带有石英谐振器的非接触式电容传感器。方案、说明

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带石英谐振器的非接触式电容传感器。无线电电子电气工程百科全书

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对于防盗报警装置中用于控制物体接近保护区的非接触式电容传感器，通常使用根据经典方案 [1] 组装的运算放大器上的矩形脉冲发生器。在这类发生器的缺点中，首先要注意的是，RC电路设定的自激振荡器的频率稳定性低，导致装置的不可靠性。

如本文所述，试图增加设备的灵敏度会导致干扰（“闪烁”）或网络干扰的误报，这会导致周期性误报而不接近物体传感器，或者相反，当物体接近时无法操作传感器。

如果将石英谐振器与电容传感器串联连接，则可以消除这些缺点，石英谐振器以串联谐振的频率激励，补偿电容传感器复电阻的无功分量，便于转换将传感器的电容转化为有源电阻[2]。这种设备称为石英测厚仪。

带石英谐振器的非接触式电容传感器
图。 1

在下面描述的接近传感器中，根据图 1 中的方案组装。如图1所示，在频率fpe3＝300kHz的串联谐振的市售真空石英谐振器ZQ21,7与电容传感器Sd串联连接。谐振器具有以下等效电气参数：电感 - 0,013 H；电容 - 90 pF；电阻 - 6,5 欧姆；极间电容 - 455000 pF；品质因数 - 约 XNUMX。

应该注意的是，大多数自振荡器的工作频率与石英谐振器的串联谐振频率不一致。例如，已知的电容三点在较高频率下被激发。这导致谐振器的品质因数下降，降低了振荡器的频率稳定性，最接近串联谐振的谐振频率由桥式振荡器提供，因此具有最大的频率稳定性。

为了提高非接触式电容式接近计的灵敏度和稳定性，在[1]中有详细描述，建议使用石英测温仪。

对于实验，一个直径为 60 mm 的敏感元件（传感器），类似于 [1] 中提到的设备中使用的，由箔涂层的 getinax 制成。由高频设备 E7-9 测量的自由空间（没有紧密间隔的物体）中的传感器电容结果为 2,51 pF。使用这样的传感器和上述石英谐振器，串联谐振器-传感器电路的等效电阻为1160欧姆。

当接近任何物体（例如手）的传感器时，传感器的电容会增加，电路的等效有源电阻会降低。如果电容增加 1 pF，则等效电阻将变为 732 欧姆，即减少 428 欧姆。

因此，测温仪对传感器电容变化的灵敏度为 428 Ohm/pF。

作为仪表中的次级转换器，使用基于一个晶体管的桥式振荡器，由电压为 1,5 V 的原电池供电。

该装置由测量电桥、晶体管 VT1 上的电压放大器、二极管 VD1、VD2 上的检测器和接近指示器（微安计 RA1）组成。测量桥的两个臂由高频变压器的绕组 L1 的一半表示。第三个臂 - 测量 - 由石英谐振器 ZQ1 和电容传感器 SD1 组成，第四个 - 示例 - 电阻器 R1 和 R2 .

测量电桥的输出电压通过电容器C1连接至放大晶体管VT1的基极。绕组L2与电容C3组成并联振荡电路，必须通过选择电容C300将其调谐至石英谐振器的串联谐振频率3kHz，在此频率下，电路具有最大电阻，为晶体管VT1和VTXNUMX提供最大增益。有利于在石英谐振器的基频下激发振荡。

放大后的输出电压作为 OS 信号馈送到测量电桥的输入端，为在串联谐振频率下激发自激振荡创造条件，并根据下式馈送到在二极管 VD1 和 VD2 上制作的检测器的输入端倍增方案检测到的电压导致PA1微安表的箭头出现偏差。

在初始状态（当传感器灵敏度区域内没有物体时），由于电桥测量臂的电阻大于电阻，所以没有自激振荡，探测器输出端没有电压示例性的，由调谐电阻器R2设置。如果电桥的测量臂和示例臂的有源电阻相等，则也不存在自激振荡。

物体接近电容传感器会导致其电容增加，因此等效电阻会降低。当电桥测量臂的电阻变得小于示例性电阻时，将发生自激振荡，这将被微安表记录下来。微调电阻器 R2 调节设备的灵敏度，或者换句话说，设置与导致自激振荡的接近物体的距离。

该装置可以可靠地将接近手传感器的距离固定在 10 厘米处（微安表的指针偏离 10 格）。可以通过增加传感器的尺寸、电源电压、高频变压器的变比以及减小电阻R3和R4的阻值来提高器件的灵敏度。

以M283K微安表最大针偏电流为100μA（100格）为指标，在实验中，灵敏度设置为当传感器电容变化1pF时，微安表的指针偏离满量程，这对应于谐振器-传感器电路的等效有源电阻从 1160 到 732 欧姆的变化，即 428 欧姆（线性刻度）。因此，M283K 微安表刻度的一格对应于电阻变化 4,3 欧姆和 0,01 pF 的电容。

该器件的灵敏度可以增加到每微安表刻度 0,001 pF。这排除了网络干扰。

带石英谐振器的非接触式电容传感器
图。 2

电源电压为 1 5 V，电流消耗为 0,5 mA。 KT315B三极管可以换成KT368B或KT342B，高频变压器绕在一个由M10NM铁氧体制成的K 6x2x3000环上。为了提高振荡电路 L2C3 的品质因数，在环上切出一个 0,9 ... 1,1 mm 宽的间隙，如图 2 所示。 1 使用牙科实践中使用的研磨盘。该间隙极大地方便了变压器线圈的绕制，绕组L50为2匝，中间有抽头，L75为0,15匝。它们都是用直径为 XNUMX 毫米的 PELSHO 线批量制成的

电容器 - 陶瓷 KM 系列。电容 C3 在 750...900 pF 范围内选择，以提供 300 kHz 的谐振频率。

文学:

Moskvin A. 非接触式电容传感器。 - 广播，2002 年，第 10 期。 38、39。
Savchenko V.、Gribova L. 石英谐振器将非电量转换为电量。 - 广播，2004 年，第 2 期，p。 34-36。

作者：V. Savchenko、L. Gribova、伊万诺沃；出版物：radioradar.net

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