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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Un résonateur à quartz convertit des grandeurs non électriques en grandeurs électriques. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Concepteur radioamateur Le résonateur à quartz n'est pas seulement utilisé pour la stabilisation de fréquence et le filtrage des signaux RF. En tant que système oscillant électromécanique de haute qualité, il convient à la mesure de paramètres non électriques dans le contrôle technologique des produits, des produits semi-finis et dans la surveillance de l'environnement. Le convertisseur dissipatif d'énergie mécanique à quartz est réalisé sur la base d'un résonateur à quartz spécialisé, dans lequel l'élément piézoélectrique est recouvert d'une substance sensible à la quantité non électrique mesurée. Le signal électrique de sortie du transducteur est transmis à un appareil de mesure ou à un ordinateur. Les objets de contrôle peuvent être des milieux gazeux, liquides et solides, y compris des cristaux liquides et des biopolymères, et les grandeurs non électriques mesurées peuvent être l'humidité, la température, la conductivité électrique, thermique et lumineuse, les propriétés viscoélastiques, etc. Lorsque le convertisseur est exposé à une quantité non électrique mesurée, la résistance active équivalente du résonateur à quartz change, qui est une mesure de la dissipation (diffusion) des oscillations élastiques du quartz. On sait que le résonateur est un système oscillant électromécanique contenant un élément piézoélectrique, ses électrodes avec des conducteurs et un support. L'élément piézoélectrique est taillé dans un cristal de quartz naturel ou synthétique. Des oscillations électromécaniques dans le résonateur se produisent en raison des effets piézoélectriques directs et inverses inhérents au quartz. Dans l'application principale du résonateur (stabilisation et filtrage des signaux), sa résistance électrique (active) équivalente Ra est dite dynamique et est considérée comme un tout [1]. En fait, il peut être divisé en composants : R0 est la résistance due à la perte d'énergie vibratoire dans le quartz lui-même ; Re - dans les électrodes ; R et - pertes dues au rayonnement ultrasonore; Rc - pour les vibrations couplées ; Ra - pertes dans le titulaire. Lors de l'utilisation d'un résonateur à quartz dans un convertisseur d'énergie, il était nécessaire d'obtenir des formules pour calculer toutes les composantes de la résistance Ra, y compris Rp, qui reflète les pertes supplémentaires dans le revêtement sensible - il est appliqué à la surface de l'élément piézoélectrique pour fournir un signal de sortie informatif proportionnel à la valeur du paramètre non électrique contrôlé [2]. Parallèlement à cela, le convertisseur doit avoir une résistance active constante lors de la modification de paramètres non informatifs. Pour obtenir l'indépendance de Ra par rapport à la température, par exemple, les pertes dues aux oscillations couplées dans le résonateur doivent être exclues, ce qui est obtenu en modifiant la conception des électrodes sur l'élément piézoélectrique [3]. Le calcul des composants selon les formules de [2] a permis de choisir le type de coupe de l'élément piézoélectrique et de déterminer ses dimensions optimales. La coupe DT (yxl/-52 deg) avec des dimensions d'élément piézoélectrique de 14,5x6,1x0,25 mm s'est avérée optimale pour un convertisseur dissipatif d'énergie mécanique à quartz ; fréquence de résonance - 300 kHz, Ra = 236 Ohm (sans revêtement sensible). La valeur du signal informatif du transducteur (changement de résistance active) est déterminée par la formule
