石英谐振器将非电量转换为电气量。方案、说明

石英谐振器将非电量转换为电量。无线电电子电气工程百科全书

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石英谐振器不仅用于频率稳定和射频信号滤波。它是一种高质量的机电振荡系统，适用于产品、半成品工艺控制和环境监测中的非电气参数测量。

石英耗散机械能转换器是在专门的石英谐振器的基础上制成的，其中压电元件上涂有对被测非电量敏感的物质。传感器的输出电信号被馈送到测量装置或计算机。控制对象可以是气态、液态和固态介质，包括液晶和生物聚合物，被测非电量可以是湿度、温度、电导率、热导率、导光率、粘弹性等。

当转换器受到测量的非电量时，石英谐振器的等效有源电阻发生变化，这是石英弹性振荡耗散（散射）的量度。已知谐振器是包含压电元件、其带有引线的电极和支架的机电振荡系统。压电元件由天然或合成石英晶体切割而成。由于石英固有的正向和反向压电效应，谐振器中会发生机电振荡。

在谐振器的主要应用（信号的稳定和滤波）中，其等效电（有源）电阻Ra称为动态并被视为一个整体[1]。事实上，它可以分为几个部分：R0是由于石英本身振动能量损失而产生的电阻；重新-在电极上； R 和 - 超声波辐射造成的损耗； Rc——耦合振动； Ra - 持有者的损失。

当在能量转换器中使用石英谐振器时，有必要获得计算电阻 Ra 所有分量的公式，包括 Rp，它反映了敏感涂层中的额外损耗 - 将其应用于压电元件的表面以提供信息输出信号与受控非电气参数的值成比例[2]。除此之外，当改变非信息参数时，转换器必须具有恒定的有源电阻。例如，为了实现 Ra 与温度的独立性，应排除谐振器中耦合振荡造成的损耗，这是通过改变压电元件上电极的设计来实现的 [3]。

根据[2]中的公式计算组件使得可以选择压电元件的切割类型并确定其最佳尺寸。压电元件尺寸为 52x14,5x6,1 mm 的 DT 切割 (yxl/-0,25 deg) 被证明是石英耗散机械能转换器的最佳选择；谐振频率 - 300 kHz，Ra = 236 欧姆（无敏感涂层）。

传感器的信息信号值（有源电阻的变化）由以下公式确定

其中 Kpr - 转换系数等于 5416,74 kΩ/kg； Δ和μ是敏感涂层的厚度及其粘度（内摩擦力）。

使用尼龙（聚酰胺）薄膜作为敏感涂层，其内摩擦力取决于空气湿度，可以创建湿度转换器传感器，这成为湿度计的基础[4]。传感器在干燥空气中（相对湿度为 20...30%）的动态电阻为 1,2 kOhm，在潮湿空气（90...95%）中为 3,265 kOhm，这对应于至少 26 的灵敏度欧姆/％。该湿度计已应用于 Teplicchny 国营农场（伊万诺沃）的温室农场以及伊万诺沃市和地区电视台的波导中。请注意，冬季波导中的温度可降至 -35...45，夏季可达到 +45 °C。

有趣的是，在著名的VOLNA空气湿度计中，也使用带有尼龙湿敏薄膜的石英谐振器作为传感器，但它利用石英谐振频率对敏感涂层质量的依赖性。很难将这种设备制造得小尺寸（袖珍型），因为它必须包含两个石英谐振器和两个自振荡器。

谐振器中压电元件弹性振动的能量耗散机制要复杂得多，它与敏感聚合物涂层中的弛豫过程以及弹性波渗透到其中的深度有关。为了获得最佳的湿敏性，应用于压电元件的聚合物薄膜必须具有一定的粘度和弹性比率，这是通过在粘性尼龙中添加刚性苯酚-聚醋酸乙烯酯粘合剂（BF-2）来实现的。

请注意，某些聚合物在潮湿环境中质量增量显着，内摩擦对湿度的依赖性很小，因此由于其灵敏度低而不适合用作湿度传感器。

用作空气湿度传感器的传感器的设计如图 1 所示。 5]。在固有振荡频率为1kHz的DT切割的压电石英板300上涂有导电涂层2，导电涂层3上焊接有电流引线4，最大位移B和变形C的位置被标记在压电元件上。乙醇。板表面的湿敏膜50由具有不同湿度敏感性和粘弹性的聚合物层组成。

