Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Computer ControlsComputer Controls
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.

leniuk 17 Wrz 2010 22:59 12968 21
  • Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.

    Witam wszystkich

    Mało kto zdaje sobie sprawę, że będący w powszechnym użyciu rezonator kwarcowy można z powodzeniem użyć jako sensora wartości nieelektrycznych. Powszechnie wiadomo że podstawową zaleta rezonatora kwarcowego jest duża dobroć i stabilność drgań. Sytuacja się zmienia w momencie kiedy rezonator zostanie podany czynnikom zewnętrznym. Najłatwiej to zauważyć poprzez podgrzanie rezonatora, które powoduje zmianę częstości drgań własnych. Okazuje się że rezonator kwarcowy może wykazać odchylenie od swojej częstości podstawowej z powodu innych czynników niż temperatura. Czynnikami tymi mogą być:
    -narażenia mechaniczne
    -promieniowanie
    -ciśnienie
    - przyśpieszenie
    -pole elektryczne
    -zmianę masy
    i wiele innych.

    Prezentowany projekt jest wynikiem ponad rocznego „znęcania się” nad rezonatorami kwarcowymi w celu przystosowania ich do pomiaru różnych wielkości fizycznych. Korzystając z układu udało mi się z sukcesem mierzić:
    -zmianie ciśnienia w zakresach 10^-5 Pa do 3,5 Bar (do tylu miałem manometr)
    -mierzyć temperaturę
    -mierzyć przyrosty masy rzędu ng
    Zainteresowanych użyciem rezonatora jako sensora odsyłam do publikacji „Rezonatory i generatory kwarcowe” C Klimek oraz do publikacji Kanazawy i Sauerbreya.

    :arrow:Słowo o układzie
    Aparatura pomiarowa składa się z dwóch części- stabilnego układu generatora oraz układu zbierającego dane. Podstawowym zadaniem układu zbierającego dane jest pomiar temperatury i częstości drgań rezonatora kwarcowego, a następnie przekazanie tych informacji poprzez port rs232. Pomiar temperatury realizowany jest poprzez termoparę typu K oraz cyfrowy termometr ds1820, którego zadaniem jest kompensacji zimnego końca. Całe urządzenie oparte zostało o mikro sterownik ATmega16 i zaprogramowane w języku BASCOM. Specjalnie napisana aplikacja przez kolegę Szkodniaka na komputer PC, pozwala na zbieranie informacji o zmianach częstości w funkcji temperatury i obrazowanie wyników.


    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych. Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych. Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych. Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    leniuk
    Poziom 13  
    Offline 
    leniuk napisał 115 postów o ocenie 54, pomógł 0 razy. Mieszka w mieście Wrocław. Jest z nami od 2005 roku.
  • Computer ControlsComputer Controls
  • #2
    me_super
    Poziom 29  
    leniuk napisał:


    Jak wam się podoba to wyraźcie to plusem ;)


    Najpierw pokaż jakieś wyniki, np. częstość w zależności od temperatury itp. :)
  • #4
    grala1
    Specjalista grupy V.A.G.
    Nie wiem czy dobrze to zrozumiałem ale Twoje urządzenie chyba wyświetla tylko wyniki czestotliwości z rezonatora i z termometru a Ty je porównujesz.
    Czy tak?
  • #5
    piotr5000
    Poziom 21  
    Częstotliwość drgań własnych rezonatora zależy od bardzo wielu czynników.
    Dlatego mam pytanie.
    Jeżeli chcesz zmierzyć przyśpieszenie , to jak i w jakim zakresie kompensujesz wpływ pozostałych czynników :

