CC BY
98
УДК 681.586 (076.5)
ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ
В. А. Васильев, д. т. н., профессор Тел.: (8412) 368 446, e-mail: opto@bk.ru И. Р. Вергазов, аспирант Тел.: (8412) 368 446, e-mail: ilwe@mail.ru Н. В. Громков, д. т. н., профессор Тел.: (8412) 368 261, e-mail: ngrom@bk.ru С. А. Москалёв, аспирант Тел.: (8412) 368 446, e-mail: sa_moskalev@mail.ru Пензенский государственный университет http://www.pnzgu.ru
The thin-film pressure sensors on a basis of nano - and microelectromechanical systems with the frequency target signal, steady against influence of non-stationary temperatures, are considered. Frequency transformation is carried out on a principle of integrating developing transformation. The various technical decisions and results of pressure sensors with a frequency target signal are offered.
Рассматриваются тонкоплёночные датчики давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем с частотным выходным сигналом, устойчивые к воздействию нестационарных температур, инвариантные к изменению напряжения питания. Частотное преобразование осуществляется на принципе интегрирующего развёртывающего преобразования. Предлагаются различные технические решения датчиков давления с частотным выходным сигналом.
Ключевые слова: датчики давления, нано- и микроэлектромеханические системы, частотный выходной сигнал, нестационарная температура
Keywords: pressure gageus, nano - and microelectromechanical systems, frequency target signal, non-stationary temperatur
Технический прогресс и развитие различных отраслей промышленности связаны с созданием и внедрением информационно-измерительных систем (ИИС) и автоматизированных систем управления. Развитие измерительных систем контроля и управления характеризуется широким использованием измерительных преобразователей различных физических величин в электрические сигналы, удобные для последующей обработки и передачи на значительные расстояния. Измерительные преобразователи (первичные и вторичные) являются важной частью любой ИИС и в значительной степени определяют её метрологические характеристики. Среди большого многообразия выпускаемых первичных измерительных преобразователей датчики резистивного типа (тензорезисторные, терморезисторные, пьезорезисторные и т.п.) занимают особое место в силу своей многофункциональности при измерении давлений, температур, механических деформаций и перемещений, ускорений и др., а также простоты схемной реализации измерительной цепи (ИЦ), высокой технологичности, надёжности и возможности адаптации к преобразователям аналоговых сигналов в частоту или код. Для работы с датчиками резистивного типа широкое применение в ИИС получили вторичные измерительные преобразователи параметров датчиков в частоту. Интерес к данным измерительным преобразователям обусловлен рядом достоинств частотного представления информации: при использовании частотных преобразователей открывается возможность достижения более высокой точности измерения; частотный сигнал обладает значительно более высокой помехоустойчивостью и малой чувствительностью к изменению параметров линий связи; обработка частотных сигналов и их точное интегрирование по времени выполняются достаточно просто.
Для работы в экстремальных условиях при воздействии различных дестабилизирующих факторов (температура, вибрации, ускорения, нестабильность источников питания и др.)
пригодно лишь малое число датчиков. Особое место среди всех дестабилизирующих факторов занимает температура [1]. Для компенсации температурной погрешности датчиков давления используют различные методы: конструктивные, технологические, схемные и др. [2].
Перспективным направлением получения новых качественных свойств, как первичных, так и вторичных измерительных преобразователей, является применение нано- и микроэлектронных технологий и новых материалов, обеспечивающих повышенные эксплуатационные показатели. Анализ показывает, что перспективным направлением в создании микроэлектронных датчиков давления с частотным выходом, устойчивых к воздействию стационарных и нестационарных температур, является интеграция тонкоплёночных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) [3] с частотными интегрирующими преобразователями [4], выполненными в виде интегральных микросхем. При этом представляется возможным снизить энергопотребление (на порядок) измерительной цепи датчика, по сравнению с микропроцессорными датчиками существенно улучшить динамические характеристики, обеспечить инвариантность к нестабильности источников питания, повысить помехоустойчивость при передаче сигнала, как по проводным, так и беспроводным линиям связи. Такие микроэлектронные датчики давления с частотным выходом востребованы для использования в распределённых системах сбора и обработки информации. При их применении отпадает необходимость в сложных микропроцессорных устройствах и аналого-цифровых преобразователях, устанавливаемых в каждом датчике.
Исследование возможностей совмещения функций элементов НиМЭМС и частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей (ЧИРП) позволило разработать устройства для измерения давления с частотным выходным сигналом, обладающие повышенной точностью, пониженным энергопотреблением, уменьшенной погрешностью от нестабильности источников питания.