石英谐振器将非电量转换为电量

分层技术很简单。施加粘合带后，将板在 150 °C 的温度下干燥 60 ± 10 分钟以使粘合剂聚合。然后将其浸入 30% 的乙醇胶溶液中，并在空气中以 2000 ... 2500 分钟“1 的旋转频率绕引线轴离心 30 ... 40 秒。在这层薄膜上胶水在空气中干燥后，用150%的甲酸溶液涂敷一层尼龙。薄膜在XNUMX°C的温度下再次干燥。在这种情况下，不仅粘合剂的聚合和粘合剂的相互扩散成膜的发生，同时也稳定了涂层的性能。

然后涂上第二层薄薄的胶水并在空气中干燥，然后涂上第二层带有 3% 甲酸溶液的尼龙。再次对板进行热干燥，然后检查传感器的输出参数——其在干燥空气中的动态电阻Rc。如果它很小，则应用额外的胶水和尼龙层，直到 Rc 等于 1,2 ± 0,1 kOhm。

所描述的技术使得获得在操作参数方面可再现的湿度传感器成为可能。它们具有线性转换特性、低惯性和温度误差。

石英谐振器将非电量转换为电量

在此传感器的基础上，创建了袖珍湿度计（图2），能够将空气湿度控制在20 ... 95%范围内，精度为±1%。仪器测量单元电路图如图3所示。 XNUMX.

石英谐振器将非电量转换为电量

传感器 BQ1 包含在工作频率为 300 kHz 的测量自平衡电桥的一个臂中，与包含电阻器 R1、电容器 C1 和变容二极管 VD1 的补偿元件串联。微调电阻器 R5 用于设置桥接模式，例如在更换转换器时。电桥的输出通过电容器C2通过基于晶体管VT1、VT2和定相变压器T1的放大器连接至其输入。

在不提供控制直流电压的情况下，VD1 变容二极管（KV102、KV104 或类似系列）的电容最大，频率为 300 kHz 时的有源电阻最小。因此，VD1R1电路在300kHz频率下的有源电阻也最小。从而满足放大器自激的条件：电桥测量臂的有源电阻小于比较臂的电阻，电桥不平衡，其输出电压最大。经过VT3晶体管上的射极跟随器的电流放大后，进入根据倍压电路（二极管VD4、VD5）制成的检测器的输入。产生的直流电压被馈送到带有液晶显示器的模数转换器。转换器和指示器是根据标准方案制造的，因此，在图3中。 17 未显示。电阻器 RXNUMX 调节受控湿度的限值。

SB1 开关选择“操作”或“控制电源电压”模式（由电阻器 R16 支持）。

因此，在接收由转换器动态电阻变化确定的信息信号（而动态电阻又取决于湿度）的同时，提供了电桥的自动自平衡：来自可变电阻器 R15 的高频电压为提供给检测器（二极管 VD2、VD3）并通过电阻器 R6 提供给补偿元件（VD1R1C1）。检测器输出恒定电压控制补偿元件的有源电阻，改变变容二极管VD1的电容值实现电桥的自动平衡。

当电源接通时，补偿元件的有源电阻最小，保证了放大器因电桥不平衡而自激。然后，恒定控制电压根据不平衡程度改变补偿元件的电阻，从而减小电桥测量臂的电阻，使其更接近比较臂的电阻。

电桥不会完全平衡，因为在这种情况下不会激发自激振荡。但当放大器的增益 Ku > 1000 时，电桥的不平衡可以忽略不计（大约 10 欧姆）。测量电桥的这种操作模式为次级转换器提供了高稳定性和必要的灵敏度，由电阻器 R15 调节。

该设备由连接到拨动开关 SA1 的电池“Krona”(GB1) 供电。源消耗的电流为 2...3 mA。

该变压器采用尺寸为 K12x5x5 的 M1000NM-A 铁氧体磁路制成。绕组 I 和 II 分别包含 90 匝和 35 匝 PELSHO 0,01 线。绕组I与电容器C4形成谐振电路，调谐到300kHz的频率。通过正确确定变压器绕组的相位，会出现正反馈。

石英耗散机械能转换器已得到非常广泛的应用。它们用于测量疾病诊断中人体血液的流变特性[6]、聚合物的粘弹性特性、确定液晶相变的温度以及其他重要参数。

需要注意的是，研究石英板粘弹性涂层的方法是我们比国外科学家更早开发的。为此，他们使用截止压电元件 AT，该元件的信息量比 DT 少。

《无线电》杂志 [7] 发表了一张全联盟无线电展览会的展品照片，用于表明航空燃料中存在水（作者 V.E. Savchenko 和 N.I. Lobatsevich，伊万诺沃）。众所周知，燃油中溶解的水（千分之一）会随着温度的降低而结冰，并且沉淀会堵塞燃油过滤器，从而导致飞机事故。该设备已在机场成功使用。它实现了发明[8]，该发明标志着在耗散电能转换器中使用真空石英谐振器来控制电介质的散射参数的开始。此类设备称为石英压强计。

