Подстройка кварцевых резонаторов: Как изменить частоту кварцевого резонатора | Электронные схемы

Содержание

Как изменить частоту кварцевого резонатора | Электронные схемы

кварцевые резонаторы на частоту 27МГц и 3.579МГц

Есть такая проблема,что нужен кварцевый резонатор на определенную частоту,но такого кварца нет а есть кварц,частота которого на несколько десятков или сотен килогерц выше или ниже нужной частоты.Чтобы изменить частоту кварца,есть два способа:первый способ без переделки резонатора и с переделкой.

Чтобы контролировать частоту резонатора,для этого к выходу генератора,частота которого стабилизирована резонатором,подключил пробник,который мне покажет частоту генератора.Кварц взял на 27МГц,пробник показывает частоту 26.998МГц. Мне надо переделать кварц на частоту 27.135кГц,то есть поднять частоту на 135кГц.

генератор с кварцевым резонатором на одном транзисторе

Чтобы поднять частоту резонатора вверх на 3-4кГц,для этого надо последовательно кварцу подключить подстроечный конденсатор небольшой емкости.

поднять частоту кварцевого резонатора конденсатором

Понизить частоту кварца вниз на 3-4кГц можно катушкой индуктивности.

изменить частоту кварцевого резонатора катушкой индуктивности

А теперь метод электролиза.С его помощью можно изменять частоту кварца на десятки и сотни кГц,но для начала надо узнать,из чего состоит кварцевый резонатор.Если снять корпус,можно увидеть кварцевую пластину с распыленными металлическими кругляшками, от которых отходят две проволочки соединенные с выводами.На частоте 27МГц,пластина будет колебаться 27 миллионов раз в секунду.Чтобы увеличить частоту этих колебаний,надо уменьшить металлический слой кругляшек,чтобы частоту уменьшить,надо нарастить металлический слой кругляшек. Это поможет сделать метод электролиза.

что внутри кварцевого резонатора из чего он состоит

Корпус с торца резонатора надо сточить напильником.Подготовить серебряный электрод,допустим из одного звена цепочки и токоограничивающий резистор сопротивлением 820 Ом,включенный в плюс или минус питания.Для повышения частоты кварца,надо соединить два вывода резонатора и их подключить на плюс,а электрод на минус.

как изменить частоту кварцевого резонатора

Наливаем обычной воды в корпус резонатора,окунаем в раствор серебряный электрод на несколько секунд.В моем случае,семь секунд реакции повышают частоту кварца примерно на 15 кГц.

электролиз кварцевого резонатора

Чтобы уменьшить частоту кварцевого резонатора,надо поменять полярность питания.

После просушки резонатора,вновь его припаял к генератору и его частота увеличилась на 13кГц. Было 29.998кГц а стало 27.011кГц.

увеличиваю частоту кварцевого резонатора

Еще двадцать секунд электролиза.Частота поднялась на 36кГц.

как изменить частоту кварцевого резонатора своими руками

И вот наконец,чуть подогнал до частоты которая мне нужна,27.135кГц. Эта частота для связи с дальнобойщиками.

Проверил стабильность резонатора после переделки,оставив генератор работать на всю ночь.Никаких изменений в стабильности работы не произошло.Также проверил,что будет если просто налить воды в резонатор на несколько секунд и потом высушить.Никаких изменений в уходе частоты не произошло.

кварцевый резонатор почти на 27.135кГц для связи с дальнобойщиками

Проверка кварцевых резонаторов. – Измерительная техника – Инструменты

ПРОВЕРКА ДЛЯ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

С помощью этого пробника можно не только проверить работоспособность кварцевого резонатора, но и определить его основную резонансную частоту. Пробник представляет собой типовую схему кварцевого генератора на транзисторе. Кварцевый резонатор включается между базой транзистора и общим минусом. Конденсатор С1 служит для защиты от случая при коротком замыкании в неисправном кварцевом резонаторе. Хотя, такой уж большой необходимости в этом конденсаторе нет, и его можно убрать. Вообще, этот конденсатор здесь есть для того, чтобы данный пробник можно было использовать не только для проверки кварцев, но и для предварительной настройки LC-контуров.

При подключении резонатора схема переходит в режим генерации и на эмиттере VT1 появляется переменное напряжение по частоте равное основной резонансной частоте проверяемого кварцевого резонатора. Подключенный частотомер покажет эту частоту. Частота должна быть стабильной и не изменяться существенно от легких ударов по корпусу резонатора или его небольшого нагрева (от поднесения к нему паяльника). Если резонатор не исправен генерации не будет или будет, но нестабильная или совсем не на той частоте.

Этот же пробник можно использовать и для предварительной настройки LC-контуров на необходимую частоту. Правда, при этом в схеме должен быть С1. Просто подключаете LC-контур вместо резонатора. Генератор начинает работать и генерировать частоту настройки контура. Далее, подогнать контур на нужную частоту можно соответствующей подстройкой его L и С параметров.

Пробник хорошо работает на частотах до 15-20 МГц. На более высокой частоте генерация может и не возникнуть даже при исправном резонаторе.

Пробник для определения работоспособности кварцевых резонаторов. Он не меряет их рабочую частоту, а всего лишь определяет способность к резонансу и поддержанию колебаний.

Мы продолжаем публиковать цикл статей о проверке различных радиоэлементов, и сегодня рассмотрим проверенный тестер кварцев. У многих имеется немало различных кварцевых резонаторов (кварцев), которые трудно определить – рабочие они или нет. Обычным мультиметром их не померять, а при установке в собранную схему возникает подозрение – или устройство спаяли неправильно, или нерабочий сам кварц. Поэтому будет не лишним потратить немного времени и смастерить этот пробник, с высокой долей вероятности определяющий работоспособность кварцевых резонаторов на практически любые частоты.

Принципиальная схема пробника кварцевых резонаторов

На транзисторе VT1 собран генератор задающим частоту которого элементом является проверяемый кварцевый резонатор. Когда испытуемый кварц подключен, генератор запускается на частоте его основного резонанса (а ведь на некоторых пишут частоты гармоник). Сигнал от генератора проходит через конденсатор с3 (чтобы отфильтровать постоянную составляющую) и попадает на аналоговый частотомер переменного напряжения на элементах VD1, VD2, c4, R3 и микроамперметре. Это именно простейший аналоговый частотомер, так как в зависимости от частоты прямо пропорционально изменяется действующее на с4 напряжение, то есть чем выше частота резонанса кварца, тем выше на нём напряжение. Данным пробником можно не только определить работоспособность кварцевого резонатора, но и примерно определить частоту его основного резонанса, т.к. на некоторых пишут частоту гамоники (например третей). То есть на резонаторе, например, написано 27 Мгц, а реальная частота резонанса может оказатся 9МГц. Есть разница?

Этим пробником я успешно проверял многие кварцевые резонаторы на частоту от 3МГц до 25МГц. Схему собрал и испытал Андрей Жданов (Мастер665).

Russian HamRadio – Настройка точности хода кварцевых часов.

Применение кварцевых резонаторов в электронных часах не всегда обеспечивает желаемую точность хода. Предлагаемая доработка сделает ход часов точнее. Подстройка точности хода часов с помощью частотомера крайне неудобна, занимает много времени и требует достаточно высокой квалификации.

Поэтому я предлагаю простое устройство, которое не требует перестройки кварцевого генератора, а всего лишь компенсирует погрешность один раз в сутки. При этом не требуются никакие приборы, достаточно одной отвертки. На практике устройство оказалось весьма эффективным. После первого шага подстройки погрешность хода настольных часов “Электроника-18” составила всего лишь 1 с в месяц.

Рис.1.

Компенсатор (рис. 1) предназначен для работы в часах, выполненных на микросхемах серии К176 [1]. Ежедневно в 00 часов 00 минут на выводе 3 микросхемы К176ИЕ13 появляется короткий импульс низкого уровня длительностью 250 мс.

Он служат для пересчета дней недели в часах с календарем. Этот сигнал поступает на вход одновибратора, выполненного на таймере DA1.

Одновибратор запускается и формирует на выходе (вывод 3) импульс высокого уровня. Длительность его определяется времязадающей цепью R1R2C1. Используя конденсатор С1 с малым током утечки, на микросхеме КР1006ВИ1 можно получить длительность импульсов с высокой точностью. В предлагаемом устройстве погрешность составляет не более 0,3% во всем диапазоне длительности формируемых импульсов от 0,45 с до 5,6 с.

Сигнал с выхода одновибратора поступает на вход коррекции микросхемы К176ИЕ13 (вывод 6) и производит обнуление минут и секунд. Этот же сигнал обнуляет и счетчик К176ИЕ12 (на схеме это соединение не показано), что подстраивает его с точностью до фазы секундных импульсов. В зависимости от длительности импульса, которая определяется положением движка подстроечного резистора R2, будет меняться и величина коррекции часов.

Рис.2.

Диод VD1 служит для развязки. Конденсатор С2 позволяет избежать влияния внешних помех и пульсаций напряжения питания на точность работы таймера [2].

Устройство потребляет ток не более 4 мА при напряжении питания 9 В. Напряжение питания может быть в пределах от 5 до 16,5 В [2].

Компенсатор собран на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита (рис. 2).

Постоянный резистор R1 — МЛТ, подстроечный резистор R2 СПЗ-29ВМ. Конденсатор С1 — К73-17, С2 — К10-7 или KM. VD1 — любой маломощный диод.

Длина соединительных проводов должна быть не более 10…15см. Печатную плату крепят к часам с помощью двух резьбовых втулок винтами М2,5. Крышка спаяна из односторонне фольгированного гетинакса толщиной 1 мм. Ее крепят к плате винтом через резьбовую втулку.

Для того чтобы точность хода можно было регулировать как в плюс, так и в минус, кварцевый генератор настраивают с помощью частотомера на частоту не 32768 Гц, как обычно, а на частоту 32769 Гц, чтобы часы заведомо спешили на 2…3 с в сутки. Если же часы спешат, то специально увеличивать частоту генератора не нужно. Настройку лучше производить путем измерения периода секундных импульсов с дискретностью 1 мкс. Значение периода должно быть 999970 ±5 мкс. Это достаточно грубая настройка –

она не требует длительного прогрева частотомера и часов, поэтому много времени не занимает.

При среднем положении движка резистора R2 указанная частота кварцевого генератора соответствует минимальной погрешности на момент настройки. В крайних положениях движка часы корректируются на +2,5 с или -2,5 с в сутки.

С помощью частотомера в режиме измерения длительности импульса всю окружность резистора R2 нужно разбить на деления с шагом 0,5 с в сутки. Таким образом, например, если за 10 суток часы отстали на 5 с, то для их коррекции нужно повернуть движок в сторону плюса (влево по схеме) на одно деление.

Процесс подстройки хода часов заключается в следующем. Установите движок R2 в среднее положение. В определенное время, например, в 18 ч 00 мин нажмите кнопку коррекции часов по сигналам точного времени. Через 10 суток в 18 ч 00 мин зафиксируйте, на сколько секунд ушли часы. Разделите это значение на 5, и вы получите количество делений, на которое нужно повернуть движок резистора R2.

С небольшой доработкой предлагаемый электронный блок можно применить в любых часах, где есть будильник и кнопка обнуления секунд. В этом случае запуск одновибратора будет происходить по сигналу будильника.