Особенность разработанных измерительных преобразователей заключается в том, что путем введения в схемы частотных преобразователей дополнительных элементов (резисторов), включенных последовательно с диагональю питания или измерительной диагональю тензомоста и выполненных из того же материала, что и тензорезисторы датчика давления, удалось скомпенсировать температурную погрешность преобразования. Дополнительные резисторы формируются на упругом элементе датчика в зоне, нечувствительной к механическим деформациям, но чувствительной к изменению температуры измеряемой среды.
Инвариантность измерительных преобразователей к нестабильности источников питания и изменениям параметров линий связи достигается наличием отрицательных обратных связей ЧИРП, которые исключают напряжение питания и сопротивление проводов линий связи из функций преобразования измерительных преобразователей.
На рис. 1 (как один из вариантов) представлена функциональная электрическая схема устройства для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромехани-ческой системы [5].
Ншкоомная
О 1еНТ4Г»ЛеМСН1
/'окр
а) б)
Рис. 1. Функциональная электрическая схема (а) и топология НиМЭМС (б) устройства для измерения давления с частотным выходом
Частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста ТМ датчика давления содержит интегратор Инт., выполненный на операционном усилителе ОУ1 с конденсатором Си в цепи обратной связи, компаратор ОУ2. Выход операционного усилителя ОУ1 подключен к первому входу компаратора ОУ2, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя ОУ1
интегратора включен дозирующий конденсатор Сд. Инвертирующий вход операционного усилителя интегратора через первый резистор интегратора Яи соединён с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а её другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя ОУ1 интегратора и второму входу компаратора ОУ2. Первый дополнительный резистор Лд1 включен между первой вершиной диагонали питания тензомоста и выходом компаратора ОУ2, второй дополнительный резистор Яд2 подключен ко второй вершине диагонали питания тензомоста и соединён с шиной «земля», а второй резистор интегратора Я0 подключен между инвертирующим входом операционного усилителя ОУ1 интегратора и шиной «земля». Топология измерительной схемы датчика давления на основе НиМЭМС показана на рисунке 1б. Дополнительные резисторы Яд1 и Яд2 выполнены из того же материала, что и тензорезисторы (тензоэлементы) тензомоста датчика, их сопротивления равны между собой (по номиналу), могут быть кратными сопротивлению тензомоста, сформированы на основании за границей мембраны в зоне, нечувствительной к механическим деформациям от давления.
Выражение для выходной частоты преобразователя
г = 1 = 1 (£я. , (1)
У Т 2(1 - + 2т)Са {Я 2Яд )
где еЯ = АЯ/Я - относительное изменение сопротивления Я тензомоста под действием давления, т=Яд1/Я и п=Яд2/Я- коэффициенты, равные отношению сопротивлений Яд1 и Яд2 к сопротивлению Я тензомоста, Сд - ёмкость дозирующего конденсатора, Яи - сопротивление резистора интегратора, Я0 - сопротивление второго резистора интегратора.
Из выражения (1) видно, что при нулевом разбалансе тензомоста (е Я = 0) и равенстве сопротивлений дополнительных резисторов Яд1 и Яд2 (п=т) начальная частота/0 выходного сигнала преобразователя может задаваться с помощью величин ёмкости конденсатора Сд и сопротивления Я0 второго резистора интегратора и равна
. (1 +2п) = 1 . (2)
70 4(1 + 2т)СдЯо 4ЯоСд
При разбалансе тензомоста в ту или другую сторону, как это происходит в датчиках дифференциального давления, величина относительного изменения сопротивления плеч тензомоста будет изменяться в зависимости от измеряемого давления в диапазоне от -0,01 до +0,01 (ея = 0 + ±0,01) и учитывая то, что эта величина значительно меньше единицы, из выражения (1)
можно определить девиацию частоты д/ выходного сигнала преобразователя
Д/ ~Я____________, (3)
7 ~ 2(1 + 2т)СдЯи
которая может задаваться и устанавливаться более точно с помощью величин ёмкости конденсатора Сд и сопротивления первого резистора Яи интегратора.