    -"narażenia" mechaniczne
    -promieniowanie
    -ciśnienie
    -pole elektryczne
    -zmianę masy
    i wiele innych.
  • Computer ControlsComputer Controls
  • #6
    Filip
    Poziom 23  
    Czym mierzyłeś tę częstotlowość (podanie 7 cyfr niewiele znaczy) i z jaką dokładnością?
  • #7
    leniuk
    Poziom 13  
    Urządzenie służy do zapewnienia stabilnej pracy rezonatora w różnych środowiskach i przekazanie wyników na komputer. Napisany przez kolegę program jest trochę biedny i nie analizuje danych- umożliwia tylko obserwacje f w funkcji t oraz zapisanie wyników. Dalsza obróbka to arkusz kalkulacyjny i wzorki :) Wieczorem dorzucę wykresy. Co do pomiaru przyspieszenia to nie wykonywałem eksperymentów z tym związanych, ale można było zaobserwować chwilową zmianę częstości podczas gwałtownego poruszenia rezonatorem. W tym eksperymencie nie ma potrzeby wyciągać rezonatora z obudowy więc wpływ pozostałych czynników poza temperatura jest do zaniedbania. Wystarczy tylko znać charakterystykę temperaturową rezonatora i dokonywać później pomiaru jego temperatury w celu korekty wskazań. Polecam książkę która podałem powyżej.
  • #8
    __Maciek__
    Poziom 19  
    Z tego co wiem to stabilność rezonatorów jest dosyć wysoka, do tego producenci dążą do tego aby była jeszcze lepsza. Z kolei w tego typu zastosowaniach jest wręcz odwrotnie.
    Kiedyś gdzieś przeczytałem że to kwestia kierunku cięcia kryształu kwarcu wpływa na stabilność (np. temperaturową) rezonatora.

    Zastanawia mnie jak kolega mierzył przyrosty masy rzędy ng ?? oraz jak wogóle wygląda pomiar masy przy użyciu zwykłego rezonatora.
    ( specjalny rezonator przystosowany do takich pomiarów to widziałem ).

    Zgadzam się z przedmówcą : jaka dokładność pomiaru częstotliwości ??

    Pomysł ogólnie IMHO godny uwagi i bliższemu przyjrzeniu się, ale prezentacja na razie zbyt uboga - zatem czekamy na jakieś wyniki.
  • #9
    riddyk
    Poziom 20  
    Czy te zależności są liniowe czy nieliniowe, jeśli nieliniowe to drugiego, trzeciego stopnia? Potencjalne czy ekspotencjalne?

    Oraz czy czułości są na tyle czułe żeby użyć je w praktyce?

    Po prostu zaprezentuj charakterystyki częstotliwości względem ciśnienia.

    Bo to mnie interesuje, a odniesienie do literatury jest takim w moim odczuciu zbyciem ludzi, przeczytajcie to się dowiecie.

    Jak sprawdziłeś poprawność generacji kwarca wzorcowego ?



    Edit: Stabilność temperaturowa kwarca wynosi 5-12ppm.
  • #10
    misiu_1
    Poziom 11  
    riddyk:
    Funkcje mogą być eksponencjalne, a nie "ekspotencjalne". Funkcja wykładnicza o podstawie e to eksponenta, a nie... ekspotenta :)

    Pozdr
  • #12
    leniuk
    Poziom 13  
    Wybaczcie skromny opis- sądziłem raczej że projekt zostanie potraktowany jako ciekawostkę. Temat jest naprawdę obszerny i nie starczyło by mi siły o wszystkim pisać. Zacznę więc od początku- pomiar częstotliwości dokonuje atmega metodami wałkowanymi na forum już dziesiątki razy. Dokładność pomiaru na początku wynosiła 60 Hz (porównując z przyrządem do tego celu stworzonym), ale ostatecznie udało się uzyskać dokładność +/-2 Hz przy 4 Mhz. Cykl pomiarowy to około 1.8s z czego 1s na zliczanie impulsów z rezonatora i 0,8s na próbkowanie napięcia z termopary i odczytanie danych z ds1820. Uzyskane dane w postaci nieobrobionej wysyłane są do komputera a przybliżona temperatura prezentowana jest na wyświetlaczu.
    Oczywiście nie rezonatora który nadaje do wszystkich eksperymentów, dużo zależy od typu cięcia kryształu i co za tym idzie rodzaju drgań(AT,BT,CT i masa innych) oraz na której harmonicznej pracuje. W moich eksperymentach używałem rezonatorów cięcia AT pracujących na podstawowej harmonicznej. Najczęściej używałem miniaturowego rezonatora 4 MHz oraz polskiego z lat komuny 7 MHz.
    Jeśli chce się mierzyć temperaturę potrzeba specjalnego rezonatora o ostrej charakterystyce temperaturowej (np.100-1000 Hz/°C). Przykładem może być opracowany w Polsce w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym rezonator min-AT o cięciu Y+5 (walec o rozmiarach 8x3mm), cechujący się rozdzielczością użyteczną rzędu 0.001 K w zakresie -50 °C do 150 °C.
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.