Д. Каширских

Литература

1. Бирюков С. А. Электронные часы на МОП интегральных микросхемах. — М.: Радио и связь, 1993.

2. Коломбет Е. А. Таймеры. — М.: Радио и связь, 1983.

Выбор типа тактового генератора | others

Постоянный рост требований к электронике (она усложняется, миниатюризируется, у неё снижается энергопотребление) диктует необходимость использования маломощных, миниатюрных и надежных радиоэлектронных компонентов. Точная и стабильная тактовая частота требуется для большинства встраиваемых систем – от мобильных телефонов до бортовых систем автомобиля.

Для поддержания частоты на заданном значении имеется несколько различных методов, в них применяются разные компоненты, и каждый метод отличается по стабильности, размеру и стоимости. Ниже в сравнительной таблице приведены эти методы, которые определяют тип генератора тактовой частоты системы.

Тип	Символическое обозначение	Цена	Габариты	Подстройка	Допуск по частоте	Стабильность во времени
LC		Невысока	Большие	Требуется	±2%	Невысокая
RC		Маленькая	Очень маленькие	Требуется	±2%	Плохая
Кварцевый резонатор		Значительная	Средние	Не требуется	±0.001%	Отличная
Керамический резонатор		Невысока	Маленькие	Не требуется	±0.5%	Отличная

Самым популярным методом стабилизации частоты является применение кварцевого резонатора (часто называемый просто “кварц”).

Кварцы обладают очень высокой добротностью, идеально подходящей для стабилизации частоты генератора, и они имеют также высокую стабильность по температуре и времени эксплуатации. Обычный допуск на частоту кварца ±10 ppm [2] при окружающей температуре 25°C. При изменении температуры от -30 до 85°C сохраняется точность частоты ±10 ppm. В качестве примеров подобных кварцев можно привести серии кварцевых резонаторов XRCFD/XRCMD компании Murata.

Размер корпуса может быть ключевым фактором при выборе типа кварца. Поскольку резонансная частота кварцевой платины зависит, кроме типа среза, также и от размера пластины, то в результате имеются ограничения на минимальный размер компонента кварцевого резонатора. Производители выпускают кварцы различных типов, чтобы удовлетворить всем специфичным требованиям от приложений на рынке. Например, различают варианты стабилизации частоты кварцев VCXO, TCXO, OCXO и другие, при которых рабочая температура кварца поддерживается на постоянном уровне, выше температуры окружающего воздуха.

Voltage-Controlled Crystal Oscillator

В этом генераторе используется постоянное напряжение для управления частотой генератора относительно некоторого среднего значения. Может применяться для частотной модуляции сигнала, или для стабилизации частоты. Принцип работы основан на изменении емкости варикапа, который в незначительных пределах может повлиять на частоту.

Temperature warming Crystal Oscillator

В этом генераторе применена система температурной компенсации ухода генерируемой частоты. Частотозадающий элемент имеет управляемый подогрев, при этом требуется, чтобы температура подогреваемого элемента была выше, чем температура окружающей среды. Компенсация может разделяться на аналоговую и цифровую, в результате из-за обратной связи по температуре получается требуемая компенсационная характеристика.

Oven Controlled Crystal Oscillator

В этом генераторе поддерживается стабильная температура частотозадающего элемента, чем достигается стабильность генерируемой частоты.

Simple Crystal Oscillator

Это самый простой, самый распространенный тип кварцевого генератора – кварцевая пластина с определенными геометрическими размерами, снабженная электродами и помещенная в (обычно металлический) корпус.

Digital Temperature Compensation Crystal Oscillator

В этом генераторе применена система стабилизации частоты, построенная по цифровому принципу регулирования.

Crystal Filter

Фильтрующий по частоте элемент, построенный на основе кварца.

Другим методом стабилизации частоты является использования механического резонанса керамики. Керамические резонаторы также имеют высокую стабильность частоты, обычно ±0.1% от номинала. Керамические резонаторы обычно в 2 раза меньше по размеру, чем кварцевые на ту же частоту. Например, компонент Murata CSTCE для монтажа на поверхность (SMD) имеет размеры 3.2 x 1.3 x 0.9 мм, типичную стабильность частоты ±0.1% и температурную стабильность ±0.08% в диапазоне от 0 до 70°C.

Керамические резонаторы имеют разные характеристики режимов генерации в зависимости от рабочей частоты. Низкочастотные резонаторы – в диапазоне от 100 кГц до 1000 кГц – обычно используют режим расширения, в то время как частоты выше нескольких МГц для генерации используют режим сдвигового колебания толщины. Конструкция керамических резонаторов очень удобна для массового производства, поэтому керамические резонаторы стоят намного дешевле кварцевых.

Когда инженер выбирает тип организации тактового генератора, ему нужно учесть несколько технических критериев. Понятно, что главный критерий – рабочая частота. Тип микросхемы, которая генерирует тактовую частоту, и в некоторых случаях особенности приложения будут однозначно определять выбор резонатора. Инженерам следует избегать нестандартных техник, поскольку это может значительно повлиять на время выполнения заказа и обычно на стоимость.

Во многих случаях функции приложения (назначение разрабатываемого электронного прибора), где применяется тактируемое устройство, будут диктовать степень точности тактовой частоты. Например, набор стандартов передачи данных по сети IEEE802.1 требует высокой точности. Также для некоторых специальных разработок, наподобие роутеров Wi-Fi, беспроводных трансиверов и/или микроконтроллеров производители могут предусмотреть много определенных вариантов выбора резонатора на основе ранее сертифицированных проектов.

Другой критический фактор, влияющий на выбор резонатора – ограничения на доступную площадь печатной платы. На стабильность частоты и точность значительно влияют размер и форма резонатора. На это также влияет и на стоимость устройства. Таким образом, нужно выбрать качественный баланс между рабочими спецификациями и стоимостью списка материалов (BOM, Bill Of Materials).

Другие соображения для выбора резонатора могут включать класс устройства и энергопотребление. Класс устройства обычно касается диапазона рабочих температур резонатора. В основном резонаторы могут быть доступны в двух типах: один для общих потребительских приложений, другой для автомобильной электроники. Понятно, что рыночные стандарты и профили варианта использования определят вероятные рабочие температуры и окружение конечной разработки. Компоненты, предназначенные для использования в автомобильной технике имеют расширенный диапазон рабочих температур, и также подходят для жестких условий эксплуатации с точки зрения влажности воздуха, попадания влаги, вибрации. Обычный диапазон рабочих температур для автомобильной техники от –40 до 125°C.

Соображения снижения энергопотребления становятся все более важными, особенно для носимых приложений, устройств, встраиваемых в одежду, как например персональные мониторы состояния организма для фитнесса. Выбор устройства для стабилизации частоты может повлиять на энергопотребление. Частота тактируемого устройства обычно прямо пропорционально энергопотреблению. Обычно говорят, что снижение тактовой частоты также позволяет снизить энергопотребление.

Как только поставщики и даташиты были просмотрены для получения сведений по основным эксплуатационным характеристикам, инженер может сфокусироваться на разработке схемы генератора. Обычно узел генератора состоит из усилителя, чаще всего построенного на инверторах CMOS. В схему усилителя входят резистор обратной связи, демпфирующий резистор и два внешних нагрузочных конденсатора.

Ниже на рисунке показан пример такой схемы. Резистор обратной связи подключен к инвертеру CMOS параллельно. Часто как весь усилитель, включая инвертер и дополнительные резисторы, интегрированы в схему микроконтроллера, наружу из корпуса выведены только выводы для подключения кварцевого резонатора и внешних нагрузочных резисторов. Резистор обратной связи вводит инвертор CMOS в активный режим усиления – выходное напряжение пытается балансировать возле среднего значения, и возникают условия для возникновения генерации. При наличии частотозадающего элемента в виде керамического или кварцевого резонатора генерация возникает на определенной частоте. Когда резистор обратной связи не встроен в микроконтроллер (это бывает редко), то обычно используется внешний резистор номиналом около 1 МОм.

Демпфирующий резистор подключен к выходной цепи узла генератора. Он нужен, чтобы ослабить амплитуду колебаний для снижения нагрузки и уменьшения энергопотребления. При выборе этого резистора нужен компромисс, потому что слишком большая величина резистора может привести к слишком большому затуханию, так что генерация может прекратиться. Демпфирующий резистор обычно выбирают в диапазоне от 0 до 2 кОм, однако его выбор также зависит от электрических характеристик тактируемого микроконтроллера.

Внешние нагрузочные конденсаторы подключены на входе и выходе узла генератора, и их емкость должна быть тщательно подобрана. Эти конденсаторы составляют важную часть схемы, которая влияет на отрицательное сопротивление и частоту генерации. Эти конденсаторы бывают в диапазоне от 5 до 22 пФ, но их рекомендуемая величина зависит от характеристик микроконтроллера, свойств кварцевого резонатора и паразитной емкости монтажа.

Когда проектируется разводка печатной платы для узла генератора, особенное внимание должно быть уделено снижению емкости монтажа и снижению электромагнитных помех. Длина сигнальных проводников должна быть как можно меньше, особенно той цепи, которая подключена ко входу усилителя генератора – чтобы минимизировать паразитные емкость и индуктивность. Нежелательно использовать сквозные отверстия для монтажа деталей генератора, потому что это увеличивает размеры узла, и увеличивает уровень электромагнитных помех. Кроме того, сигнальные проводники генератора не нужно располагать на внутренних слоях многослойной платы, так как это увеличивает паразитную емкость, и затрудняет диагностику генератора. Слишком большая паразитная емкость может остановить колебания генератора. Если сигнальные проводники будут проходить близко ко входу какого-нибудь инвертера CMOS, то это может также генерировать помехи, потому что через паразитную емкость может проходить высокочастотный сигнал.

[Ссылки]

1. An engineer’s guide to selecting and using a resonator site:newelectronics.co.uk.
2. Что такое ppm для частоты кварца?

Кварцевые резонаторы, что это такое и где они применяются?

Смотрите также обзоры и статьи:

Кварцевые резонаторы, что это такое и где они применяются?

Наверняка каждый радиолюбитель слышал о таком радиокомпоненте, который называют «кварцем». Что же это за компонент? У многих «кварц» ассоциируется с минералом природного происхождения, но ведь никто не вставляет в устройство целый кварцевый кристалл. Так что же это а компонент, как он устроен и где применяется?

Что такое кварц и как он работает?

Кварц — жаргонное название радиокомпонента, который называется кварцевым резонатором. Основа такого радиокомпонента — кварцевая (или керамическая) пластина, на которой находится два электрода. Под действием тока пластина начинает деформироваться, порождая вибрации определенной частоты. Частота и тип вибрации зависит о типа кристалла (его размеров, формы, толщины), количества электродов, нанесенных на кристалл, а также напряжения и силы тока, которые на него поступают.

Кстати, кварцевые резонаторы способны генерировать противо-ЭДС, что делает их схожими с катушками индуктивности, которые работают в колебательном контуре. Если же частота колебаний подаваемого напряжения равна частоте механических колебаний резонатора, затраты энергии на поддержание работы резонатора значительно снизятся.

Применение кварцевых резонаторов

Если разобрать простые «кварцевые» часы, Вы наверняка найдете в них… кварцевый резонатор. Кварцевые резонаторы с частотой 32768 Гц установлены во всех кварцевых часах. Они выравнивают частоту колебательного контура, которая в свою очередь поступает на двоичный счетчик, а он передает импульсы шаговому двигателю.