从[1]中石英谐振器等效电路的考虑可以看出，当以串联谐振频率激励时，其动态电感和电容是相互补偿的。如果电容式传感器 LED 与谐振器串联，则谐振器相对于谐振频率失谐，并且由于电容电阻对感性电阻的补偿不完全，动态电阻会增加。谐振器的极间电容 Co 阻碍了完全补偿。

谐振电容传感器电路的有源电阻R的值可以通过以下公式计算

如果电容式传感器中存在由电阻 Rd 确定的介电损耗，则应将传感器的有源电阻 Ra.d 添加到电阻 R 中，该电阻与受控环境中电场能量的耗散相关，其中传感器位于：

通过谐振器的电感电阻对传感器的电容电阻进行部分补偿，使得可以测量电介质中非常小的有源损耗。

具有包含线圈和电容器的振荡电路的已知装置不能可靠地控制小的介电损耗。因此，E4-7 Q表在50 kHz频率下可以测量不大于100 MΩ的有源电阻，误差为±5%。

使用耗散传感器确定有源电阻不需要手动调谐谐振。测量电桥以与上述相同的方式自动进行自平衡（图 3）。它可以轻松控制高达 10 GΩ 的有源电阻，在 1 kHz 频率下使用 4 pF 的传感器电容，误差不超过 ±50%。使用 1 pF 传感器可以测量大于 100 GΩ 的损耗电阻。因此，所描述的换能器显着扩展了研究低损耗新材料的可能性。

在此基础上，研制并采用了石英水分仪VK-2，用于纺织生产中控制和调节运动中的纺织原料及半成品的湿度。与Mahlo国外同类设备不同，VK-2水分仪可以高精度控制合成纤维材料的水分含量，其特点是吸湿率和介电损耗低。

在 VK-2 设备中，没有带有刷子接触的滚筒在织物上滚动。它被容量约为 150 pF 的空气电容器所取代，该空气电容器由连接到仪器的固定圆柱体和在被测材料上滚动的圆柱体形成。气缸之间有约0,5毫米的气隙。水分计最近的现代化改造，过渡到新的元素基础，使得改善其特性成为可能。新型IVK-4设备简化了操作程序。

已经开发出一种便携式设备来控制散装材料的水分含量，例如谷物、黄瓜种子、西红柿等。它将此类物体的水分含量控制在2 ... 30%的范围内。在湿度高达 1% 时绝对误差不超过 ±15%，在 1,5% 及以上时绝对误差不超过 ±15%。在耗散传感器中使用电感式传感器可以创建探伤仪，用于检测重要工业设施中使用的碳纤维增强塑料中的隐藏缺陷。

使用冰主动电阻传感器的研究获得了重要结果，证实不仅可以记录液体燃料中的水，还可以记录温度高达 -50 °C 的冰。

文学

Belykh A. 用于传输的石英过滤器。 - 广播，2002 年，第 7 期，p。 64-67。
Savchenko V. 使用石英谐振器测量非电量的能量方法。 - 工程物理杂志，1997 年，第 1 期，第 163 页167-XNUMX。
Savchenko V.E.，Gribovv L.K.气体湿度传感器。发明说明作者证书编号 1003003。 - 公告“发现、发明，1983 年，第 9 期”。
Savchenko V. 石英气体湿度传感器。 - 广播，1975 年，第 11 期，p。 26、27。
Gribova L.K.，Savchenko V.E.一种制造压电石英气体湿度传感器的方法。 RF 专利号 2035731。 - 公告“发现、发明……”，1995 年，第 14 号
Savchenko V. E. 等人。用于监测血液流变特性的传感器。作者证书号 1399686 的发明描述。 - 公告“发现、发明……”，1988 年，第 20 期。
Lysikov A. 业余无线电对国民经济的贡献。 - 广播，1987 年，第 11 期，第 47 页48、XNUMX。
Savchenko VE 用于测量电介质参数的设备。作者证书编号 321770 的发明描述。 - 公告“发现、发明……”，1971 年，第 35 期。
Savchenko VE 将电介质的少量水分含量转换为电信号的参数转换器。 RF 专利号 1049816。 - 公告“发现、发明……”，1983 年，第 39 号

作者：V.Savchenko、L.Gribova、Ivanovo

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