    Co do pomiaru masy, to QCM jest powszechnie znaną i dość starą metoda, swoimi początkami sięgająca lat 50. Podstawą tej metody jest wycechowanie czułości masowej rezonatora (zwykle około 1-4ng/Hz). Cechowanie wagi polegało na naparowaniu w próżni cienkich warstw na rezonator kwarcowy oraz zwykłą płytkę szklaną. Kolejnym krokiem jest zmierzenie grubości warstwy z płytki szklanej w mikroskopie interferencyjnym. Z uzyskanej grubości warstwy i odnotowanej zmiany częstości jesteśmy wstanie wyznaczyć czułość masową.

    http://www.greczylo.ifd.uni.wroc.pl/papers/abid14_3_09.pdf
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.

    Pomiar ciśnień odbył się w dwóch etapach dla ciśnienia malejącego od atmosferycznego oraz dla rosnącego od atmosferycznego. Dla ciśnienia leżącego poniżej wartości 40 Tr, charakterystyka ulega ostremu zakrzywieniu, zbliżając swoją postać do wykresu funkcji wykładniczej. Powyżej tego ciśnienia zależność częstotliwości można przybliżyć funkcją liniową.

    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.
    Zmierzona zależność częstotliwości rezonatora od ciśnienia (dla ciśnień powyżej ciśnienia atmosferycznego)
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.
    i poniżej
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.
    Aparatura pomiarowa do badań w podwyższonych cieśninach. A- przyłącze na manometr (do 2.5 Bar), B – złącze do kompresora, C- przepust rezonatora.
  • #13
    piotrva
    Moderator na urlopie...
    kawał dobrej roboty i rzeczywiście oprócz poglądu na zmiany częstotliwości rezonatorów daje ciekawe narzędzie do eksperymentów z pomiarami.
    I ponawiam sowje pytanie o oprogramowanie, czy zamierzasz ja udostępniać??
  • #14
    leniuk
    Poziom 13  
    Ciesze się że projekt się podoba i jeszcze bardziej się będę cieszył jeśli się komuś przyda. Mój kod na atmega mogę udostępnić . Co do kodu kolegi to muszę zapytać. Jestem studentem fizyki i urządzenie prezentowane pomagało mi w realizacji tematu mojej pracy. W swojej pracy wykorzystałem "wady" rezonatora, które z czasem (po rozmowach z promotorem i z wfia uwr) okazały się wielkimi zaletami. Dlatego strasznie namawiałem do lektory książki podanej powyżej, bo szczegółów i możliwości jest więcej. Niebawem zaprezentuje najciekawsze wyniki tej pracy ;) Na razie mogę odpowiedzieć na pytania związane z materiałami zamieszonymi ;)
  • #15
    AlekZ
    Specjalista - lampy próżniowe
    Mnie interesuje, co jest poniżej 40 Tr oraz co się dzieje po zmianie rodzaju gazu.
  • #16
    H3nry
    Poziom 30  
    Świetny temat , ciekaw jestem jak by się sprawdzał jako przepływomierz gazowy :?:
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.
  • #17
    Duch__
    Poziom 31  
    Witam. Temat niezwykle interesujący. Mógłby kolega poprawić zdjęcia w pierwszym poście, bo nie idzie ich powiększyć?
  • #18
    leniuk
    Poziom 13  
    Zakres w kierunku ciśnień malejących jest ograniczony i dlatego element ten nie nadaje się do pomiarów ultra wysokich próżni. Pomiary wykonałem do ciśnienia 2*10^-4 Tr- na tyle pozwała użyta przez mnie aparatura. Kolejna wadą elementu jest sorpcja gazów a następnie powolna desorpcja w warunkach próżniowych. Zmiana częstości spowodowana desorpcją jest niewielka i do zaobserwowania po kilku dniach trzymana rezonatora w próżni. Dodatkowo z powodu starzenia się rezonator oraz absorpcji na powierzchniach rożnego rodzaju substancji, czujnik ten nie nadaje się w prosty sposób do pomiaru ciśnienia bezwzględnego, a jedynie do monitorowania zmian ciśnienia. Nie prowadziłem prób z rożnymi gazami, ale wdaje mi się że w zakresie niskich ciśnień nie powiano być wielkich różnic.