Также кварцевые резонаторы являются составным компонентом генераторов тактовых импульсов, которые в свою очередь широко применяются в современной цифровой технике. Преимущества и недостатки перед аналогичными устройствами:

Кварцы могут иметь очень маленький размер, вплоть до долей миллиметра. Это позволяет применять их даже в самых миниатюрных устройствах и современных гаджетах.
Современные кварцевые резонаторы имеют невероятно большой срок службы.
Также, кварцевые резонаторы имеют высокую температурную стабильность. Даже при высоком нагреве при работе устройства, они будут нормально функционировать.
С помощью кварцевых резонаторов можно строить эффективные и недорогие каскадные фильтры, которые совершенно не требуют ручной настройки.
Технология изготовления кварцевых резонаторов весьма простая и эффективная.

Помимо такого огромного набора преимуществ, у кварцевых резонаторов есть и недостатки. Точнее всего один:

Весьма узкий диапазон подстройки частоты внешними устройствами. Для создания многодиапазонных систем приходиться собирать синтезаторы частоты различной степени сложности.

Типы кварцевых генераторов Кварцевые генераторы различаются по типу корпуса, а также по частоте, которую они способны выдавать. Основных типов корпуса не так много:

HC-49S — прямоугольные низкие кварцы.
HC-49U — прямоугольные, как и предыдущие, но более высокие.
HC-49SM — могут иметь форму как и две предыдущие группы, но предназначены для поверхностного монтажа.
DIP — прямоугольный корпус с четырьмя выводами.
Цилиндры — просто цилиндрический корпус с двумя выводами. Такие кварцевые резонаторы могут иметь самый разный размер.

Опубликовано: 2020-04-24 Обновлено: 2021-08-30

Автор: Магазин Electronoff

ПОДХОДЯЩИЕ ТОВАРЫ

Поделиться в соцсетях

Кварцевый резонатор – это… Что такое Кварцевый резонатор?

Кварцевый резонатор в кристаллодержателе

Кварцевый резонатор, жарг. кварц — прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.

Несмотря на то, что вместо кварца часто используются и другие пьезоэлектрики, например, керамика (Керамический резонатор), прилагательное «кварцевый» является общеупотребительным для всех таких устройств^{[источник не указан 298 дней]}.

Принцип действия

На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски.

Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.

При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла.

Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура.

Эквивалентная схема

Условное обозначение кварцевого резонатора (сверху) и его эквивалентная схема (снизу)

C₀ — собственная ёмкость кристалла, образуемая кристаллодержателем и/или обкладками резонатора.

C₁, L₁ — эквивалентная ёмкость и индуктивность механической колебательной системы резонатора.

R₁ — эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы.

История

Кварцевый резонатор в герметичном стеклянном корпусе пальчикового бесцокольного исполнения Резонатор на 4 МГц в миниатюрном металлическом герметизированном корпусе HC-49/US Металлические корпуса разнообразных размеров

Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 г. Поль Ланжевен впервые использовал этот эффект в часовом резонаторе гидролокатора перед первой мировой войной. Первый кристальный резонатор, работающий на сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя это оспаривалось Уолтером Гейтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовил кварцевый резонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы вводились позже Льюисом Эссеном и Джорджом Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).

Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—30-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 000 ед.

Применение

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделённая на 15-разрядном двоичном счётчике, даёт интервал времени в 1 секунду.

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.

Преимущества перед другим решениями

Достижение намного больших значений добротности (10⁴−10⁶) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.
Малые размеры устройства (вплоть до долей мм).
Большая температурная стабильность.
Большая долговечность.
Лучшая технологичность.
Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

Недостатки

Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. Практически для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частоты различной степени сложности.

См. также

Примечания

Ссылки

Литература

Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. — М.: «Энергия», 1970. — 488 с. — 6000 экз.

Альтшуллер Г. Б. Кварцевая стабилизация частоты. — М.: «Связь», 1974. — 272 с. — 5600 экз.

Андросова В. Г., Банков В. Н., Дикиджи А. Н. и др. Справочник по кварцевым резонаторам / Под ред. П. Г. Позднякова. — Связь, 1978. — 288 с. — 15 000 экз.

Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — 232 с. — 10 000 экз.

Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объёмных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение: Пер. с чешск. — М.: Мир, 1990. — 584 с. — 4050 экз. — ISBN 5-03-001086-6

Ладик А. И., Сташкевич А. И. Изделия электронной техники. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1993. — 104 с. — 3000 экз. — ISBN 5-256-01145-6, ISBN 5-256-00588-X

Кварцевый генератор и резонатор: особенности и отличия

Братья Пьер и Жак Кюри еще в девятнадцатом веке открыли интересную особенность некоторых твердых кристаллов, например кварца. Она заключается в их способности вырабатывать электродвижущую силу при сжатии или напряжении, и наоборот, изменять свои размеры под действием электрического тока. Эта особенность известна под термином «пьезоэффект» и применяется во многих областях науки и техники. На ее основе построены и многие электронные компоненты современных цифровых и радиоприборов.

Немного об устройстве кварцевых генераторов и резонаторов

Эти элементы имеют широкое применение в системах:

передачи информации;
навигации;
радиолокации;
связи;
телеметрии;
вычислительной техники.

В них они служат источниками импульсов с высокой степенью стабильности, обеспечиваемой использованием в качестве резонатора кристалла кварца, от чего и получили свое название. Частота колебаний зависит от его размеров, формы, упругости, а также величины «пьезоэлектрической постоянной».

Электронный компонент состоит из кристалла, помещенного между двумя металлическими пластинами. Частота излучения импульсов имеет прямую зависимость от толщины кварцевой прослойки: чем она больше, тем ниже показатель.

На основе такого резонатора строится работа еще одного электронного устройства – генератора. Он, в свою очередь, способен производить различного вида колебания определенной частоты. При этом для подстройки кварцевого генератора в схему добавляется несколько элементов в виде пары конденсаторов, инвертора и резистора. Для получения различной частоты их параметры можно изменять, благодаря чему рабочие колебания способны находиться в диапазоне от 10 килогерц до 1 МГц. Таким образом, кварцевый резонатор является основным элементом одноименного генератора.

Последний способен выдавать два вида сигнала: синусоидальный и прямоугольный, причем чаще всего используется последний. А его стабильная частота требуется для работы многих более сложных радиотехнических и электронных устройств. Именно ее использование обеспечивает различным микропроцессорным узлам надежность и устойчивость работы.

Страница не найдена | SiTime

Описание:

Устройство очистки джиттера MEMS с 10 выходами, низкий уровень джиттера

Описание:

Низкий джиттер, сетевой синхронизатор MEMS с 8 выходами

Описание:

Низкий джиттер, сетевой синхронизатор MEMS с 11 выходами

Описание:

Генератор тактовых сигналов МЭМС с низким уровнем джиттера, 10 выходов

Описание:

Стандартная частота ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный XO

Описание:

От 1 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный XO

Описание:

От 220 до 625 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный XO

Описание:

Дифференциал со сверхнизким джиттером стандартной частоты XO

Описание:

От 1 до 220 МГц, дифференциал со сверхнизким джиттером XO

Описание:

От 220 до 725 МГц, сверхнизкий дифференциал джиттера XO

Описание:

Дифференциальный XO со сверхнизким джиттером для стандартных сетевых частот

Описание:

Дифференциальный XO с низким джиттером для стандартных сетевых частот

Описание:

3.От 57 до 77,76 МГц, маломощный генератор

Описание:

от 1 до 110 МГц, генератор SOT23

Описание:

от 115 до 137 МГц, генератор SOT23

Описание:

от 1 до 110 МГц, маломощный генератор

Описание:

от 115 до 137 МГц, маломощный генератор

Описание:

Осциллятор от 1 до 80 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm

Описание:

Осциллятор от 80 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm

Описание:

Высокотемпературный генератор стандартной частоты

Описание:

От 1 до 110 МГц, высокотемпературный (от -40 до + 125 ° C) Генератор SOT23

Описание:

от 115 до 137 МГц, высокотемпературный (от -40 до + 125 ° C) Генератор SOT23

Описание:

от 1 до 110 МГц, широкий диапазон температур (от -55 до + 125 ° C) Генератор SOT23

Описание:

от 119 до 137 МГц, широкий диапазон температур (от -55 до + 125 ° C) Генератор SOT23

Описание:

1–110 МГц, широкотемпературный осциллятор AEC-Q100 SOT23

Описание:

от 115 до 137 МГц, осциллятор SOT23 AEC-Q100 с широким диапазоном температур

Описание:

От 1 до 110 МГц, высокотемпературный осциллятор (от -40 до + 125 ° C)

Описание:

от 115 до 137 МГц, высокотемпературный осциллятор (от -40 до + 125 ° C)

Описание:

От 1 до 110 МГц, широкий температурный осциллятор (от -55 до + 125 ° C)

Описание:

от 119 до 137 МГц, широкий температурный осциллятор (от -55 до + 125 ° C)

Описание:

1–110 МГц, широкотемпературный осциллятор AEC-Q100 (от -55 до + 125 ° C)

Описание:

от 115 до 137 МГц, широкотемпературный осциллятор AEC-Q100 (от -55 до + 125 ° C)

Описание:

От 1 до 220 МГц, AEC-Q100 Дифференциальный XO со сверхнизким джиттером

Описание:

От 220 до 725 МГц, AEC-Q100 Дифференциальный XO со сверхнизким джиттером

Описание:

от 1 до 150 МГц, генератор с расширенным спектром AEC-Q100

Описание:

От 1 до 220 МГц, дифференциальный генератор с расширенным спектром

Описание:

От 1 до 110 МГц, маломощный генератор с расширенным спектром

Описание:

от 1 до 141 МГц, осциллятор с расширенным спектром

Описание:

Дифференциал со сверхнизким джиттером от 1 до 220 МГц VCXO

Описание:

Дифференциал со сверхнизким джиттером, от 220 до 725 МГц, VCXO

Описание:

Стандартная частота VCXO

Описание:

от 1 до 80 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm VCXO

Описание:

от 80 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm VCXO

Описание:

Программируемый генератор I2C / SPI от 1 до 340 МГц

Описание:

Программируемый осциллятор I2C / SPI от 340 до 725 МГц

Описание:

от 1 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm XO с цифровым управлением

Описание:

От 1 до 220 МГц, дифференциальный XO с цифровым управлением

Описание:

От 220 до 625 МГц, дифференциальный XO с цифровым управлением

Описание:

от 1 до 26 МГц, сверхмалый µPower DCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, Stratum 3E OCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, Stratum 3E DCOCXO

Описание:

± 0.5 страниц в минуту Super-TCXO для GNSS / GPS

Описание:

от 1 до 60 МГц, от ± 0,5 до ± 2,5 ppm Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, ± 0.От 5 до ± 2,5 частей на миллион Super-TCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, Stratum 3 Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, Stratum 3 Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, ± 0.От 5 до ± 2,5 частей на миллион AEC-Q100 Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, от ± 0,5 до ± 2,5 ppm AEC-Q100 Super-TCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, ± 0.От 1 до ± 2,5 частей на миллион AEC-Q100 Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, от ± 0,1 до ± 2,5 ppm AEC-Q100 Super-TCXO

Описание:

Стандартная частота ± 5 ppm (VC) TCXO

Описание:

