CC BY
24
УДК 621.317.39.084.2 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.2(118).13-15
ОСЦИЛЛИСТОРНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ П.Н.Дробот, Р.А.Толстиков, А.Д.Трушин OSCILLISTOR DISPLACEMENT SENSORS WITH FREQUENCY OUTPUT
P.N.Drobot, R.A.Tolstikov, A.D.Trushin
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, dpn7@mail.ru
Предложена конструкция датчика линейного перемещения с частотным выходом, построенного на основе осциллисторного RF-преобразователя. Проведен анализ измерительных характеристик полученного датчика линейного перемещения, показано, что зависимость частоты f измерительного сигнала датчика от перемещения lR является линейной, установлен аналитический вид характеристики f (lR ) и показано, что коэффициент линейной корреляции имеет значение, очень близкое к единице. Такой же анализ выполнен относительно амплитуды сигнала датчика. Установлено, что датчик обладает высокой чувствительностью (4,4 кГц/мм) и значительной амплитудой измерительного сигнала, что позволяет не применять его предварительное усиление. Высокая устойчивость частотного сигнала датчика к внешним электромагнитным помехам облегчает передачу частотного сигнала на большие расстояния по простым линиям. Установленные измерительные характеристики упрощают использование датчика линейного перемещения с частотным выходом в практических применениях. Ключевые слова: осциллистор, частотный выход, перемещение, датчик
An analysis of the measurement characteristics of the obtained linear displacement sensor was carried out. It was shown that the dependence of the frequency of the sensor measuring signal on the displacement lR is linear. Also, an analytical form of the characteristic f(lR ) is established and it is shown that the linear correlation coefficient has a value very close to unity. The same analysis was performed with regard to the sensor signal amplitude. It was found that the sensor has a high sensitivity of 4.4 kHz/mm and a measuring signal significant amplitude, which enables to overlook its preliminary amplification. High stability of the sensor frequency signal according to external electromagnetic interference facilitates the frequency signal transmission over long distances along simple lines. The established measuring characteristics simplify the use of a linear displacement sensor with a frequency output in practical applications.
Keywords: oscillistor, frequency output, displacement, sensor
Интерес к датчикам с частотным выходом, построенным на свойствах физического электронного эффекта, обусловлен их уникальными свойствами. Во-первых, переменный сигнал с определенной частотой / можно передавать на расстояние до нескольких километров по простой двухпроводной линии, не опасаясь внешних электромагнитных помех, иногда — по однопроводной линии, используя заземление общего провода, об этом отмечается, например, в работах [1,2]. Во-вторых, указанные датчики не используют в своем составе сложную радиоэлектронную схему или специализированную микросхему и осуществляют прямое преобразование измеряемой величины в частоту за счет свойств физического эффекта. В-третьих, технология изготовления таких датчиков отличается простотой, так как не требует применения высоких технологий микроэлектроники, поскольку чувствительным элементом часто является простая диодная структура. Конечно, такая диодная структура нередко имеет свои физические особенности изготовления, что не усложняет технологию, но зачастую составляет предмет ноу-хау разработчика.
Измерительные системы с цифровым выходом изготавливают как с аналоговыми датчиками, имеющими амплитудный выходной сигнал, так и с частотными. В первом случае в измерительную систему входит преобразователь аналоговой величины в дискретную, часто необходим также предварительный усилитель слабого аналогового сигнала датчика. Кроме того, нужен источник питания всей
перечисленной электроники, располагаемый в непосредственной близости от нее, что в целом существенно усложняет аппаратуру и ограничивает точность измерения. Предпочтение следует отдать частотным измерительным системам, первичным элементом которых является датчик с частотным выходом [1,2].
Интерес к частотным датчикам привел к организации в конце двадцатого века международной ассоциации International Frequency Sensor Association (IFSA, sensorsportal.com). В настоящей работе рассмотрен датчик линейного перемещения с частотным выходом, построенный на свойствах осциллисторно-го эффекта.
В работе [3] представлен осциллисторный RF-преобразователь, способный преобразовать сопротивление в интервале 0—90 Ом в частоту переменного сигнала. Поскольку для развития осциллистор-ного эффекта необходимо магнитное поле, в конструкции RF-преобразователя предусмотрены два малогабаритных постоянных магнита из сплава FeNdB. Между полюсами магнитов в магнитном зазоре располагается кремниевая диодная структура с двумя инжектирующими контактами, подключенная последовательно с резистором нагрузки и переменным сопротивлением Rд к источнику питания, которым служит генератор прямоугольных импульсов. Питание преобразователя одиночным прямоугольным импульсом напряжения или последовательностью импульсов обеспечивает тепловой баланс диодной
структуры, работающей в режиме двойной инжек-ции. При неизменных значениях температуры окружающей среды Т, напряжения питания и* и магнитного поля В частота осциллисторной генерации f и амплитуда сигнала А зависят от напряжения на диодной структуре U0, которым можно управлять, изменяя значение Rд.
