Parametric autogenerator transducers for measuring the thickness of materials based on capacitor sensitive elements

Abstract

У статті розглянуто основні характеристики параметричних автогенераторних товщиномірних перетворювачів з частотним вихідним сигналом. Конструкція запропонованих автогенераторних перетворювачів виконана на основі транзисторних структур з негативним диференціальним опором. В якості параметричних перетворювачів для вимірювання товщини матеріалів використовуються конденсатори з круглою і прямокутною кришками, які є пасивними елементами перетворювачів автогенераторів, що значно спрощує конструкцію приладів для вимірювання товщини матеріалів. Розроблено математичні моделі автогенераторних перетворювачів на основі принципу перетворення енергії постійного електричного поля в енергію змінного електричного поля, що дозволило отримати функції перетворення та чутливості автогенераторних перетворювачів без використання досить складного методу отримання рівнянь Кірхгофа з нелінійних еквівалентних схем параметричних перетворювачів. Показано, що основний внесок у зміну функцій перетворення та рівняння чутливості вносить зміна товщини вимірюваного матеріалу, яка викликає зміну еквівалентної ємності та від’ємного диференціального опору в коливальній системі автогенераторів, який змінює вихідну частоту перетворювачів автогенератора. Чутливість товщиномірних перетворювачів змінюється від 5,31 кГц/мкм до 7,5 кГц/мкм в діапазоні товщин від 0 до 500 мкм. Автогенераторні перетворювачі товщини з частотним виходом не потребують аналого-цифрових перетворювачів і підсилювачів для подальшої обробки інформаційних сигналів, що значно здешевлює інформаційно-вимірювальну апаратуру, а при роботі на надвисоких частотах можлива передача інформації. на значні відстані.

The article examines the main characteristics of parametric autogenerator thickness measurement transducers with a frequency output signal. The design of the proposed autogenerator transducers is based on transistor structures with negative differential resistance. Capacitors with round and rectangular covers are used as parametric transducers for measuring the thickness of materials, which are passive elements of autogenerator transducers, which greatly simplifies the design of devices for measuring the thickness of materials. Mathematical models of autogenerator transducers were developed based on the principle of converting the energy of a constant electric field into the energy of an alternating electric field, which made it possible to obtain the conversion and sensitivity functions of autogenerator transducers without using a rather complicated method of obtaining Kirchhoff equations nonlinear equivalent circuits of parametric transducers. It is shown that the main contribution to the change in the conversion functions and the sensitivity equation is made by the change in the thickness of the measured material, which causes a change in the equivalent capacitance and negative differential resistance in the oscillating system of autogenerators, which changes the output frequency of the autogenerator transducers. The sensitivity of thickness measurement transducers varies 5.31 kHz/μm to 7.5 kHz/μm in the thickness range 0 to 500 μm. Autogenerator transducers for thickness measurement with frequency output do not require analog-digital transducers and amplifiers for further processing of informative signals, which significantly reduces the cost of information-measuring equipment, and when working at ultra-high frequencies, it is possible to transmit information over considerable distances.