où Kpr - facteur de conversion égal à 5416,74 kΩ/kg ; Δ et μ sont l'épaisseur du revêtement sensible et sa viscosité (frottement interne). En utilisant comme revêtement sensible un film de nylon (polyca-proamide), dont le frottement interne dépend de l'humidité de l'air, il a été possible de créer un convertisseur-capteur d'humidité, qui est devenu la base de l'humidimètre [4]. La résistance dynamique du transducteur dans l'air sec (à une humidité relative de 20...30%) est de 1,2 kOhm, et dans l'air humide (90...95%) - 3,265 kOhm, ce qui correspond à une sensibilité d'au moins 26 Ohm/%. L'humidimètre a trouvé une application dans la serre de la ferme d'État de Teplichny (Ivanovo), ainsi que dans les guides d'ondes de la ville d'Ivanovo et des stations de télévision régionales. Notez qu'en hiver, la température dans le guide d'ondes peut descendre jusqu'à -35...45, et en été, elle peut atteindre +45 °C. Fait intéressant, dans les humidimètres d'air VOLNA bien connus, un résonateur à quartz avec un film en nylon sensible à l'humidité est également utilisé comme capteur, mais il utilise la dépendance de la fréquence de résonance du quartz sur la masse du revêtement sensible. Il est difficile de réaliser un tel dispositif de petite taille (de poche), car il doit contenir deux résonateurs à quartz et deux auto-oscillateurs. Le mécanisme de dissipation d'énergie des vibrations élastiques d'un élément piézo dans un résonateur est beaucoup plus compliqué, il est associé à des processus de relaxation dans un revêtement polymère sensible et à la profondeur de pénétration d'une onde élastique dans celui-ci. Pour obtenir une sensibilité optimale à l'humidité, le film polymère appliqué sur l'élément piézoélectrique doit avoir un certain rapport entre sa viscosité et son élasticité, ce qui est obtenu en ajoutant un adhésif rigide phénol-acétate de polyvinyle (BF-2) au nylon visqueux. Notez que certains polymères, qui ont un accroissement de masse important dans un environnement humide, ont une faible dépendance du frottement interne à l'humidité et, par conséquent, ne conviennent pas à un capteur d'humidité en raison de sa faible sensibilité. La conception du transducteur utilisé comme capteur d'humidité de l'air est représentée schématiquement sur la fig. 1]. Sur la plaque piézoquartz 5 de la coupe DT avec une fréquence d'oscillation naturelle de 1 kHz, un revêtement conducteur 300 est appliqué, auquel sont soudés les conducteurs de courant 2. Les emplacements des déplacements maximaux B et de la déformation C sont marqués sur l'élément piézoélectrique. alcool éthylique. Le film sensible à l'humidité 3 sur la surface de la plaque est constitué de couches de polymères avec une sensibilité à l'humidité et une viscoélasticité différentes.
La technologie de superposition est simple. Après application des bandes adhésives, la plaque est séchée à une température de 150 °C pendant 60 ± 10 min pour polymériser l'adhésif. Ensuite, il est plongé dans une solution de colle à 30% dans de l'alcool éthylique et centrifugé à l'air avec une fréquence de rotation de 2000 ... 2500 min "1 autour de l'axe des fils pendant 30 ... 40 s. Sur ce film mince de colle, séchée à l'air, une couche de nylon est appliquée à partir d'une solution à 150% dans l'acide formique.Les films sont à nouveau séchés à une température de XNUMX ° C. Dans ce cas, non seulement la polymérisation de l'adhésif et la diffusion mutuelle de les films se produisent, mais aussi la stabilisation des propriétés du revêtement. Ensuite, une deuxième couche mince de colle est appliquée, séchée à l'air, et une deuxième couche de nylon avec une solution à 3% dans de l'acide formique. La plaque est à nouveau soumise à un séchage à chaud, après quoi le paramètre de sortie du transducteur est vérifié - sa résistance dynamique Rc dans l'air sec. S'il est petit, des couches supplémentaires de colle et de nylon sont appliquées jusqu'à ce que Rc devienne égal à 1,2 ± 0,1 kOhm. La technologie décrite permet d'obtenir des capteurs d'humidité reproductibles en termes de paramètres de fonctionnement. Ils ont une caractéristique de conversion linéaire, une faible inertie et une erreur de température.
Sur la base de ce capteur, un hygromètre de poche (Fig. 2) a été créé, capable de contrôler l'humidité de l'air dans la plage de 20 à 95 % avec une précision de ± 1 %. Le schéma de principe de l'unité de mesure de l'instrument est illustré à la fig. 3.