Для RF-преобразователя [3] при комнатной температуре и и* = 46 В экспериментально определены зависимости частоты f и амплитуды колебаний напряжения А на нагрузке RН = 10 Ом от величины сопротивления Rд. Эти зависимости — линейные, что является достоинством любого преобразователя. Частота f уменьшается от 286 кГц при Rд = 0 Ом до 182 кГц при Rд = 90 Ом, чувствительность df/dR составляет 1,2 кГц/Ом. Амплитуда колебаний А уменьшается от 0,4 В при Rд = 0 Ом до 0,02 В при Rд = 90 Ом.
Полученная в эксперименте измерительная характеристика f ^д) описывается выражением
f = a + bRд. (1)
Следует отметить, что зависимость А^д), полученная в эксперименте, также имеет линейный характер.
для разработки осциллисторного датчика линейного перемещения с частотным выходом в качестве Rд был взят отечественный ползунковый резистор СП3-23 с линейным типом характеристики. В соответствии с технической характеристикой этого переменного резистора при положении ползунка 1ц = 0 мм Rд = 0 Ом, а при 1я = 60 мм — Rд = 220 Ом. Из линейной зависимости R(lR ) установлено аналитическое выражение для зависимости R(lR ) = с4к, которое подставляется в выражение (1) для установления аналитического вида зависимости f (^ ). Искомая зависимость f (^ ) является выходной характеристикой датчика линейного перемещения с частотным выходом и описывается выражением
f (1К ) = а+Ь Ык. (2)
Аналогичный анализ для линейной зависимости амплитуды выходного сигнала RF-преобразователя А ^ д)
А(Rд) = аА + bАRд (3)
приводит к линейной зависимости амплитуды выходного сигнала датчика линейного перемещения А(^)
А(Ю = аА + Ьа-Ые. (4)
Численные коэффициенты имеют значения: а=285796; Ь = -1193; с = 3,6667; аА = 0,3899; ЬА= -0,0042. Установлено, что коэффициент линейной корреляции в линейных зависимостях, описываемых аналитическими выражениями (1)-(4), очень близок к единице и составляет величину |г|=0,998. Отсюда следует вывод о высокой степени линейности измерительных характеристик осцил-листорного преобразователя и датчика линейного перемещения на его основе. Абсолютные ошибки в определении коэффициентов а и Ь имеют значения Да = 1228 и ДЬ = 23. Соответствующие значения относительных погрешностей малы 5а = 0,4%, 5Ь = 2%. Обработка данных для амплитуды осцил-листорного сигнала А позволила установить: ДаА = 0,0073; ДЬА = 0,0001; 5аА = 2%; 5ЬА = 2,4%.
№
Ё I—
О Л 3"
300 280 260 240 220 200
5 10 15 20 25
160 140 120 100
к
\ 1 \
\ 1 _
\ -
-
I \ -
К I
(
к.
1,0
0,9 0,8 0,7 0,6
ш
5 10 15 20 Перемещение, / мм
25
0.5 в
СП
0,4 £ ц
с
0,3 <
0,2
0,1
0,0
-0,1
Рис.1. Измерительные характеристики датчика линейного перемещения: 1 — зависимость частоты от перемещения; 2 — зависимость амплитуды от перемещения
На рис.1 представлены измерительные характеристики осциллисторного датчика линейного перемещения с частотным выходом. Измерительная характеристика датчика, зависимость частоты от перемещения — линейная и описывается выражением (2). Чувствительность высокая — dfldlR = 4,4 кГц/мм. Экспериментальные значения Д^) и А(1л) имеют небольшой разброс вполне понятной природы, определяемый случайными погрешностями в эксперименте. Зависимости, представленные выражениями (2) и (4), хорошо совпадают с экспериментальными данными.
Из анализа результатов, представленных на рис.1, следует вывод о больших значениях амплитуды переменного сигнала, генерируемого осцилли-сторным датчиком линейного перемещения с частотным выходом. Как видно из кривой 2 на рис.1, амплитуда измерительного сигнала датчика меняется от 0,4 В до 0,02 В. Такие значения амплитуды сигнала не требуют его дополнительного усиления, что упрощает измерительную систему и применение датчика на практике в различных условиях. В экспериментальных исследованиях для выявления всех параметров датчика линейного перемещения с частотным выходом переменный резистор Rд, роль которого выполнял ползунковый потенциометр СП3-23, располагался в непосредственной близости от RF-преобразователя и исследовательской установки с контролирующими приборами. После выполнения этих исследований были проведены другие, соответствующие практическим задачам применения датчика.