от 1 до 80 МГц, ± 5 ppm (VC) TCXO

Описание:

От 1 до 220 МГц, ± 5 ppm Дифференциальный (VC) TCXO

Описание:

От 220 до 625 МГц, дифференциал ± 5 ppm (VC) TCXO

Описание:

от ± 2 до ± 10 ppm TCXO малой мощности, от 10 до 60 МГц

Описание:

от 1 до 60 МГц, ± 0.От 5 до ± 2,5 частей на миллион Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, от ± 0,5 до ± 2,5 ppm Super-TCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, ± 0.Точность от 1 до ± 0,25 ppm Super-TCXO

Описание:

От 1 до 60 МГц, точность ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, точность ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, ± 0.Точность от 1 до ± 0,25 ppm Super-TCXO

Описание:

от 115 до 137 МГц, расширенный диапазон температур (от -55 до 125 ° C) Генератор SOT-23

Описание:

От 1 до 110 МГц, расширенный диапазон температур (от -55 ° C до 125 ° C) Генератор SOT-23

Описание:

Генератор от 115 до 137 МГц, расширенный диапазон температур (от -55 до 125 ° C)

Описание:

от 1 до 110 МГц, расширенный температурный (от -55 ° C до 125 ° C) осциллятор

Описание:

От 1 до 220 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный осциллятор

Описание:

От 220 до 725 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный осциллятор

Описание:

от 1 до 340 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 20 до ± 50 ppm, программируемый генератор I2C

Описание:

От 340 до 725 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 20 до ± 50 ppm, программируемый генератор I2C

Описание:

от 220 до 725 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 15 до ± 50 ppm VCXO

Описание:

от 1 до 220 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 15 до ± 50 ppm VCXO

Описание:

от 1 до 150 МГц, расширенный спектр, расширенная температура (от -55 ° C до 125 ° C)

Описание:

Сверхкомпактный, маломощный, низкий уровень джиттера, ± 5 ppm, 32.768 кГц TCXO

Описание:

Сверхкомпактный, маломощный генератор с низким уровнем джиттера, от 1 Гц до 2,5 МГц

Описание:

Сверхмалый µPower, 32.768 кГц Quartz XTAL Замена

Описание:

µPower, 32,768 кГц Quartz XTAL Замена

Описание:

Сверхмалый с низким уровнем джиттера, 32.768 кГц ± 50 ppm Генератор

Описание:

Сверхнизкое энергопотребление, сверхмалый генератор 32,768 кГц или 16,384 кГц

Описание:

Сверхмалый с низким уровнем джиттера, 32.Генератор 768 кГц ± 100 ppm

Описание:

Сверхмалый µPower, от ± 5 до ± 20 ppm, 32,768 кГц TCXO

Описание:

Сверхкомпактный, энергосберегающий, с низким уровнем джиттера, от ± 3 до ± 5 ppm, 32.768 кГц TCXO

Описание:

Сверхмалое энергопотребление, ± 5 ppm, 32,768 кГц TCXO с внутрисистемной автокалибровкой

Описание:

Сверхмалый микропитание, от 1 Гц до 32.Генератор 768 кГц

Описание:

Сверхмалое энергопотребление, от 1 Гц до 462,5 кГц, осциллятор ± 50 ppm

Описание:

Сверхмалое энергопотребление, низкий уровень джиттера, от 1 Гц до 2.5 МГц TCXO

Описание:

Сверхкомпактный, маломощный генератор с низким уровнем джиттера, от 1 Гц до 2,5 МГц

Описание:

От 1 до 26 МГц, сверхмалый µPower Oscillator

Описание:

Резонаторы ApexMEMS МГц, 0.18 мм2

Описание:

SiT1252 Встроенный MEMS-резонатор, кГц

Кварцевый двухсторонний резонатор с камертонной вилкой для измерения силы с высоким разрешением

[1] Эрдли Х.F, патент США 3238789. (1966).

[2] Парос. Джером М., Цифровой датчик давления Precesion, ISA Transactions, 2 (1973) 173-179.

[3] Альберт. Уильям С. и Вебер. Раймонд Э., Акселерометр с вибрирующим лучом для бесплатного применения, IEEE Position Location and Navigation Symposium, 1982, стр.319-322.

[4] Chuang S. S. Датчик силы с использованием кварцевых кристаллов камертона с двойным концом [R]. STATEK CORP ORANGE CA, (1983).

DOI: 10.1109 / частота 1983.200675

[5] Эррол П. Эр-Нисс, Резонаторный датчик силы, патент США 4372173. (1983).

Камертон

– обзор

23.7 Звенья цепи

На виде в плане звенья цепи идентичной Y-образной формы по внешнему виду похожи на камертон с ведущим концом вилки. Хвост предыдущей ссылки входит в разветвление следующей ссылки. Звенья скрепляются штифтами, которые продвигаются через отверстия по бокам вилки и хвостовика. Штифты проходят через все гусеницы и цепи, а концы входят в канавки на зубчатых фланцах барабана для шаблонов, так что при вращении барабана звенья цепи продвигаются синхронно с правильным временным соотношением.

Звенья цепи требуют точной шлифовки на вилке и / или хвосте, если они выше, чем предыдущее или последующее звено, так что происходит плавный переход и точно синхронизированный шог (шлифованные концы двух последовательных звеньев никогда не должны быть смежными. друг другу). Слишком резкий градиент приведет к раннему шогу, а слишком постепенный – к позднему шогу для последовательности вязания. Существует четыре типа звеньев: обычное заземление, заземление вилки, заземление хвостовой части и заземление вилки и хвоста.

С прямой передачей толчкового движения от звеньев цепи к направляющей шине, как описано, точное расстояние толчков представляет собой разницу высот между двумя последовательными звеньями. Этот метод используется на большинстве высокоскоростных машин и на направляющих стержнях многих многостержневых рашелей.

Второй метод, непрямая передача , увеличивает или адаптирует тягу, создаваемую звеньями, путем передачи ее через поворотный рычаг, рычаг которого можно регулировать, таким образом изменяя ход стрельбы.Это универсальный метод, используемый в шаблонных направляющих станков с несколькими стержнями, который позволяет использовать звенья одного калибра для ряда машин, а также для устройств, экономящих на звеньях цепи.

Нумерация звеньев цепи начинается с высоты «0», и каждая последовательность цепи должна содержать по крайней мере одно из этих звеньев «0». Когда направляющая шина находится на этом звене, она будет в своем ближайшем положении к механизму формирования рисунка во время этого конкретного движения притирки. Трикотажные звенья пронумерованы 0,1, 2, 3, 4, 5 и т. Д.При прямом совмещении каждое последующее число на один деление иглы выше, чем предыдущая ссылка. На трикотажной машине 28 калибра звено «2» будет на 1/28 дюйма выше звена «1», которое само по себе будет на 1/28 дюйма выше звена «0». Если звено «1» размещено после звена «0», будет получен пробел с одной иглой, удаленный от механизма выкройки. Если после звена «3» поставить звено «0», произойдет пробел с тремя иглами в направлении механизма формирования рисунка. Если два звена одинаковой высоты расположены рядом друг с другом, например, «3», за которым следует «3», шог не будет произведен, а направляющие останутся между теми же промежутками между иглами.

Следует понимать, что высота звена, например «0», не представляет фиксированное положение между двумя промежутками между иглами, потому что все направляющие в одной направляющей штанге будут позиционироваться одним и тем же звеном «0», но каждая будет находиться между разными парами спиц по ширине вязания.

Для любой направляющей ссылка «0» является ближайшим значением, которое направляющая будет приближаться к механизму шаблона для этого конкретного повтора притирочного движения. Аналогичным образом, две направляющие в разных направляющих стержнях могут занимать одно и то же пространство между двумя соседними иглами и все же находиться на разной высоте звеньев в этой точке.

Обозначение цепи представляет собой список в правильной последовательности номеров звеньев цепи, разделенных на циклы вязания, для каждой направляющей шины, необходимой для создания определенного повтора структуры ткани (рис. 23.4D). Разница между первыми двумя ссылками обычно заключается в перекрытии. Следует помнить, что звенья соединяются в замкнутый цикл, причем начальное звено для каждой направляющей шины присоединяется к его последнему звену. По этой причине движения снизу влево и вправо уравновешивают друг друга.Не имеет значения, в каком направлении происходит нумерация цепи (слева или справа), при условии, что это происходит последовательно с одной и той же стороны для всех направляющих шин в конкретном структурном повторении.

Рис. 23.4. Основное вязание внахлест и обозначения цепей.

Количество звеньев на курс фиксировано для каждой машины. Обычно требуется минимум два, при этом нижняя граница между вторым звеном одного курса и первым звеном следующего. На трикотажных машинах часто используется третье промежуточное звено, так что нижний слой также распределяется между вторым и третьим звеньями, что дает ему больше времени и более точно соответствует требованиям цикла вязания.

Statek Tech Notes

Генераторы

с кварцевым управлением можно разделить на две основные группы: с положительным или отрицательным реактивным сопротивлением. Режим положительного реактивного сопротивления обычно называют «параллельным резонансным» или «антирезонансным» генератором. Генератор Пирса – это один из широко известных осцилляторов с положительным реактивным сопротивлением. Режим отрицательного реактивного сопротивления обычно называют последовательным генератором. Кристаллы Statek разработаны и настроены для определенного режима работы……

Кристаллы и генераторы

Statek представляют собой герметично закрытые устройства с низкой тепловой массой, требующие особого внимания перед тем, как подвергать их процессу пайки. Чтобы избежать нарушения целостности уплотнения или повреждения устройства, температура не должна превышать максимально допустимую пиковую температуру, и даже в этом случае время достижения этой максимальной температуры не должно превышать максимально допустимое время. В разделах 2 и 3 мы представляем рекомендации для устройств Statek для поверхностного монтажа и сквозных отверстий.В разделе 4 мы суммируем рекомендации по семействам устройств. В разделе 5 мы даем несколько советов по ручной пайке. Наконец, в Разделе 6 мы отмечаем некоторые последствия несоблюдения приведенных здесь рекомендаций …

Кварцевые кварцевые резонаторы

АТ-среза используются для точного управления частотой более 60 лет и сегодня являются одним из наиболее широко используемых типов кристаллов. В то время как обычный кристалл AT имеет форму диска, потребность в компонентах меньшего размера привела к разработке миниатюрной AT-полосы.Чтобы удовлетворить потребности производителей в компонентах еще меньшего размера, Statek Corporation разработала сверхминиатюрный низкопрофильный кристалл кварца как часть своего семейства продуктов CX-4. Для сравнения, CX-4 требует только около одной трети площади суши CX-1 и около половины площади суши CX-3 ……

Мы рекомендуем значения компонентов при использовании кристаллов Statek CX-1V в диапазоне 200–240 кГц с микроконтроллером Microchip Technology PIC16C73A (в режиме XT). Конденсаторы большой емкости (47–68 пФ), рекомендованные в Таблице 14-2 спецификации DS30390E от Microchip Technology, заставляют PIC16C73A перегружать кристаллы Statek……