Зависимость Рвых от температуры, от п и т при разбалансе тензомоста =-0,01
5400 Ь200 =Г '.»ООО го 5 -1800 со 4ЫЮ гг 4400 4700 4000 ^
^
А
150 100 50 0 50 100 150
И п _ т -1 й п=т=4 4614 47ЯЭ 48/9 4932 >1960 4977 444Я 4У83 4993 5033 5010 S?4Ґ> 537.4 5131) 50? 7 5043 S4<^í) 51// 5059
Зависимость Гвых от температуры, отпит при разбалансе тензомоста =0,01
15400 15200 =Г ^ 15000 р ^ 14X00 ГО 14ЫК) Т- 14400 14200 14000 —п=т=0
"—■г—-ї4"^
-1 чо 15500 •1СИ» -ко 15322 15156 (I 40 1 5000 14853 1(Ю 14/14 140 1458.1
Я п=т=1 —А— п=т=4 15155 15051 15102 15050 150.14 15017 15000 14950 15000 1498.1 14901 14967 14Н54 14950
а) б)
Рис. 2. Зависимость частоты выходного сигнала от п и т при разбалансе тензомоста є к = -0,01и +0,01
Математическое моделирование устройства с учётом реально возможных значений параметров схемы и заданных диапазонов разбаланса тензомоста, температуры разогрева датчика давления, частоты выходного сигнала, конкретных значений температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов и дополнительных резисторов позволило получить графические зависимости выходного сигнала от изменения перечисленных выше параметров.
При включении в схему устройства дополнительных резисторов Лд1 и Яд2 с увеличением соотношения т= Яд\/Я и п= Яд2/Я (m=n=1; 4; и т.д.) и размещении их на основании мембраны датчика давления происходит уменьшение температурной погрешности преобразования частоты выходного сигнала, как показано на рисунке 2а,б.
Используя различные схемотехнические решения, путём введения в схемы частотных преобразователей дополнительных элементов (резисторов, конденсаторов, делителей напряжения и т.п.) в цепи отрицательной обратной связи, а также конструктивно-технологические решения и различные топологии размещения тензорезисторов на чувствительном элементе (например, на мембране) представляется возможным значительно (в несколько раз) уменьшить температурную погрешность датчиков, работающих в широком диапазоне температур. При этом начальную частоту и диапазон изменения частоты выходного сигнала преобразователей можно задавать по требованиям заказчика в зависимости от условий их применения.
Как показали исследования, частотные интегрирующие развёртывающие преобразователи обеспечивают эффективное преобразование сигналов малого уровня (единицы милливольт) датчиков резистивного типа с приемлемой точностью (погрешностью не более 1 %) в широком диапазоне температур (от - 150оС до + 150 оС), открываются новые возможности по компенсации температурных погрешностей. При их применении отпадает необходимость в сложных микропроцессорных устройствах и аналого-цифровых преобразователях, устанавливаемых в каждом датчике.
Литература
1. Belozubov E. M., Vasil’ev V. A., Izmailov D. A. Effect of thermal shock on a membrane-type transducer // Measurement Techniques. - USA, New York: Springer, 2009. V. 52. № 2. P. 155-160 с..
2. Belozubov E. M., Vasil'ev V. A., Gromkov N. V. Minimization of the effect of temperature on thin-film nano- and microelectromechanical systems and pressure sensors based on them // Measurement Techniques. -USA, New York: Springer, 2009. V. 52. № 8. P. 853 - 858.
3. Belozubov E. M., Vasil'ev V. A., Gromkov N. V. Thin-film nano- and micro-electromechanical systems -the basis of contemporary and future pressure sensors for rocket and aviation engineering// Measurement Techniques. - USA, New York: Springer, 2009. V. 52. № 7. P. 739-744.
4. Громкое Н. В. Интегрирующие развёртывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: Монография / Громкое Н. В. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. - 244 с.
5. Васильев В. А., Громкое Н. В. Устройство для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом. Патент РФ № 2398196 от 27.08.2010 г.
УДК 621.377.6
РАЗРАБОТКА ФОРМАТА ХРАНЕНИЯ ГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ В ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
А. Н. Кокоулин, к. т. н., доцент кафедра «Автоматика и телемеханика»
Тел.: (902) 474 5399, e-mail: liga_asu@mail.ru Е. Л. Кон, к. т. н., профессор кафедра «Автоматика и телемеханика»
Тел.: (912) 786 2120, e-mail: kel-40@yandex.ru Пермский государственный технический университет
http://pstu.ru
The authors describe the basic principals of the graphic image file format for distributed and local storage systems. The main features of this project are: distributed N,K-block-oriented fault-tolerant storage scheme; each distributed storage contains the single graphic image (file) with the maximum resolution and color depth and clients can request that image in their required resolution and color depth without any server-side calculations: the required image can be constructed from several downloaded blocks on client side; several le-