Le capteur BQ1 est inclus dans l'un des bras du pont auto-équilibré de mesure fonctionnant à une fréquence de 300 kHz, en série avec un élément de compensation contenant la résistance R1, le condensateur C1 et la varicap VD1. La résistance ajustable R5 est utilisée pour régler le mode pont, par exemple lors du remplacement du convertisseur. La sortie du pont à travers le condensateur C2 est reliée à son entrée à travers un amplificateur basé sur les transistors VT1, VT2 et un transformateur de phase T1. La capacité de la varicap VD1 (de la série KV102, KV104 ou similaire) sans fournir de tension continue de commande est maximale et la résistance active à une fréquence de 300 kHz est minimale. Pour cette raison, la résistance active du circuit VD1R1 à une fréquence de 300 kHz est également minimale. De ce fait, la condition d'auto-excitation de l'amplificateur est remplie : la résistance active du bras de mesure du pont est inférieure à la résistance du bras de comparaison, le pont est déséquilibré, sa tension de sortie est maximale. Après amplification du courant par un émetteur suiveur sur un transistor VT3, il entre à l'entrée d'un détecteur réalisé selon un circuit de doublage de tension (diodes VD4, VD5). La tension continue résultante est envoyée à un convertisseur analogique-numérique avec un affichage à cristaux liquides. Le convertisseur et l'indicateur sont fabriqués selon le schéma standard, par conséquent, sur la fig. 3 ne sont pas représentés. La résistance R17 régule les limites d'humidité contrôlée. Le commutateur SB1 sélectionne le mode "Fonctionnement" ou "Tension d'alimentation de commande" (qui est supporté par la résistance R16). Ainsi, simultanément à la réception d'un signal informatif déterminé par une modification de la résistance dynamique du convertisseur, qui, à son tour, dépend de l'humidité, un auto-équilibrage automatique du pont est assuré: la tension haute fréquence de la résistance variable R15 est fourni au détecteur (diodes VD2, VD3) et à travers la résistance R6 à l'élément de compensation (VD1R1C1). La tension constante de sortie du détecteur contrôle la résistance active de l'élément de compensation et la modification de la capacité de la varicap VD1 met en œuvre l'équilibrage automatique du pont. A la mise sous tension, la résistance active de l'élément de compensation est minimale, ce qui assure l'auto-excitation de l'amplificateur due au déséquilibre du pont. Ensuite, une tension de commande constante, en fonction du degré de déséquilibre, modifie la résistance de l'élément de compensation, réduisant la résistance du bras de mesure du pont et la rapprochant de la résistance du bras de comparaison. L'équilibre complet du pont ne se produit pas, puisque dans ce cas les auto-oscillations ne sont pas excitées. Mais avec le gain de l'ampli Ku > 1000, le déséquilibre du pont est négligeable (environ 10 ohms). Ce mode de fonctionnement du pont de mesure confère au convertisseur secondaire une grande stabilité et la sensibilité nécessaire, régulée par la résistance R15. L'appareil est alimenté par une batterie "Krona" (GB1), connectée à l'interrupteur à bascule SA1. Le courant consommé de la source est de 2...3 mA. Le transformateur est réalisé sur un circuit magnétique de taille K12x5x5 à partir de ferrite M1000NM-A. Les enroulements I et II contiennent respectivement 90 et 35 tours de fil PELSHO 0,01. L'enroulement I avec le condensateur C4 forme un circuit résonant accordé à une fréquence de 300 kHz. Avec la mise en phase correcte des enroulements du transformateur, une rétroaction positive se produit. Les convertisseurs dissipatifs d'énergie mécanique à quartz ont trouvé une très large application. Ils sont utilisés pour mesurer les propriétés rhéologiques du sang humain dans le diagnostic de maladies [6], les propriétés viscoélastiques des polymères, déterminer la température des transitions de phase dans les cristaux liquides et d'autres paramètres importants. Notez que la méthode d'étude des revêtements viscoélastiques des plaques de quartz a été développée par nous plus tôt que les scientifiques étrangers. Ils utilisent à cet effet l'élément piézoélectrique de coupure AT, moins informatif que DT. Le magazine "Radio" [7] a publié une photographie d'une exposition de l'exposition radio de toute l'Union utilisée pour indiquer la présence d'eau dans le carburant d'aviation (auteurs V.E. Savchenko et N.I. Lobatsevich, Ivanovo). On sait que l'eau dissoute (des millièmes de pour cent) dans le carburant gèle lorsque la