Следуя известной классификации Бриндли [4], можно отметить, что в измерительной системе суще-
ствуют три вида сигналов: аналоговый, цифровой и кодированный цифровой. Согласно этой классификации сигнал частотного датчика относится ко второму виду и представляет собой цифровой сигнал, в котором функция, например частота, используется для представления значения исходного параметра [4]. Описанный датчик линейного перемещения с частотным цифровым сигналом может быть использован в условиях, где информацию необходимо передавать на расстояние до нескольких километров. При осуществлении автоматизированного контроля одиночными импульсами можно поочередно запрашивать такие приборы и получать информацию в частотном виде, преобразование такого сигнала в цифровой код значительно проще, чем аналогового сигнала [1,2].
В реальных применениях контроля перемещения, например движущихся узлов механизмов и машин или робототехнических комплексов, необходимо размещение вблизи указанных движущихся узлов механически связанного с ними переменного резистора Rд. Поэтому условия эксперимента изменялись так, чтобы вынести переменный резистор Rд как можно дальше, насколько это позволяла лаборатория, от осциллисторного RF-преобразователя, резистора нагрузки RН в цепи RF-преобразователя и источника питания (генератора прямоугольных импульсов). Расстояние между переменным резистором Rд и RF-преобразователем составляло более двадцати метров. При этом удлинение последовательной цепи, связывающей переменный резистор Rд с RF-преобразовате-лем, осуществлялось тремя способами. В первом случае использовался экранированный провод с экраном в виде металлической оплетки. Во втором случае использовалась простая двухпроводная линия без экранирующей оплетки. В третьем случае применялась однопроводная линия, а вторым проводом линии служило заземление общего провода измерительной схемы.
Рис.2. Осциллограмма выходного измерительного сигнала датчика линейного перемещения с частотным выходом: масштаб по вертикали 0,5 В/большое деление; развертка по времени 10 мкс/большое деление
Результаты проведенных экспериментов показали, что во всех трех случаях амплитуда и частота измерительного сигнала в виде колебаний напряжения на измерительном резисторе нагрузки RН = 10 Ом не отличались друг от друга, т. е. во всех трех случаях результаты были идентичными. Соответствующая осциллограмма измерительного сигнала показана на рис.2.
В заключение отметим, что частотный выход осциллисторного датчика линейного перемещения является важным для практики измерений, например, в условиях индустриальных помех или при контроле параметров объектов, распределенных в пространстве. Это определяется тем, что частотный информационный сигнал характеризуется высокими точностью измерений и помехоустойчивостью при передаче по длинным проводным линиям, что подтверждается в эксперименте. При этом осцилли-сторному датчику присуща высокая амплитуда частотного сигнала, что исключает необходимость предварительного усиления. Вместе с тем технология изготовления кремниевой диодной структуры, входящей в состав датчика, не является интегральной, т. е. отличается простотой, что облегчает и удешевляет производство осциллисторного датчика линейного перемещения.
1. Эткин Л.Г. Виброчастотные датчики. Теория и практика. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. 408 с.
2. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников В.С. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л.: Энергия, 1970. 424 с.
3. Drobot P.N. Oscillistor RF-converter resistance to frequency // IEEE Conference, IEEE Xplore. 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrumet Engineering (APEIE). 2016. Vol.3. Doi: 10.1109 / APEIE.2016.7807032.
4. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие / Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1991. 144 с.
References
1. Etkin L.G. Vibrochastotnye datchiki. Teoriya i praktika [Vibration and frequency sensors. Theory and practice]. Moscow, Izdatel'stvo MGTU im. N.E. Baumana Publ., 2004, 408 p.
2. Novickij P.V., Knorring V.G., Gutnikov V.S. Cifrovye pri-bory s chastotnymi datchikami [Digital devices with frequency sensors]. Leningrad, Energiya Publ., 1970, 424 p.
3. P. N. Drobot. Oscillistor RF-converter resistance to frequency. IEEE Conference, IEEE Xplore, 2016, 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrumet Engineering (APEIE), vol. 3. doi: 10.1109 / APEIE.2016.7807032.
4. Brindli K. Izmeritel'nye preobrazovateli: Spravochnoe poso-bie [Measuring Converters: Reference Manual]. Moscow, Energoatomizdat, 1991, 144 p.
