Berührungsloser kapazitiver Sensor mit Quarzresonator. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik

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Für berührungslose kapazitive Sensoren, die in Einbruchmeldeanlagen verwendet werden, um die Annäherung eines Objekts an einen geschützten Bereich zu steuern, werden häufig Rechteckimpulsgeneratoren an Operationsverstärkern verwendet, die nach dem klassischen Schema [1] aufgebaut sind. Unter den Mängeln solcher Generatoren ist vor allem die geringe Stabilität der von der RC-Schaltung eingestellten Frequenz des Selbstoszillators zu beachten, was zur Unzuverlässigkeit des Geräts führt.

Versuche, die Empfindlichkeit des Geräts zu erhöhen, wie in diesem Artikel erwähnt, verursachen Interferenzen („Blitze“) oder Fehlalarme durch Netzwerkinterferenzen, die zu periodischen Fehlalarmen führen, ohne sich dem Objektsensor zu nähern, oder umgekehrt zu Betriebsstörungen, wenn sich ein Objekt nähert der Fühler.

Diese Mängel können behoben werden, wenn dem kapazitiven Sensor ein Schwingquarz in Reihe geschaltet wird, der bei Anregung mit der Frequenz der Serienresonanz den reaktiven Anteil des komplexen Widerstandes des kapazitiven Sensors kompensiert und so die Wandlung von Änderungen erleichtert die elektrische Kapazität des Sensors in einen aktiven Widerstand [2] Ein solches Gerät wird als Quarz-Dielkometer bezeichnet.

Fig. 1

Bei dem nachfolgend beschriebenen Näherungssensor, aufgebaut nach dem Schema in Abb. In Fig. 1 ist ein handelsüblicher evakuierter Quarzresonator ZQ1 mit Serienresonanz bei einer Frequenz fpe3 = 300 kHz mit dem kapazitiven Sensor Sd in Reihe geschaltet. Der Resonator hat die folgenden äquivalenten elektrischen Parameter: Induktivität – 21,7 H; Kapazität - 0,013 pF; Widerstand - 90 Ohm; Kapazität zwischen den Elektroden - 6,5 pF; Qualitätsfaktor - etwa 455000.

Es sei darauf hingewiesen, dass die meisten Selbstoszillatoren bei einer Frequenz arbeiten, die nicht mit der Frequenz der Serienresonanz des Quarzresonators zusammenfällt. Beispielsweise wird ein bekannter kapazitiver Dreipunkt mit einer höheren Frequenz angeregt. Dies führt dazu, dass die Güte des Resonators sinkt und die Frequenzstabilität des Oszillators sinkt, wobei die Resonanzfrequenz der Serienresonanz am nächsten vom Brückenoszillator bereitgestellt wird, der daher eine maximale Frequenzstabilität aufweist.

Um die Empfindlichkeit und Stabilität des in [1] ausführlich beschriebenen berührungslosen kapazitiven Näherungsmessers zu erhöhen, empfiehlt es sich, ein Quarzelektrometer zu verwenden.

Für Experimente wurde ein sensitives Element (Sensor) mit einem Durchmesser von 60 mm, ähnlich dem in der in [1] erwähnten Gerät verwendeten, aus folienbeschichtetem Getinax hergestellt. Die Kapazität des Sensors im freien Raum (ohne eng beieinander liegende Objekte), gemessen mit einem Hochfrequenzgerät E7-9, betrug 2,51 pF. Bei einem solchen Sensor und dem obigen Quarzresonator beträgt der äquivalente elektrische Widerstand der Reihenschaltung aus Resonator und Sensor 1160 Ohm.

Wenn Sie sich dem Sensor eines Objekts nähern - beispielsweise einer Hand -, steigt die Kapazität des Sensors und der äquivalente aktive Widerstand der Schaltung nimmt ab. Wenn die Kapazität um 1 pF erhöht wird, beträgt der äquivalente elektrische Widerstand 732 Ohm, dh er verringert sich um 428 Ohm.

Somit beträgt die Empfindlichkeit des Dielcometers gegenüber einer Änderung der Kapazität des Sensors 428 Ohm/pF.

Als Sekundärwandler im Messgerät wird ein Brückenselbstschwinger auf Basis eines Transistors verwendet, der von einer galvanischen Zelle mit einer Spannung von 1,5 V gespeist wird.

Das Gerät besteht aus einer Messbrücke, einem Spannungsverstärker an einem Transistor VT1, einem Detektor an den Dioden VD1, VD2 und einem Näherungsindikator, der ein Mikroamperemeter RA1 ist. Zwei Arme der Messbrücke stellen Hälften der Wicklung L1 eines Hochfrequenztransformators dar. Der dritte Arm – messend – besteht aus einem Schwingquarz ZQ1 und einem kapazitiven Sensor SD1, der vierte – beispielhaft – aus den Widerständen R1 und R2 .