    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.

    Co do przepływomierza gazu to mogę powiedzieć że rezonator wykazuje zmianę częstości jak się na niego dmucha. Prawdopodobnie wynika to z powstania naprężeń mechanicznych w miejscach przyłączenia elektrod. Być może będzie problem z niestałością częstotliwość spowodowaną zbyt dużą rozdzielczością czasową rezonatora i zaburzeniami w przepływie- ale problem na drodze programowej do ominięcia.

    Chętnym do zabaw z rezonatorami polecam polskie rezonatory z czasów komuny. Obudowa w nich jest lutowa i bez problemu można ją zdemontować.

    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych. Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.
  • #19
    Alchemik84
    Poziom 14  
    Na jakim układzie zrealizowałeś "stabilny układ generatora" bo załączone schematy są trochę słabej jakości (chyba widzie AD811)?
  • #20
    leniuk
    Poziom 13  
    Użyłem układu LT1016, który na wyjściu dawał już przebieg prostokątny. Ten AD to według Eagle jego zamiennik. Zastosowany układ jest ciężki w zdobyciu (nie wiem jak z AD), ale dość dobrze w niektórych eksperymentach radził sobie układ zbudowany na tranzystorach.
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych. Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.
  • #21
    SP3SWJ
    Poziom 18  
    Chyba w zamieszczonym opisie nie ma informacji (albo przeoczyłem) na temat stabilności twojej F-miarki - brak tym samym pewności czy odczyty pływają z winy częstościomierza czy kwarcu.

    Na chwilę obecną by domowo zrobić dobrą F miarkę to chyba wykorzystanie sygnału GPS jako wzorca jest najlepsze Link
    Rozwiązanie z linku ma dokładność 0,5Hz @ 10 GHz czyli 0,0005Hz @ 10 MHz :-)


    Kolejna sprawa to wszystkie elementy generatora kwarcowego powinny być umieszczone w termostacie - by wykluczyć ich wpływ na pomiary.

    Oczywiście preskaler i wszelkie elementy wprowadzające błędy powinny zostać zoptymalizowane pod kątem minimalizacji błędów - pomiarowych - albo wprowadzane błędy powinny być obliczone i uznane jako nie mające wpływu na wynik.

    Kolejna sprawa - jitter - jaki wpływ na kwarc i powtarzalność generowanego przebiegu maja różne warunki fizyczne. Widmo generowanego sygnały przydało by się obejrzeć na dobrym analizatorze widma (od biedy oscyloskop z szybkim FFT jest lepszy niż nic )

    Bardzo ważne też jest jaki wpływ maja warunki zewnętrzne na "poszczególne elementy w schemacie zastępczym" kwarcu pomiar Xtal 1 pomiar Xtal 2

    Jak wpływa to na rezonans szeregowy i równoległy dobrze widać podczas pomiaru wobuloskopem :-)
    Rezonator kwarcowy w pomiarach wartości nieelektrycznych.




    Zagadnienie fajnie - typowo akademickie, ale teraz po wstępnych doświadczeniach powinieneś jeszcze raz usiąść do tematu by tym razem zrobić to profesjonalnie.

    :-) ... powodzenia... :D
  • #22
    Pi-Vo
    Poziom 37  
    Ja bym temat nazwał "Badanie wpłwu czynników fizycznych na częstotliwość rezonatora kwarcowego". Bo tak na serio do pomiaru temperatury nadaje się np. termistor albo zwykła dioda, do ciśnienia czujniki, również półprzewodnikowe, do nacisku tensometr, przyśpieszenia akcelerometr, promieniowania, zależnie od rodzaju i długości fali choćby fototranzystor itd. Tu wartość pracy polega na wynikach badań a nie przydatności do pomiarów, bo jak ktoś wspomniał rezonatory służą jako wzorzec i mają być jak najbardziej niezależne od czynników zewnętrznych.