Схема КМОП-генератора Пирса хорошо известна и широко используется благодаря своей превосходной стабильности частоты и широкому диапазону частот, в котором они могут использоваться. Они идеально подходят для небольших портативных устройств с низким током и низким напряжением, работающих от батарей, особенно для низкочастотных приложений. При проектировании с использованием миниатюрных кристаллов кварца необходимо тщательно учитывать частоту, коэффициент усиления и уровень возбуждения кристалла. В этой статье расчетные уравнения, используемые в типичной схеме генератора пирсинга с кварцевым управлением, получены из замкнутого контура и фазового анализа.Уравнения частоты, усиления и тока возбуждения кристалла получены из этого метода …

Для достижения оптимальных характеристик кварцевого генератора Пирса, например Необходимо тщательно учитывать требования к хорошей стабильности частоты и низкому долгосрочному старению, параметрам кристалла, току возбуждения кристалла и усилению генератора. Многолетний опыт показал, что чрезмерный ток возбуждения кристалла является одной из основных причин неисправности генератора. Перегрузка кристалла вызывает нестабильность частоты с течением времени, а для кристаллов камертона чрезмерное перемещение может сломать выступы кристалла.В этом техническом примечании описывается практический подход к измерению ключевых параметров осциллятора Пирса ……

В этой заметке мы представляем некоторые из основных электрических свойств кристаллов кварца. В частности, мы представляем модель кристалла с четырьмя параметрами, исследуем его резонансные и антирезонансные частоты и определяем частоту при нагрузочной емкости. Модель и анализ применимы к большинству типов кристаллов кварца, в частности к камертонным, объемным резонаторам и резонаторам с АТ-срезом……

При заказе кристаллов для генераторов, которые должны работать на частоте f, например 32,768 кГц или 20 МГц, обычно недостаточно указать только рабочую частоту. Хотя кристаллы будут колебаться на частоте, близкой к их последовательной резонансной частоте, фактическая частота колебаний обычно немного отличается от этой частоты (немного выше в «параллельных резонансных контурах») …

Основным показателем характеристик генератора является его стабильность частоты (или нестабильность в зависимости от точки зрения).В долгосрочном плане (временные рамки в днях или годах) мы называем изменения частоты старением. В умеренных временных масштабах (в секундах) стабильность осциллятора часто характеризуется его дисперсией Аллана ……

Целью данной заметки является обобщение методов, которые Statek использует для измерения джиттера генератора. Короче говоря, мы используем возможности измерения джиттера осциллографа LeCroy WavePro 7100A с программным пакетом анализа джиттера JTA2. С этим и некоторым усилением сигнала джиттер составляет около 1.5ps можно измерить ……

В этом документе приводятся инструкции по обращению с кварцевыми генераторами или кварцевыми генераторами у заказчика. Он охватывает обращение с продуктом с момента его получения на доке клиента и хранения на полке клиента путем извлечения из транспортной коробки, пайки платы и удаления панелей / разделения, а также установки на плате клиента в его конечном продукте.

Измерение жидкости с использованием кварцевых камертонов – измерительная техника и приложения

Abstract

Мы представляем обзор последних достижений в использовании кварцевых камертонов для измерения вязкости и плотности жидкости.Преимущества использования камертонов на кварцевом кристалле (QTF) по сравнению с другими датчиками обсуждаются на основе физических аргументов и проблем, возникающих в реальных приложениях. Описывается путь к высокоточным и надежным измерительным системам и представлена недавно разработанная система с учетом этих результатов. Производительность системы анализируется для таких приложений, как измерение соотношения компонентов топлива, загрязнение дизельной сажей для мониторинга состояния моторного масла и определение размеров частиц в суспензиях.Сделан вывод о том, что использование правильно спроектированных систем позволяет использовать множество приложений в промышленности и исследованиях.

Ключевые слова: вязкость, плотность, мониторинг состояния, измерительный прибор

1. Введение

Пьезоэлектрические датчики могут использоваться для измерения механических, электрических, оптических и тепловых параметров [1,2,3,4,5,6, 7]. Благодаря разнообразной функционализации поверхности эти сенсоры также широко используются в химии и биологии [8,9]. Когда Гиссибл [10] представил камертоны из кварцевого кристалла (QTF) для атомно-силовой микроскопии (AFM) в 1998 году, это вызвало живой и постоянный интерес к QTF как чувствительным элементам.Типичные размеры и форма основной моды такого камертона показаны на рис. В Jakoby [11] рассматривается широкий спектр датчиков для динамической сдвиговой вязкости η и плотности ρ, но использование QTF не рассматривается. Из-за нескольких преимуществ использования QTF для измерения жидкости, сложные установки были предложены, например, в [12,13] до нашей работы. В этой работе мы расширяем обсуждения из [11] на QTF и объединяем ключевые результаты нашей собственной работы из [14,15,16,17,18,19,20,21,22] в одну последовательную рукопись и демонстрируем, что точно измеренные параметры жидкости облегчают множество приложений, некоторые из которых демонстрируются в этой статье.

Слева : Размеры камертонов (мкм), используемых в описываемых приложениях. Справа : основная форма плоской моды вибрации, смоделированная с помощью анализа методом конечных элементов. Собственная частота 32,7 кГц.

1.1. Преимущества использования камертонных датчиков для измерения жидкости

Чтобы понять весь спектр преимуществ использования камертона для измерения жидкости, их сравнивают с пьезоэлектрическими дисковыми датчиками. Первое применение пьезоэлектрического датчика для измерения физической массы было описано Sauerbrey в 1959 году [23], который показал, что резонансная частота f0 сдвигово-колебательных пьезоэлектрических кварцевых дисков очень чувствительно реагирует на жесткий прикрепленный слой массы (Δm), следующим образом Δf / f0 = −Δm / m0, где m0 – масса резонатора, а Δm≪m0.Частоты могут быть измерены простыми средствами с высочайшей точностью, и поэтому такие датчики могут использоваться для измерения очень малых толщин слоя (нм) в системах осаждения из паровой фазы или связывания молекул с функционализированной поверхностью [9]. Они известны как кварцевые микровесы (ККМ) и могут также использоваться для измерения физических свойств жидкостей, как впервые было описано Канадзавой и Гордоном в 1985 году [24]. Как может быть ошибочно предложено уравнением Зауэрбрея (уравнение (2)), измеряется не статический вес жидкости, а вместо этого динамическое сопротивление тонкого слоя вязкой жидкости после небольших колебаний (<нм) поверхности. .Если вибрирующая поверхность возбуждает поперечную волну, скорость плоской поперечной волны, распространяющейся в направлении x , экспоненциально затухает с exp (−x / δ), где характерная длина затухания δ определяется выражением

δ = 2ηρω,… характерная длина затухания поперечных волн

(1)

где η, ρ и ω обозначают динамическую вязкость, массовую плотность и угловую частоту. Типичный диапазон составляет от сотен нанометров до нескольких микрон.

Δf = −f03 / 2ηρπρqμq, Q = πρqμq4ρηf0

(3)

В уравнениях (2) и (3) [23,24] показаны изменения параметров резонанса для твердой массы и вязкой жидкости.Здесь дополнительные величины A, ρq и μq представляют собой площадь поверхности диска, плотность и модуль сдвига кварца соответственно. Поскольку два отдельных параметра жидкости ρ и η представляют интерес, необходимо учитывать второй резонансный параметр, связанный с затуханием. Естественным выбором является коэффициент Q , но также можно использовать коэффициент демпфирования ζ = (2Q) -1. Однако, как показывает уравнение 3, ρ и η всегда отображаются как произведения и поэтому не могут быть измерены по отдельности. Это один из фундаментальных недостатков, который решается за счет использования QTF, а не QCM [25].Еще одна особенность, которая делает QTF особенно привлекательными и была, например, отмечена Мациевым [26] в 1998 году, заключается в том, что рабочие частоты обычно намного ниже. Коммерческие камертоны, которые используются, например, в качестве эталона часов в наручных часах, обычно работают на частоте 32,768 кГц и хорошо подходят для измерения жидкости, тогда как резонансные частоты QCM обычно не ниже 1 МГц. Часто предпочтительнее [11] измерять вязкость на более низких частотах, потому что из-за начала неньютоновского поведения высокочастотные отклики трудно интерпретировать и они менее сопоставимы с результатами, полученными с помощью лабораторных приборов.Например, низкочастотные резонаторы сдвига, введенные Райхелем в [27], следуют этой линии аргументации. Мы отмечаем дополнительные преимущества использования более низких частот, которые связаны с большей длиной затухания δ (уравнение (1)). Например, датчики с малым δ с большей вероятностью пострадают от постепенного загрязнения, например, поверхностно-активными добавками, отложением частиц или скоплением микропузырьков газа. Некоторые датчики поверхностных акустических волн, использующие поперечные горизонтальные волны или волны Лява, в этом отношении еще хуже.Здесь вибрирует только тонкий поверхностный слой, и поэтому перемещаемая масса датчика m0 очень мала, что делает их чрезвычайно чувствительными к изменениям жидкости [28], но также и к загрязнению. Из-за высоких частот таких устройств (например, 116 МГц в [29] для датчика волны Лява) и их небольшой длины затухания, поперечная волна не может пройти через слой загрязнения, чтобы обнаружить жидкость. Также для жидкостей с микроструктурой, таких как суспензии или эмульсии [30], более предпочтительны значения δ [11]. Несмотря на то, что δ является наиболее важной характеристикой для описания плоских поперечных волн и, следовательно, взаимодействия QCM со структурой жидкости, δ не полностью описывает поток вокруг выступов вибрирующего камертона.Обычно, когда выпуклое тело колеблется в жидкости в поперечном направлении, также перемещается жидкость, текущая вокруг тела, что можно описать с помощью теории потенциального потока. Хайниш [31] экспериментально показал, что гидродинамические силы жидкости, действующие на камертоны квадратного и круглого сечения, очень похожи. Прямоугольное сечение в (т.е. аспектное отношение 0,57) можно принять как квадратное, что подтверждается табличными значениями гидродинамических функций, приведенными в [32]. Поэтому мы основываем наши аргументы на сходстве с круглыми поперечными сечениями, где скорость сдвига потенциального вклада потока уменьшается с 1 / r2 вместо exp (-x / δ), как это было бы в случае чисто сдвиговых вибрационных датчиков.(Для полноты отмечено, что в то время как vy∝exp (−x / δ) описывает затухание плоских поперечных волн, для цилиндров затухание азимутальной скорости vθ в радиальном направлении r следует действительной части модифицированные функции Бесселя K, т. е. vθ∝ − Re (K0 (2jr / δ) + K2 (2jr / δ)), с j = −1, как описано в [33]). Таким образом, можно сделать вывод, что протяженность режима потока больше, и достигается более широкое пространственное усреднение, что также снижает уязвимость к поверхностному загрязнению.В основе этой теории лежат результаты из раздела 3.3, где QTF используется для характеристики частиц в суспензии, диаметр которых намного больше, чем δ [21]. Вышеупомянутые преимущества также применимы к кантилеверным датчикам, которые также можно использовать для измерения вязкости [34,35]. Действительно, датчики с камертонами часто рассматриваются как два противодействующих кантилевера, на что указывает форма колебаний в диаграмме. Кроме того, можно использовать гидродинамические модели, полученные для консолей [31]. Из-за высокой степени сходства, методы, разработанные для кантилеверов, такие как оценка механической жесткости [36,37] или использование QTF в качестве датчика массы, возможны.Однако преимущества использования датчиков с камертонной вилкой остаются, например, в форме нечувствительности условия зажима в основании QTF. Из-за симметрии между двумя зубцами для симметричных мод реализуется жесткое граничное условие, что не относится к простым консолям, где монтажные потери (также называемые креплением или анкером ) требуют значительного внимания [38]. Имеющиеся в продаже QTF также представляют собой высокоразвитые продукты, отличающиеся низкими допусками на изготовление и высокой температурной стабильностью при низких затратах.

