM-A-Ferrit. Die Wicklungen I und II enthalten 90 bzw. 35 Windungen PELSHO 0,01-Draht. Die Wicklung I bildet mit dem Kondensator C4 einen auf eine Frequenz von 300 kHz abgestimmten Schwingkreis. Bei korrekter Phasenlage der Transformatorwicklungen kommt es zu positiver Rückkopplung. Quarzdissipative Konverter mechanischer Energie haben eine sehr breite Anwendung gefunden. Sie dienen zur Messung der rheologischen Eigenschaften des menschlichen Blutes bei der Diagnose von Krankheiten [6], der viskoelastischen Eigenschaften von Polymeren sowie zur Bestimmung der Temperatur von Phasenübergängen in Flüssigkristallen und anderer wichtiger Parameter. Beachten Sie, dass die Methode zur Untersuchung viskoelastischer Beschichtungen von Quarzplatten von uns früher als von ausländischen Wissenschaftlern entwickelt wurde. Für diese Zwecke verwenden sie das piezoelektrische Element mit AT-Schnitt, das weniger informativ ist als DT. Die Zeitschrift „Radio“ [7] enthielt ein Foto eines Exponats einer gewerkschaftsweiten Radioausstellung, das das Vorhandensein von Wasser in Flugbenzin anzeigte (Autoren V. E. Savchenko und N. I. Lobatsevich, Ivanovo). Es ist bekannt, dass im Treibstoff gelöstes Wasser (Tausendstelprozent) bei sinkender Temperatur gefriert und bei Niederschlag die Treibstofffilter verstopfen kann, was zu einem Flugzeugunfall führen kann. Dieses Gerät wurde erfolgreich auf Flugplätzen eingesetzt. Es setzt die Erfindung um [8], die den Beginn der Verwendung von evakuierten Quarzresonatoren in dissipativen elektrischen Energiewandlern zur Steuerung der Dissipationsparameter von Dielektrika markierte. Solche Geräte werden als dielektrische Quarzmessgeräte bezeichnet. Aus der Betrachtung des äquivalenten Ersatzschaltbildes eines Quarzresonators in [1] ist ersichtlich, dass sich bei Anregung mit der Frequenz einer Serienresonanz dessen dynamische Induktivität und Kapazität gegenseitig kompensieren. Wenn ein kapazitiver LED-Sensor in Reihe mit dem Resonator geschaltet wird, verstimmt sich der Resonator gegenüber der Resonanzfrequenz und der dynamische Widerstand erhöht sich aufgrund der unvollständigen Kompensation des induktiven Widerstands durch die kapazitiven. Die Zwischenelektrodenkapazität Co des Resonators verhindert eine vollständige Kompensation. Der Wert des aktiven Widerstands R des resonatorkapazitiven Sensorkreises kann mit der Formel berechnet werden
Wenn es in einem kapazitiven Sensor dielektrische Verluste gibt, die durch den Widerstand Rd bestimmt werden, sollte der aktive Widerstand des Sensors Ra.d, der mit der Dissipation elektrischer Feldenergie in der kontrollierten Umgebung, in der sich der Sensor befindet, verbunden ist, zum Widerstand R addiert werden:
Die teilweise Kompensation der Kapazität des Sensors durch die induktive Reaktanz des Resonators ermöglicht die Messung sehr kleiner aktiver Verluste in Dielektrika. Bekannte Geräte mit Schwingkreisen, die eine Spule und einen Kondensator enthalten, können kleine dielektrische Verluste nicht zuverlässig kontrollieren. Somit kann das Qualitätsfaktormessgerät E4-7 bei einer Frequenz von 50 kHz einen aktiven Widerstand von nicht mehr als 100 MOhm und mit einem Fehler von ±5 % messen. Die Bestimmung des aktiven Widerstands mithilfe eines dissipativen Wandlers erfordert keine manuelle Abstimmung auf Resonanz. Die Messbrücke balanciert sich automatisch auf die gleiche Weise wie oben beschrieben aus (Abb. 3). Es kann problemlos einen Widerstand von bis zu 10 GΩ mit einer Genauigkeit von nicht mehr als ±1 % bei einer Sensorkapazität von 4 pF bei 50 kHz überwachen. Mit einem 1 pF-Sensor ist es möglich, Verlustwiderstände von mehr als 100 GΩ zu messen. Somit erweitert der beschriebene Konverter die Möglichkeiten zur Untersuchung neuer Materialien mit geringen Verlusten erheblich. Auf dieser Grundlage wurden VK-2-Quarz-Feuchtigkeitsmesser entwickelt und von der Staatskommission akzeptiert, die in der Textilproduktion zur Kontrolle und Regulierung der Luftfeuchtigkeit bewegter Textilmaterialien und Halbfabrikate eingesetzt werden. Im Gegensatz zu ausländischen Geräten mit ähnlichem Zweck von Mahlo kontrolliert der Feuchtigkeitsmesser VK-2 genau den Feuchtigkeitsgehalt von Materialien aus synthetischen Fasern, die sich durch geringe Feuchtigkeitsaufnahme und dielektrische Verluste auszeichnen. Das VK-2-Gerät verfügt nicht über eine Walze mit Bürstenkontakt, die über den Stoff rollt. Dieser wird durch einen Luftkondensator von ca. 150 pF ersetzt, der aus einem stationären Zylinder, der mit dem Instrument verbunden ist, und einem Zylinder besteht, der über das zu prüfende Material rollt. Zwischen den Zylindern besteht ein Luftspalt von ca. 0,5 mm. Die jüngste Modernisierung des Feuchtigkeitsmessers mit der Umstellung auf eine neue Elementbasis hat seine Eigenschaften verbessert. Das neue IVK-4-Gerät vereinfacht den Bedienvorgang. Zur Kontrolle der Luftfeuchtigkeit von Schüttgütern, beispielsweise Getreide, Gurkensamen, Tomaten usw., wurde ein tragbares Gerät entwickelt. Es regelt die Luftfeuchtigkeit solcher Objekte im Bereich von 2...30 %. Der absolute Fehler überschreitet nicht ±1 % bei Luftfeuchtigkeit bis 15 % und ±1,5 % bei 15 % oder mehr. Der Einsatz eines induktiven Sensors in einem dissipativen Wandler ermöglichte die Entwicklung eines Fehlerdetektors zur Erkennung versteckter Fehler in kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, die in wichtigen Industrieanlagen verwendet werden. Wichtige Ergebnisse wurden im Rahmen einer Studie mit einem Eiswiderstandswandler erzielt, die die Möglichkeit bestätigte, nicht nur Wasser in flüssigem Kraftstoff, sondern auch Eis bei Temperaturen bis zu -50 °C zu erfassen. Literatur
Autor: V.Savchenko, L.Gribova, Ivanovo
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