température diminue et, en se précipitant, peut obstruer les filtres à carburant, ce qui peut provoquer un accident d'avion. Cet appareil a été utilisé avec succès sur les aérodromes. Il met en œuvre l'invention [8], qui a marqué le début de l'utilisation des résonateurs à quartz sous vide dans les convertisseurs d'énergie électrique dissipatifs pour contrôler les paramètres de diffusion des diélectriques. De tels dispositifs sont appelés dielcomètres à quartz. De l'examen du circuit équivalent du résonateur à quartz dans [1], on peut voir que lorsqu'il est excité à la fréquence de la résonance série, son inductance dynamique et sa capacité sont mutuellement compensées. Si une LED de capteur capacitif est connectée en série avec le résonateur, le résonateur est désaccordé par rapport à la fréquence de résonance et la résistance dynamique augmente en raison d'une compensation incomplète de la résistance inductive par les capacitifs. Une compensation complète est empêchée par la capacité interélectrode Co du résonateur. La valeur de la résistance active R du circuit résonateur-capteur capacitif peut être calculée par la formule
S'il y a des pertes diélectriques dans le capteur capacitif, déterminées par la résistance Rd, la résistance active du capteur Ra.d doit être ajoutée à la résistance R, qui est associée à la dissipation de l'énergie du champ électrique dans un environnement contrôlé où le le capteur est situé :
La compensation partielle de la résistance capacitive du capteur par la résistance inductive du résonateur permet de mesurer de très faibles pertes actives dans les diélectriques. Les dispositifs connus à circuits oscillants contenant une bobine et un condensateur ne permettent pas de contrôler de manière fiable les petites pertes diélectriques. Ainsi, le Q-mètre E4-7 à une fréquence de 50 kHz peut mesurer la résistance active de pas plus de 100 MΩ et avec une erreur de ± 5 %. La détermination de la résistance active à l'aide d'un transducteur dissipatif ne nécessite pas de réglage manuel de la résonance. Le pont de mesure s'auto-équilibre automatiquement de la même manière que décrit ci-dessus (fig. 3). Il peut facilement contrôler la résistance active jusqu'à 10 GΩ avec une erreur ne dépassant pas ± 1 % avec une capacité de capteur de 4 pF à une fréquence de 50 kHz. Avec un capteur de 1 pF, il sera possible de mesurer des résistances de perte supérieures à 100 GΩ. Ainsi, le transducteur décrit élargit considérablement les possibilités d'étudier de nouveaux matériaux à faibles pertes. Sur sa base, les humidimètres à quartz VK-2 ont été créés et adoptés par la Commission d'État, qui sont utilisés dans la production textile pour contrôler et réguler l'humidité des matières textiles en mouvement et des produits semi-finis. Contrairement aux appareils étrangers à usage similaire de Mahlo, l'humidimètre VK-2 contrôle avec une grande précision la teneur en humidité des matériaux en fibres synthétiques, qui se caractérisent par une faible absorption d'humidité et des pertes diélectriques. Dans le dispositif VK-2, il n'y a pas de rouleau avec un contact brosse roulant sur le tissu. Il est remplacé par un condensateur à air d'une capacité d'environ 150 pF, formé d'un cylindre fixe relié à l'instrument et d'un cylindre roulant sur le matériau testé. Entre les cylindres, il y a un entrefer d'environ 0,5 mm. La modernisation récente de l'humidimètre avec le passage à une nouvelle base élémentaire a permis d'améliorer ses caractéristiques. Le nouveau dispositif IVK-4 simplifie la procédure de fonctionnement. Un appareil portable a été développé pour contrôler la teneur en humidité des matériaux en vrac, par exemple les céréales, les graines de concombres, les tomates, etc. Il contrôle la teneur en humidité de ces objets dans la plage de 2 à 30%. L'erreur absolue ne dépasse pas ±1 % à une humidité jusqu'à 15 % et ±1,5 % à 15 % et plus. L'utilisation d'un capteur inductif dans un transducteur dissipatif a permis de créer un détecteur de défauts pour détecter les défauts cachés dans les plastiques renforcés de fibres de carbone utilisés dans d'importantes installations industrielles. Des résultats importants ont été obtenus dans l'étude à l'aide d'un transducteur de résistance active à la glace, qui a confirmé la possibilité d'enregistrer non seulement l'eau dans le carburant liquide, mais également la glace à des températures allant jusqu'à -50 °C. littérature
Auteur: V.Savchenko, L.Gribova, Ivanovo
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