1.2. Определение вязкости и плотности с использованием QTF

Как упоминалось ранее, вязкость и плотность могут быть определены по измеренным параметрам резонанса при использовании QTF. Это прямое следствие наличия в поле течения потенциальных компонент течения и вихревого течения [39]. Хотя расчет отношения между (f, Q) и (ρ, η) является сложным по своей природе для общей вибрирующей геометрии (см., Например, [32] для прямоугольного вибрирующего кантилевера, [33] для вибрирующих цилиндров и [39] ] для лопаток), можно использовать общую модель с настраиваемыми параметрами, как описано в [40]:

ω0 = 1m0k + mρkρ + mηρkηρ / ω0, Q = 1ω01c0k + cηkη + cηρkω0ηρ.

(4)

Эта модель оказалась полезной на практике, потому что из-за ошибок моделирования и производственных отклонений корректировка параметров модели с использованием испытательных жидкостей должна выполняться в любом случае для достижения точности в диапазоне, например, 0,1% по плотности и 1% по вязкости. Инверсия модели, выбор подходящих эталонных жидкостей и общее распространение ошибок обсуждаются в [15]. Основные выводы заключаются в том, что требуется не менее трех испытательных жидкостей, и их следует выбирать так, чтобы они охватывали предполагаемый диапазон измерения в плоскости ρ – η.

Распространение ошибки от шума измерения на свойства жидкости полностью предсказуемо и следует цепи измерения, изображенной на. Распространение шума измерения по сигналам тока i (t) и напряжения V (t) на резонансные параметры f0 и Q рассмотрено в [41]. На основе уравнения (4) можно определить распространение шума на ρ и η [17,20]. Как показывает практика, шум измерения вызывает относительные отклонения, которые обычно более чем в десять раз выше по вязкости, чем по плотности.

Обработка данных следует за цепочкой измерений. Система сбора данных дает частотные спектры, которые обрабатываются алгоритмом оценки резонанса. Параметры резонанса связаны со значениями плотности и вязкости ρ и η с помощью модели датчика с предсказуемым распространением ошибки из-за шума измерения на временных сигналах.

Дополнительным условием для достижения разумной точности является учет того, что вязкость является очень чувствительной к температуре величиной.Впервые это было преобразовано в уравнение Рейнольдсом [42] в 1886 году в виде η = η0exp (−bT). С тех пор было разработано множество моделей для различных классов флюидов, например, [43]. Установка с точным контролем температуры представлена в разделе 2, а более сложные проблемы, связанные с неточным контролем температуры, обсуждаются более подробно.

Пока учитывались только механические параметры жидкости: плотность и вязкость. Однако, когда QTF погружается в жидкость, электроды неизбежно контактируют с жидкостью.Механическое и электрическое влияние на измеренный электрический импеданс можно приблизительно смоделировать с помощью эквивалентной схемы в [44]. Для определения параметров резонанса анализируется спектр проводимости этой цепи. Однако из-за шунтирующей емкости и электрической нагрузки флюида максимальная амплитуда полной проводимости и ширина полосы по уровню −3 дБ не являются характеристиками механической нагрузки, но изменяются в зависимости от C0, Re и Ce. показывает измеренный график Боде по величине и фазе проводимости сенсора для эталона силиконового масла, измеренный в диапазоне температур от 5 ° C до 80 ° C.В отклике амплитуды преобладает влияние шунтирующей емкости C0. Этот эффект, а также электрическая загрузка жидкости и другие, такие как дрейф электроники аналогового интерфейса, фазовые сдвиги и задержки, суммируются под термином фоновые сигналы . Целью надежного алгоритма оценки резонанса является устранение фоновых сигналов, оставляя только расширенный сигнал ветвления движения, график Найквиста которого соответствует кругу. Из подобранных элементов RLC, резонансная частота и Q -факторы определяются как

f = 12π (Lm + Lf) (Cm + Cf) и Q = 1Rm + RfLm + LfCm + Cf.

(5)

Left : Модель эквивалентной схемы Баттерворта – Ван Дайка для камертона с кварцевым кристаллом без нагрузки (QTF). Электромеханический резонанс моделируется последовательным резонансным контуром, обозначенным , с подвижной ветвью с параллельной шунтирующей емкостью C0, учитывающей емкость, образованную электродами и кварцевым материалом. Справа : Массовая нагрузка жидкости и вязкое сопротивление моделируются Lf и Rf. Электропроводность и диэлектрическая проницаемость жидкости, контактирующей с электродами, моделируются Re и Ce.

Частотные спектры измеренных и согласованных сигналов полной проводимости силиконового масла при различных температурах жидкости в диапазоне от 5 ° C до 80 ° C показаны на двух левых графиках. В сигналах преобладает линейный наклон C0 по величине, и только небольшие фазовые сдвиги указывают на резонансы. На среднем рисунке выше показаны соответствующие графики Найквиста. На нижнем среднем рисунке фоновые сигналы были вычтены, оставив только проводимость двигательной ветви, которая напоминает круги.Сплошные линии – это результаты алгоритма оценки резонанса, а маркеры показывают точки данных, записанные с помощью системы в. Справа перечислены жидкости, соответствующие меткам (1–5), и измеренные параметры резонанса.

Значимость надежного метода оценки также проиллюстрирована в [45], где показано влияние солености из-за незначительного количества растворяющейся соли на измеренные спектры QCM, что также относится к QTF. В случае, если камертон погружен в проводящую жидкость, должен быть предусмотрен изолирующий слой.Эта мера предотвращает электрохимическую коррозию, а также чрезмерные токопроводящие токи, которые проявляются как смещения сигналов датчиков, уменьшающие отношение сигнал / шум (SNR). В [21] измерения проводились с использованием камертонов с покрытием из парилена-С в водных растворах. На достижимое SNR в воде не повлияло по сравнению с непроводящими силиконовыми маслами.

Как показано на фиг. 9, резонанс сильно затухает при высокой вязкости (низкой температуре) и виден только невооруженным глазом на фазовом графике.Как правило, погрешность измерения выше для более вязких жидкостей в результате уменьшения коэффициента Q из-за более высокого демпфирования. Следовательно, обнаружение резонансной частоты менее точное при Q при наличии шума измерения [41]. Для достижения более высоких коэффициентов Q и отношения сигнал / шум, в принципе, было бы целесообразно использовать более высокий режим вибрации. Однако во второй моде в плоскости (на ≈190 кГц) другие паразитные моды (см. [46]) мешают, особенно когда QTF погружен в жидкости.Следовательно, оценка основной моды позволяет повысить общую точность. Хотя диапазон измерения плотности практически не ограничен для технически значимых приложений, диапазон вязкости ограничен. На это также указывают эллипсы ошибок, показанные для реальной измерительной установки, представленной в разделе 2. Как показано далее, шум в целом низкий, даже при низком значении Q , равном 6,5, что оставляет запас для измерения гораздо более высоких вязкостей. Однако калибровка с использованием сертифицированных эталонов (обычно силиконовых масел) при таких высоких вязкостях затруднена, потому что они начинают проявлять вязкоупругие свойства на рабочих частотах QTF, в то время как их сертифицированное значение было определено производителем в условиях устойчивого сдвига, т.е.е., нулевая частота. Установлено, что отклонения от ньютоновского поведения обычно обнаруживаются для стандартов силиконового масла с вязкостью выше 50 мПа · с. Отклонения начинают превышать допуск сертифицированных эталонных жидкостей от 100 до 200 мПа · с. Более подробная информация о достижимой точности установки, используемой для приложений в разделе 3, приведена в [20].

Слева : Модель жидкости в уравнении (4) настраивается с использованием трех стандартов жидкости (закрашенные точки № 4, 5 и 9).Калибровка проверена для восьми дополнительных жидкостей. Справа : Относительные отклонения из-за шума измерения. Эллипсы ошибок, показывающие трехкратное стандартное отклонение, построены для стандартов жидкости (N7.5, N14, N44 и S200 от Cannon) при трех различных температурах каждый. Единицами измерения плотности и вязкости являются кг / м ³ и мПа · с соответственно.

2. Измерительная система

Наша разработанная измерительная система с учетом вопросов, обсуждаемых выше, показана на.Он состоит из измерительной ячейки с регулируемой температурой, подключенной к универсальному анализатору импеданса, оба доступны от Micro Resonant [47]. Анализатор импеданса измеряет параметры возбуждаемого резонанса QTF. Хотя для микро- и нанокантилеверов существуют подходы к использованию случайного броуновского движения в жидкости для возбуждения [34,48], оценка возбужденных резонансов требуется для больших QTF, чтобы достичь требуемого отношения сигнал / шум, а также получить фазовые данные.Ячейка предназначена для онлайн-мониторинга состояния масла, который требует обнаружения крошечных изменений параметров жидкости, чтобы отслеживать деградацию масла как можно точнее. Это было определено как обязательное [19] для очень точного контроля температуры жидкости. Преимущественно это связано с несоответствием времени отклика используемого датчика температуры и QTF (динамическое несоответствие , ). В принципе, в нестабилизированных условиях температура может быть измерена, а вязкость может быть экстраполирована на эталонную температуру, т.е.g., 25 ° C, когда температура жидкости претерпевает изменения в интервале от 20 ° C до 30 ° C из-за машинных циклов или изменений температуры окружающей среды. Такие устройства коммерчески доступны как датчики с винтовым креплением и поэтому удобны для промышленной автоматизации, но при применении они страдают от динамического несоответствия и специальной неизвестной и изменяющейся температурной зависимости жидкости, необходимой для экстраполяции. Благодаря активному контролю температуры этой проблемы можно избежать. Из-за небольшого объема образца кюветы менее 1 мл, равновесная температура (стабильная до 10 мК) достигается в течение 1-2 мин.Это позволяет полностью охарактеризовать температурную зависимость параметров жидкости в диапазоне от 0 ° C до 100 ° C за разумное время. В, система измерения откалибрована с использованием сертифицированных стандартов вязкости-плотности. Для калибровки были выбраны три жидкости, а для сравнения использовались еще восемь. Продемонстрирована хорошая правильность измерительной системы. В правой части рисунка изображены типичные эллипсы ошибок, показывающие трехкратное стандартное отклонение для определенных эталонных жидкостей при различных температурах.Подробности можно найти в [20].

Схема измерительной системы. Ячейка вязкости-плотности VDC100 подключается к универсальному анализатору резонанса MFA200. Набор графического пользовательского интерфейса MFA200 используется для автоматизации цикла тестирования и последующей обработки.

3. Приложения

В этом разделе демонстрируются три конкретных приложения с использованием описанной выше настройки и обсуждаются результаты.

