CC BY
84
Совмещение функций элементов НиМЭМС и частотных интегрирующих
развёртывающих преобразователей
Васильев В.А., Вергазов И.Р., Громков Н.В., Москалёв С.А. Пензенский государственный университет
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 рисунке 1 (как один из вариантов) представлена функциональная электрическая схема устройства для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы [5].
а)
Рисунок 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 Яд1 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 R0 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 R^ и R^ 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-
' т
1
Sr , (1 + 8R + 2n)
Rh
■ +
2Rq
(1)
2(1 - 8r + 2т)Сд V
где sr = AR/R - относительное изменение сопротивления R тензомоста под действием давления, m=R^/R и n=R^/R- коэффициенты, равные отношению сопротивлений R^ и Rд2 к сопротивлению R тензомоста, Сд - ёмкость дозирующего конденсатора, Rh - сопротивление резистора интегратора, R0 -сопротивление второго резистора интегратора.
Из выражения (1) видно, что при нулевом разбалансе тензомоста (8R = 0) и равенстве сопротивлений дополнительных резисторов R^ и R^2 (n=m) начальная частота f0 выходного сигнала преобразователя может задаваться с помощью величин ёмкости конденсатора Сд и сопротивления R0 второго резистора интегратора и равна
(1 + 2n) 1
f0
(2)
4(1 + 2т)Сд R 4R)Сд
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 (8r = 0 -^±0,01) и учитывая то, что эта величина значительно меньше единицы, из выражения (1) можно определить девиацию частоты Df выходного сигнала преобразователя
Df
±e
2(1 + 2т)Сд Rh
(3)
которая может задаваться и устанавливаться более точно с помощью величин ёмкости конденсатора Сд и сопротивления первого резистора Rh интегратора.
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 Яд1 и Яд2 с увеличением соотношения т= Яд1/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.
Зависимость FBbix от температуры, отпит при разбалансе тензомоста =-0,01
5600 5400 5200 =Г L1 5000 CD £ 4800 ТО 4600 Т 4400 4200 4000 ♦
4—
-150 -100 -50 0 50 100 150
—п=гп=0 4619 4789 4948 5098 5240 5373 5499
■ n=m=l 4879 4932 4983 5033 5082 5130 5177
—*— n=m=4 4960 4977 4993 5010 5027 5043 5059
Зависимость FBbix от температуры, от п и m при разбалансе тензомоста =0,01
15600 15400 15200 l7^ 15000 пГ £ 14800 П> 14600 J" 14400 14200 14000
Ї -ш
Т—И ^ —*
-150 -100 -50 0 50 100 150
-*-п=т=0 15500 15322 15156 15000 14853 14714 14583
Ш n=m=l 15155 15102 15050 15000 14550 14901 14854
A n=m=4 15051 15034 15017 15000 14583 14967 14950
Рисунок 2. Зависимость частоты выходного сигнала от n и m при разбалансе тензомоста £ я = -0,01 и +0,01
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. - N 2. - P. 155 - 160.
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. - N 8 - P. 853 - 858.
3. Belozubov E. M., Vasil'ev V.A., Gromkov N. V. Thin-film nano- and microelectromechanical systems - the basis of contemporary and future pressure sensors for rocket and aviation engineering// Measurement Techniques. - USA, New York: Springer, 2009. - V. 52. - N 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 Пенз. гос. ун-та, 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.
