CC BY
101
Митрохин С.В., Харитонов П.Т., Цибизов П.Н.
ФГУП ФНПЦ ПО «Старт», г. Заречный
ПЛОСКОСПИРАЛЬНЫЕ ИНДУКТИВНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДАТЧИКИ НА СОВРЕМЕННОМ УРОВНЕ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ
Постоянно растущие требования к датчикам заставляют искать как новые технические решения, так и использовать ранее созданные образцы, реализуя их уже с учетом качественно выросших технологических возможностей производства и результатов современных научных исследований.
Информационно-измерительным системам, системам контроля и автоматизированного управления, активно применяемым в самых разных областях науки, промышленного производства и многих других сферах деятельности человека, всё более необходимы точные, помехоустойчивые, быстродействующие, малогабаритные и, в тоже время, недорогие датчики.
Этим критерием соответствуют датчики автогенераторного типа на основе плоскоспиральных индуктивных ВЧ- резонаторов.
Принцип преобразования неэлектрических величин с помощью индуктивных элементов, работающих на высокой частоте, известен достаточно давно [1] и продолжает применяться в некоторых серийных приборах, например в датчиках движения деталей механизмов. Однако именно автогенераторные датчики обладают рядом преимуществ, обуславливающих возможность их широкого использования в современных системах.
Основной элемент датчика LC - автогенератор, в котором элементы схемы возбуждения и поддержания автоколебаний конструктивно и схематически совмещены с плоскоспиральной индуктивностью контура автогенератора и представляют собой своеобразную «таблетку» (рисунок 1), высокочувствительную
к приближению диамагнитного или ферромагнитного тела (экрана). Выходной сигнал датчика - частота.
Контролируемый физический параметр посредством чувствительного элемента преобразуется в перемещение экрана. Таким образом, возможно создание измерителей давления, перемещения, деформации, силы (рисунок 2) и других физических величин.
Рисунок 1 - Автогенератор плоскоспирального индуктивного датчика
Рисунок 2 - Опытный образец датчика силы
В ряде случаев, например при контроледеформации, перемещения или приближения, чувствительным элементом является сама катушка генератора.
Датчик обладает принципиально высокой чувствительностью резонансной высокодобротной системы и помехоустойчивостью на уровне кодовых преобразователей, высоким быстродействием (обработка ВЧ-сигнала не требует много времени).
В тоже время конструкция датчика проста, технологична, позволяет достигать хороших массогабаритных характеристик и невысокой стоимости.
Обладая высокой чувствительностью, датчик имеет значительную нелинейность характеристики преобразования и, как практически все измерительные системы, подвержен влиянию дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, старения и т. д.).
Минимизация этих погрешностей достигается в первую очередь интеллектуальной обработкой сигналов датчика. При этом в датчик встроен дополнительный датчик температуры и идентичный основному автогенератор, не участвующий в преобразовании входной величины, но вырабатывающий компенсирующий частотный сигнал для системы интеллектуальной обработки. Нелинейность датчика «зашита» в матрицу табличного преобразователя.
В рамках НИОКР, выполненных на ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт», еще в 80-х годах, были созданы опытные образцы датчиков давления, контроля линейных ускорений и ряда других. При этом для повышения точ-
ности преобразования был применен уникальный способ обработки и табличного преобразования частоты, позволивший снизить нелинейность и другие погрешности датчика.
На этих принципах были разработаны, изготовлены и внедрены в производственную эксплуатацию при аттестации бароприборов цифровой измеритель давления МЦ-1 и автоматизированный цифровой измеритель-задатчик давлений АЦИАД.
МЦ-1, реализующий принцип интеллектуальной обработки сигналов и табличного преобразования, работает как с опытными образцами индуктивных ВЧ-датчиков, так и со струнными датчиками с частотным выходом, обеспечивая в диапазоне 5-850 мм. рт. ст, абсолютную суммарную погрешность не более 0,6 мм рт. ст. Опытный образец АЦИАД показал хорошие результаты при автоматизации процессов контроля характеристик серийных приборов давления.
Технические решения, использованные в датчиках и системе интеллектуальной обработки его сигналов, защищены авторским свидетельством[2].
В дискретном исполнении система обработки конструктивно усложняет, многократно увеличивает, утяжеляет и,соответственно, удорожает датчик. В 80-е годы блок обработки представлял собой отдельный, достаточно громоздкий прибор.Сложно было получить и хорошую повторяемость характеристик при изготовлении самого автогенератора, даже при применении революционных в то время технологий поверхностного монтажа.
В микроэлектронном же исполнении сейчас возможно достичь значительно лучших характеристик. Но наиболее перспективным решением будет создание «таблетки» датчика, совмещенной со схемой интеллектуальной обработки.При этом применение микроэлектроники и нанотехнологий позволит достичь минимальных габаритов и массы, обеспечить полную идентичность основного и компенсирующего генераторов, а так же повторяемость в процессе серийного производства.
Имеющиеся результаты расчетов, конструкторской разработки и опытной эксплуатации образцов датчиков и очевидность применения при его производстве современных технологий дают все основания полагать, что возможно создание ряда датчиков совершенно нового типа (в том числе сверхмалых массы и размеров). При этом быстродействующих, надежных,но не дорогих и пригодных для серийного производства и применения во многих видах измерительных систем нового поколения.