3.1. Мониторинг содержания биодизеля в реальном времени

Региональные колебания качества топлива из-за переменного количества добавляемого биодизеля являются серьезной проблемой для современной системы управления двигателем, оптимизированной для эффективного сгорания и низкого уровня выбросов загрязняющих веществ.С датчиком QTF, встроенным в ячейку вязкости-плотности VDC100, один из наиболее важных параметров для впрыска, вязкость топлива может быть определена в реальном времени, и управление двигателем может быть отрегулировано соответствующим образом. показывает зависимости вязкости от температуры для различных видов топлива, измеренные в системе. Вязкость биодизеля четко отличается от вязкости ископаемого дизельного топлива B0 по величине и температурным характеристикам.

ln (η) = ln (η0) (1 − φ) + ln (η100) φ − αφ (1 − φ)… Модель Грюнберга-Ниссана

(6)

ρ = ρ0 (1 − φ) + ρ100φ − βφ (1 − φ)… бинарная смесь модель

(7)

Диаграмма вязкости и плотности топлива в диапазоне температур 0–80 ° C (E10: 0–40 ° C), измеренная с помощью VDC100 + MFA200 установка, показанная в.E10 представляет собой топливную смесь из 10% безводного этанола и 90% бензина, а дизельное топливо B0 имеет только ископаемое происхождение. Вязкость выше при более низкой температуре.

дюймов, вязкости и плотности дизельных смесей показаны для трех температур, а модели смешивания, приведенные в уравнении (6) и уравнении (7), показаны сплошными линиями.

Левый : вязкости для различного содержания биодизеля в ископаемом дизельном топливе. Линии соответствуют модели Грюнберга – Ниссана в уравнении (6). Справа : Плотности для различного содержания биодизеля в ископаемом дизельном топливе.Линии даны моделью бинарной смеси в уравнении (7). Пунктирные линии представляют соответствующую модель с подгоночными параметрами α и β, установленными на 0.

Величины, обозначенные индексами 0 и 100, представляют дизельное топливо B0 и чистый биодизель (B100), соответственно, а φ – массовая доля биодизеля в диапазоне от От 0 до 1. Логарифм вязкости ln соответствует простой модели бинарной смеси, основанной на модели Грюнберга – Ниссана [49]. Здесь массовые доли φ используются вместо обычных мольных долей, что дает лучшее согласие в этом приложении.Параметр α учитывает небольшую кривизну и настраивается для наилучшего соответствия α = {0,071, 0,069, 0,066} ln (Па · с) для трех температур T = {15, 25, 50} ° C, соответственно. Для плотности применяется аналогичная модель с параметром кривизны β = {3,6, 3,8, 4} кг / м ³. также показаны результаты с α = 0 и β = 0 в виде штрихпунктирных линий, которые показывают, что в диапазоне низких массовых долей могут быть получены достаточно хорошие результаты без подбора для α и β. показывает временной ряд каждого измерения, состоящий из 300 последовательных необработанных измерений.Подчеркивается, что эти точки данных полностью независимы. Никакие априорные знания предыдущих данных не используются для вычисления фактической точки данных. Это означает, что фильтрация или усреднение не используются, что оставляет достаточно места для более сложной обработки сигналов. Учитывая низкий уровень шума измеренных данных, стандартные отклонения массовой доли, рассчитанной на основе плотности (σφ, ρ) и вязкости (σφ, η), приблизительно приведены для трех температур в диапазоне низкой массовой доли от 0 до 10% следующим образом:

σφ, ρ≈σρ | ρ100 − ρ0 | = 101,112,125 ppm,

(8)

σφ, η≈σηηlnη100η0 = 59,59,90 ppm.

(9)

Серия образцов измерений вязкости ( a ) и плотности ( b ) для различных концентраций при температуре T = 15 ° C, записанных со скоростью 1 образец / с. Каждый из 300 образцов определяется индивидуально.

Замечено, что массовая доля может быть определена более точно по вязкости, но шумы того же порядка. Следовательно, оба результата могут быть усреднены с использованием некоторого адекватного взвешивания для дальнейшего снижения шума.Можно сделать вывод, что изменения содержания биодизеля в 0,1% могут быть надежно обнаружены сразу после установки с использованием измерительной установки, с запасом для дальнейшей оптимизации.

3.2. Определение дизельного топлива и сажи в моторном масле

Для предотвращения засорения сажевых фильтров в автомобилях требуется периодическая регенерация. Для регенерации поздно впрыснутое и не воспламененное дизельное топливо выдувается в фильтр твердых частиц, чтобы сжечь накопившуюся сажу. Однако этот процесс является одной из основных причин попадания топлива в моторное масло.Разбавление масла происходит, когда части поздно впрыснутого топлива вытираются поршневыми кольцами в картер и, таким образом, в моторное масло [50]. Добавление биодизеля усугубляет эту проблему, потому что из-за более высокой точки кипения испарение на гильзах цилиндров намного ниже, чем для дизельного топлива B0. Планы на будущее по увеличению доли биодизеля в ЕС с нынешних 7% до 10% к 2020 году создают проблемы для производителей двигателей. Поэтому представляет интерес мониторинг и оценка эффективности различных схем закачки в режиме онлайн, не требуя лабораторных анализов за пределами объекта.

В [28] показано, что моторное масло, искусственно разбавленное топливом, можно отличить от отработанного моторного масла путем одновременного контроля вязкости и диэлектрической проницаемости. Хотя диэлектрическая проницаемость и проводимость флюидов может быть определена как побочный продукт из фоновых спектров (см.) При использовании QTF, этот метод имеет ограниченную точность, поскольку фоновые сигналы состоят из различных компонентов сигнала, которые не связаны с диэлектрической проницаемостью флюида, например, тепловые дрейфы электроники аналогового интерфейса.Для достижения требуемой точности измерения диэлектрической проницаемости потребуется дополнительный датчик. В этом приложении мы показываем, что диэлектрическую проницаемость можно заменить измерением плотности, а описанная выше установка VDC100 может использоваться для расчета содержания дизельного топлива и сажи в моторных маслах. Важным моментом в понимании процесса разбавления масла является то, что не только происходит разбавление дизельного топлива, но также увеличивается содержание сажи во время работы двигателя. Хотя дизельное и моторное масло очень похожи по плотности, дизельное топливо значительно снижает вязкость.К сожалению, постоянно увеличивающееся содержание сажи увеличивает вязкость, что частично компенсирует ее. Однако, как показано на, влияние сажи и дизельного топлива можно разделить, если дополнительно измерить плотность. Для этого определяется модель отображения вязкости и плотности дизельного топлива и сажи, аналогичная уравнениям (6) и (7). Лабораторная испытательная установка, показанная справа, используется для демонстрации возможностей установки QTF для определения дизельного топлива и сажи. Исходное масло в сосуде для жидкости содержит четыре части свежего масла и одну часть отработанного масла с концентрацией дизельного топлива 5% (известной из лабораторного анализа), что дает общее содержание дизельного топлива 1%.Содержание сажи неизвестно и определяется в единицах эквивалента отработанного масла, т. Е. 0,2 для смеси. Встроенные каналы ввода-вывода MFA200 используются для управления насосом для отбора проб из резервуара с интервалом в 8 минут. Тем временем образец закаляется и измеряется, что дает результаты в. Две пробы жидкости, отработанное масло (A) и разбавленное дизельным топливом отработанное масло (B), добавляются поочередно со скоростью 100 мкл / мин к начальному объему пробы 200 мл с помощью шприцевого насоса с компьютерным управлением. Емкость для жидкости непрерывно перемешивается магнитной мешалкой, чтобы гарантировать тщательное перемешивание и избежать эффекта седиментации.

Слева : попадание дизельного топлива и сажи по-разному влияют на вязкость и плотность и поэтому могут быть рассчитаны с использованием модели жидкости. Таким образом, на стенде для испытаний двигателей можно оценить различные условия эксплуатации в режиме онлайн. Справа : Схема лабораторной испытательной установки для оценки концепции.

Вязкость ( a ) и плотность ( (b ) моторного масла для двух различных сценариев разбавления A и B. Сажа увеличивает вязкость и плотность, но дизельное топливо снижает вязкость, как показано на.В обоих сценариях присутствует дизельное топливо и сажа, но в разных соотношениях.

Результаты, полученные с помощью модели линеаризованной смеси, показаны на. Из-за детерминированных условий эксперимента фактические концентрации дизельного топлива и эквиваленты сажи известны на протяжении всего измерения и обозначены красными пунктирными линиями на плато. Хорошее согласие предполагает, что установка QTF хорошо подходит для этой задачи.

Полученные концентрации дизельного топлива ( a ) и эквиваленты сажи ( b ) с использованием простой линеаризованной модели смешения.Пунктирными линиями обозначены теоретические значения.

3.3. Определение характеристик частиц с помощью контролируемого осаждения

Применение QTF для определения размеров частиц с использованием установки, показанной в, было недавно продемонстрировано авторами в [21]. Ключевые результаты кратко повторяются здесь, чтобы познакомить читателя с более академическим примером, в котором используется изменяющаяся чувствительность вдоль удлиненного размера QTF, и для обоснования преимуществ профиля потока QTF для измерения суспензий.Было показано, что функция чувствительности по этому измерению соответствует квадрату формы колебаний, показанной на (Справа). В эксперименте частицы определенного распределения по размерам смешивали с водой и перемешивали для образования гомогенного распределения в небольшом измерительном сосуде. Когда мешалка была выключена, частицы начали опускаться с конечной скоростью, определяемой их плавучей массой, пропорциональной квадрату диаметра частицы. Слева показаны зарегистрированные резонансные частоты для двух классов частиц ПММА с номинальными диаметрами 20 мкм и 40 мкм.Однородное распределение частиц достигается после включения мешалки примерно на 100 с. Остаточный поток быстро исчезает после выключения, и частицы начинают оседать. Было показано, что своего рода хроматография по размеру частиц (физически правильным будет термин седиментационная скоростная хроматография ) может быть выполнена на основе резонансной частоты или сдвигов коэффициента Q для известной массовой плотности частиц. Метод получения данных в правой части подробно описан в [21].Подводя итог, было показано, что проблема может быть сформулирована как интегральное уравнение Фредгольма, которое представляет некорректную обратную задачу, требующую некоторого вида численной регуляризации для получения стабильных результатов. Также показано, что уже простое разложение по усеченным сингулярным числам дает хорошие результаты. Сплошные линии представляют решения обратной задачи, а пунктирные линии – гауссовские профили со стандартными отклонениями, указанными в таблице данных используемых шариков из ПММА.Согласие является многообещающим, и результаты согласуются при получении от резонансной частоты или коэффициента Q . Для этого приложения важен тщательный мониторинг параметров резонанса, чтобы отслеживать самые быстрые частицы. Выходная частота дискретизации анализатора резонанса была установлена на 2 отсчета / с. Чтобы избежать чрезмерных шунтирующих токов в суспензии на водной основе, на QTF был нанесен покрывающий слой из парилена-C. Вода в качестве основной жидкости была использована для демонстрации принципиальной пригодности установки для определения характеристик потенциальных кристаллов подагры в солевых буферных растворах.Как упоминалось ранее, длина затухания поперечных волн δ в этом приложении составляет 3,1 мкм и, следовательно, намного меньше диаметра частиц. Можно заметить, что частицы размером 20 мкм и 40 мкм ведут себя идентично, за исключением различных скоростей осаждения, что демонстрирует, что δ не является определяющей величиной, как иногда предлагается в литературе.

Частицы повторно перемешивают, и их осаждение контролируется с помощью установки QTF. Стабилизация температуры осуществляется с помощью подключенного снаружи термостата.