Die Ausgangsspannung der Messbrücke wird über den Kondensator C1 mit der Basis des Verstärkungstransistors VT1 verbunden. Die Wicklung L2 bildet zusammen mit dem Kondensator C3 einen Parallelschwingkreis, der durch Wahl des Kondensators C300 auf die Serienresonanzfrequenz des Quarzresonators von 3 kHz abgestimmt werden muss. Bei dieser Frequenz hat der Kreis den maximalen Widerstand und sorgt für die maximale Verstärkung des Transistors VT1 und begünstigt die Anregung von Schwingungen bei der Grundfrequenz des Quarzresonators.

Die verstärkte Ausgangsspannung wird dem Eingang der Messbrücke als OS-Signal zugeführt, wodurch Bedingungen für die Anregung von Eigenschwingungen mit der Frequenz der Serienresonanz geschaffen werden, und dem Eingang des Detektors, der auf den Dioden VD1 und VD2 gemäß der Verdopplung hergestellt wird planen.

Im Ausgangszustand (keine Gegenstände im Empfindlichkeitsbereich des Sensors) treten keine Eigenschwingungen auf und am Ausgang des Detektors liegt keine Spannung an, da der Widerstand des Messarms der Brücke größer ist als der Widerstandswert des Beispiels, der durch den Abstimmwiderstand R2 eingestellt wird. Ist der aktive Widerstand von Mess- und Beispielzweig der Brücke gleich, treten auch keine Eigenschwingungen auf.

Die Annäherung eines Objekts an einen kapazitiven Sensor bewirkt eine Erhöhung seiner Kapazität und damit eine Verringerung des Ersatzwiderstands. Wenn der Widerstand des Messarms der Brücke kleiner als der beispielhafte wird, treten Eigenschwingungen auf, die vom Mikroamperemeter festgestellt werden. Der Trimmwiderstand R2 regelt die Empfindlichkeit des Geräts, oder anders ausgedrückt, den Abstand zu einem sich nähernden Objekt, das Eigenschwingungen verursacht.

Das Gerät kann die Annäherung an den Handsensor im Abstand von 10 cm (die Nadel des Mikroamperemeters weicht um 10 Teilstriche ab) zuverlässig fixieren. Die Empfindlichkeit des Geräts kann durch Erhöhen der Größe des Sensors, der Versorgungsspannung, des Übersetzungsverhältnisses des Hochfrequenztransformators sowie durch Verringern des Widerstands der Widerstände R3 und R4 erhöht werden.

Als Indikator diente ein Mikroamperemeter M283K mit einem maximalen Zeigerausschlagstrom von 100 µA (100 Teilstriche) In den Versuchen wurde die Empfindlichkeit so eingestellt, dass bei einer Änderung der Sensorkapazität um 1 pF der Zeiger des Mikroamperemeters voll ausschlug Dies entspricht einer Änderung des äquivalenten aktiven Widerstands der Resonator-Sensor-Schaltung von 1160 auf 732 Ohm, d.h. 428 Ohm (lineare Skala). Daher entspricht eine Teilung der M283K-Mikroamperemeterskala einer Widerstandsänderung um 4,3 Ohm und Kapazität um 0,01 pF.

Die Empfindlichkeit des Geräts kann auf 0,001 pF pro Teilung des Mikroamperemeters erhöht werden. Damit sind Netzstörungen ausgeschlossen.

Fig. 2

Bei einer Versorgungsspannung von 1 5 V beträgt die Stromaufnahme 0,5 mA. Der Transistor KT315B kann durch KT368B oder KT342B ersetzt werden Der Hochfrequenztransformator ist auf einen Ring K 10x6x2 aus M3000NM-Ferrit gewickelt. Um die Güte des Schwingkreises L2C3 zu erhöhen, wird ein 0,9 ... 1,1 mm breiter Spalt in den Ring geschnitten, wie in Abb. 2 mit einer in der Zahnarztpraxis verwendeten Schleifscheibe. Die Lücke erleichtert das Wickeln der Transformatorspulen erheblich.Wicklung L1 enthält 50 Windungen mit einem Abgriff von der Mitte und L2 - 75 Windungen. Beide werden in loser Schüttung aus PELSHO-Draht mit einem Durchmesser von 0,15 mm hergestellt

Kondensatoren - Keramik KM-Serie. Der Kondensator C3 wird innerhalb von 750 ... 900 pF ausgewählt, um eine Resonanzfrequenz von 300 kHz bereitzustellen.

Literatur:

1. Moskvin A. Kontaktlose kapazitive Sensoren. - Radio, 2002, Nr. 10. p. 38, 39.
2. Savchenko V., Gribova L. Quarzresonator wandelt nichtelektrische Größen in elektrische um. - Radio, 2004, Nr. 2, p. 34-36.

Autor: V. Savchenko, L. Gribova, Ivanovo; Veröffentlichung: radioradar.net

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