Кроме того, невысокая стоимость датчика и соответственно риска утраты, частотный выходной сигнал первичного элемента делают весьма перспективным его применение в масштабных беспроводных сенсорных сетях, как в качестве быстродействующего измерителя, так и в качестве индикатора (сейсмодатчика, вибродатчика и т. д.)
На основе базового LC- элемента датчика могут быть реализованы датчики давления, силы, деформации, линейных и угловых перемещений, положения (присутствия) объектов, ускорения, акустических колебаний и многих других физических величин.Обозначим лишь некоторые сферы применения.
Топливно-энергетический комплекс
В случае серийного освоения за счет принципиально более простой конструкции, лучшей технологичности, помехозащищенности, он может заменить многие применяемые сейчас датчики в топливноэнергетическом комплексе, в нефтедобыче и нефтепереработке, при транспортировке и хранении углеводородов, на АЭС и ТЭС и т.д. Особо перспективно его использование в беспроводных сетях распределенного контроля газотранспортных систем.
Вооружение и военная техника
Весь упомянутый ряд датчиков будет востребован в современных системах управления высокоточным оружием. Основание для этого - возможность изготовления датчиков в сверхмалых размерах, высокого быстродействия и помехозащищенности, при невысокой стоимости безвозвратной потери.
Авиация и космические системы
Малые масса и габариты, высокая надежность датчиков, точность и быстродействие - характеристики прибора, необходимого современным летательным аппаратам военного и гражданского назначе-ния.Предлагаемый датчик обладает именно такими характеристиками.
МЭМС - устройства различного назначения
Возможность миниатюрного исполнения датчика с использованием микроэлектроники безусловно предполагает его применение в качестве встроенного микросенсора в МЭМС. Измеряемый параметр - давление, ускорение, сила и т.д.
Робототехника, высокоточное технологическое оборудование
Основание для такой оценки - компактное исполнение датчика, помехоустойчивость, малое время измерения и возможность прямого (без переходных чувствительных элементов) обнаружения и контроля перемещения рабочего органа механического манипулятора.
Медицина
Плоскоспиральные индуктивные чувствительные элементы используются в диагностических квантовых интерферометрах (СКВИД- системах). Кроме того, изучение плоскоспиральных индуктивностей учеными физиками, показывает перспективность их использования при анализе биорезонансных явлений в организме человека. Субминиатюрными сенсорами, изготовленными методами нанотехнологии, возможно достижение таких результатов.
Техника низких температур
Применение эффекта сверхпроводимости сейчас стало технически возможным и реализуется во многих измерительных и управляющих системах, в том числе в научной и медицинской аппаратуре, в системах управления высокоточным оружием. Решающее значение в этом случае имеют влияние уменьшения внутренних помех и энергетических потерь в датчике на его характеристики при снижении температуры, его устойчивость к ним и малые габариты (охлаждаемый объем). Предлагаемый датчик, особенно в микроисполнении, имея резонансный автоколебательный контур, полностью соответствует этим требованиям, т.к. добротность, а следовательно все характеристики датчика многократно растут при применении в технике низких температур.
Из датчиков, использующих плоскоспиральную катушку индуктивности в качестве чувствительного элемента, сейчас промышленно выпускаются в основном только вихретоковые датчики положения (приближения, наличия объектов) и датчики систем неразрушающего контроля.
Однако технологический скачок последнего времени и возобновление исследований, в том числе фундаментальных, в области применения индуктивных преобразователей позволяют сделать вывод о появлении совершенно нового типа датчиков, востребованных в различных областях, в том числе при серийном производстве.
В Биомагнитной лаборатории ИРЭ РАН ведутся активные разработки методик нейро- и кардиодиагностики с применением сверпроводниковых квантовых интерферометров (СКВИДов), использующих тонкопленочные спиральные катушки.
В области создания индуктивных элементов для МЭМС о своих успехах сообщает Центр исследований в Пало-Альто (США) [3].
Украинскими учеными физиками обнаружен ряд новых эффектов в резонансных плоскоспиральных системах, в том числе взаимосвязанных с физиологическим состоянием человека (в частности при космической невесомости). В случае подтверждения этих эффектов и их прикладной разработки для плоскоспиральных резонаторов, особенно в микроисполнении, открываются совершенно новые перспективы.
Это только часть фактов, подтверждающих возобновившийся и возросший интерес к датчикам этого типа .
В настоящее время наПО «Старт» ведется ряд работ по общей программе создания и освоения производства датчиков нового поколения. Среди них интеллектуальные датчики, сверхвысокочувствительные электрохимические датчики, датчики медицинского применения, датчики по технологии МЭМС, беспроводные датчики и др.
Работы по плоскоспиральным высокочастотным индуктивным датчикам, базирующиеся на ранних разработках предприятия, так же рассматриваются как перспективное направление в этой области.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гольдман В. С. и Сахаров Ю. И.Индуктивно-частотные преобразователи неэлектрических величин. Библиотека по автоматике, выпуск 289. Изд-во: Энергия, 1968. 96 с.
2. А.с. СССР №1182507.
3. Christopher L. Chua, David K. Fork, Koenraad Van Schuylenbergh, and Jeng-Ping Lu. ОиЬ-of-Plane High-Q Inductors on Low-Resistance Silicon. Journal of microelectromechanical systems, vol. 12, no. 6, december 2003.