Слева : резонансные частоты измеряются для циклически активируемой магнитной мешалки. (1) Показывает дисперсию частиц ПММА номинальным диаметром 20 мкм с концентрацией 4,68%. Кривые (2) показывают измерения с датчиком, погруженным на 2,125 мм глубже, что приводит к появлению фронта запаздывающих частиц. Для кривой (3) концентрация уменьшается вдвое при более низком погружении. Для (4) используются частицы диаметром 40 мкм той же концентрации. Соответственно, они проходят с более высокими скоростями.(5) для справки показано измерение с использованием чистой деионизированной воды. Шум при перемешивании выше из-за механической вибрации. Справа : Рассчитанные распределения по резонансным частотным характеристикам (кривые 1–4) на левом рисунке. Пунктирными линиями показаны гауссовы распределения с центрами 20 мкм и 40 мкм со стандартным отклонением, указанным в таблице данных гранул.

Вклад авторов

Концептуализация, A.N., T.V. и B.J .; методика, А. и т.V .; программное обеспечение, F.F. и А.Н .; валидация, Т.В., А.Н. и F.F .; формальный анализ, Т.В .; следствие, Ф.Ф., А. и T.V .; ресурсы, А. и B.J .; курирование данных, F.F .; письменность – составление оригинального черновика, Т.В., А.Н .; написание – просмотр и редактирование, Б.Дж. и Ф.Ф .; визуализация, Т.В. и Ф.Ф .; наблюдение, B.J., T.V. и A.N .; администрация проекта, T.V., B.J. и A.N .; привлечение финансирования, Т.В., А.Н. и Б.Дж.

Murata разрабатывает самый маленький в мире MEMS-резонатор на 32,768 кГц | Новости продукта

Устройства времени (керамический резонатор / кварцевый блок / осциллятор)

17.10.2018

Murata Manufacturing Co., Ltd.
Председатель правления и президент:
Цунео Мурата

Murata Manufacturing Co., Ltd. (головной офис: Нагаокакё-ши, Киото; председатель правления и президент: Цунео Мурата) разработала самый маленький в мире ^{* 1} 32,768 кГц ^{* 2} MEMS ^{* 3} резонатор ^{* 4}, который, как ожидается, внесет значительный вклад в уменьшение размера и энергопотребления устройств IoT, носимых устройств и медицинских устройств.

1. Справочная информация

IoT, носимые устройства и приложения, связанные со здравоохранением, где важны малый размер, длительное время работы и увеличенное время автономной работы, увеличивают спрос на компактные электронные компоненты, снижающие энергопотребление. Резонаторы 32,768 кГц широко используются в приложениях, чувствительных к мощности, чтобы поддерживать точное время, позволяя энергоемким ресурсам переводиться в режим глубокого сна, тем самым экономя энергию на уровне системы и продлевая общий срок службы батареи.

Новый резонатор MEMS более чем на 50% меньше, чем у конкурирующих решений, при этом отличается низким ESR ^{* 5}, превосходной точностью частоты и низким энергопотреблением. Это связано с использованием MEMS, технологии, разработанной Murata Electronics Oy (ранее VTI Technologies), которая имеет подтвержденный послужной список уникальных и инновационных MEMS, используемых в самых разных приложениях автомобильной промышленности.

2. Основные характеристики

При достижении миниатюризации с помощью технологии MEMS новый резонатор MEMS демонстрирует частотно-температурные характеристики менее 160 ppm (рабочая температура: от -30 до 85 ° C) с начальной точностью частоты (25 ° C), которая сравнима или лучше, чем у кварцевый камертон кристаллический резонатор.

Основные характеристики:

– Более чем на 50% меньше, чем у обычных камертонных кварцевых резонаторов

При размерах 0,9 x 0,6 x 0,3 мм (ширина, длина, высота) новый MEMS-резонатор более чем на 50% меньше на ^{* 6}, чем обычный кварцевый камертонный резонатор 32,768 кГц.

– Встроенные нагрузочные конденсаторы

В типовой схеме генератора пирсингового типа используются два внешних многослойных керамических нагрузочных конденсатора. Новый резонатор MEMS оснащен встроенными нагрузочными конденсаторами, что позволяет уменьшить внешнюю паразитную емкость, монтажное пространство и, кроме того, способствует более гибкой конструкции схемы.

– Снижение энергопотребления за счет реализации низкого ESR

Обычно для кварцевых резонаторов ESR имеет тенденцию к увеличению по мере уменьшения размера устройства. Однако с низким ESR (75 кОм) резонатор MEMS может генерировать стабильный опорный тактовый сигнал за счет уменьшения усиления IC, а также снижения энергопотребления на 13% по сравнению с обычным кварцевым кристаллом. (На основе внутренних тестов)

– Может быть встроен в корпус ИС

Благодаря корпусу масштабируемой микросхемы на уровне полупроводниковых пластин (WLCSP) на основе кремния резонатор может быть объединен с интегральной схемой, что устраняет необходимость в каких-либо внешних опорных сигналах низкочастотной синхронизации.

3. Наличие

Серийное производство нового резонатора планируется начать в декабре 2018 года под обозначением серии WMRAG.

Новый резонатор будет продемонстрирован на стенде Murata на выставке CEATEC JAPAN 2018, которая пройдет в Makuhari Messe с 16 по 19 октября 2018 г.

* 1 Самый маленький в мире резонатор 32,768 кГц, основанный на собственном исследовании, по состоянию на конец сентября 2018 г.
* 2 32,768 кГц используется в качестве опорного тактового сигнала для часов и ИС, поскольку его легко получить с высокой точностью. вторые сигналы, использующие эту частоту, с цифровыми электронными схемами.
* 3 MEMS относится к микроэлектромеханическим системам. Эти системы имеют трехмерные микроструктуры, сформированные с использованием технологии производства полупроводников.
* 4 Устройства синхронизации, такие как резонаторы, представляют собой пассивные компоненты, предназначенные для генерации опорного тактового сигнала при работе ИС. Высококачественные резонаторы генерируют высокоточные и стабильные сигналы, которые необходимы для стабильной работы ИС.
* 5 ESR означает эквивалентное последовательное сопротивление. Меньшее значение ESR указывает на более легкую генерацию стабильных тактовых сигналов.
* 6 Сравнительный размер по отношению к эквивалентному стандартному продукту размером 1,2 x 1,0 x 0,3 мм (ширина, длина, высота). (По состоянию на октябрь 2018 г.)

Веб-сайт продукта

https://www.murata.com/products/timingdevice/mems-r

Коротко о Мурате

Murata Manufacturing Co., Ltd. – мировой лидер в разработке, производстве и продаже пассивных электронных компонентов и решений на керамической основе, модулей связи и модулей питания.Murata занимается разработкой передовых электронных материалов и передовых многофункциональных модулей высокой плотности. У компании есть сотрудники и производственные мощности по всему миру. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Мураты по адресу www.murata.com

Хронометраж, или почему гелий может (временно) убить ваш iphone / ipad

В тот день, когда США переводят часы обратно на стандартное время, вот пост о хронометрии и его влиянии. Обычным компьютерам нужны часы, некий источник периодического напряжения, который сообщает микропроцессору, когда выполнять логические операции, сдвигать биты в регистрах, сохранять информацию в памяти или извлекать информацию из памяти. Исторически часы в компьютерных системах основывались на кварцевых генераторах или подобных устройствах. Кварц является примером пьезоэлектрика, материала, который генерирует напряжение при деформации (или, наоборот, деформируется при правильном приложении напряжения). Поскольку кварц – красивый материал с четко определенным составом, его упругие свойства хорошо воспроизводимы. Это означает, что его можно вырезать в механическом резонаторе (например, в камертоне), и до тех пор, пока вы можете хорошо контролировать размеры, вы всегда будете очень близки к той же частоте механического резонанса.Узор электродов на нем, превращающий кварц в конденсатор, и можно настроить электрическую цепь, которая принимает напряжение, возникающее при резонансной деформации кварца, усиливает этот сигнал и подает его обратно на материал, так что кристалл кварца резонатор будет звонить на своей собственной частоте (точно так же, как микрофон, направленный на динамик, может вызвать звон). Поскольку упругие и электрические свойства кварца слабо зависят от температуры, они могут работать как очень стабильные часы для компьютера, такого как настольный компьютер, планшет или смартфон, или для электрических наручных часов. Однако в последние годы для компаний стало привлекательным начинать замену кварцевых часов микроэлектромеханическими резонаторами. Хотя кремний не является пьезоэлектрическим и поэтому не может использоваться напрямую в качестве замены кварца, он обладает чрезвычайно воспроизводимыми эластичными свойствами. Однако, в отличие от пьезоэлектрических резонаторов, резонаторы MEMS обычно должны быть упакованы так, чтобы фактическая лопасть, кантилевер или камертон находились в вакууме . Молекулы газа могут заглушать резонатор, снижая его добротность и, следовательно, нарушая его стабильность частоты (или, возможно, демпфируя его движение настолько, что он просто не может функционировать как часть стабильной саморезонирующей цепи). Проблема, которая возникла недавно (см. Эту аккуратную статью), заключается в том, что слишком много газообразного гелия в окружающем воздухе может убить (по крайней мере временно) iPhone и другие устройства, которые используют эти часы MEMS. В среде, богатой гелием, например, при заполнении сверхпроводящих магнитов, молекулы гелия могут диффундировать через упаковку в среду резонатора. Ой. Предполагая, что устройство не повреждено навсегда (я могу представить, что цепи обратной связи делают странные вещи, если демпфирование выходит из строя), гелий должен снова диффундировать, чтобы решить проблему.

Подстройка кварцевых резонаторов: Как изменить частоту кварцевого резонатора | Электронные схемы

Как изменить частоту кварцевого резонатора | Электронные схемы

Проверка кварцевых резонаторов. – Измерительная техника – Инструменты

Russian HamRadio – Настройка точности хода кварцевых часов.

Выбор типа тактового генератора | others

Кварцевые резонаторы, что это такое и где они применяются?

Кварцевый резонатор – это… Что такое Кварцевый резонатор?

Принцип действия

Эквивалентная схема

История

Применение

Преимущества перед другим решениями

Недостатки

См. также

Примечания

Ссылки

Литература

Кварцевый генератор и резонатор: особенности и отличия

Немного об устройстве кварцевых генераторов и резонаторов

Страница не найдена | SiTime

Кварцевый двухсторонний резонатор с камертонной вилкой для измерения силы с высоким разрешением

– обзор

23.7 Звенья цепи

Statek Tech Notes

Измерение жидкости с использованием кварцевых камертонов – измерительная техника и приложения

Abstract

1. Введение

1.1. Преимущества использования камертонных датчиков для измерения жидкости

1.2. Определение вязкости и плотности с использованием QTF

2. Измерительная система

3. Приложения

3.1. Мониторинг содержания биодизеля в реальном времени

3.2. Определение дизельного топлива и сажи в моторном масле

3.3. Определение характеристик частиц с помощью контролируемого осаждения

Вклад авторов

Murata разрабатывает самый маленький в мире MEMS-резонатор на 32,768 кГц | Новости продукта

1. Справочная информация

2. Основные характеристики

– Более чем на 50% меньше, чем у обычных камертонных кварцевых резонаторов

– Встроенные нагрузочные конденсаторы

– Снижение энергопотребления за счет реализации низкого ESR

– Может быть встроен в корпус ИС

3. Наличие

Веб-сайт продукта

Коротко о Мурате

Хронометраж, или почему гелий может (временно) убить ваш iphone / ipad

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