Измервателен преобразувател за диференциален капацитивен сензорен елемент с реометричен изходен сигнал Текстът на научната статия по специалността "Общи и сложни проблеми на природните и точните науки"

Разработен е измервателен преобразувател с пропорционален изходен сигнал за диференциален капацитивен чувствителен елемент, т.е.изходното напрежение е пропорционално на съотношението на разликата в капацитетите на чувствителния елемент към тяхната сума. Преобразувателят се състои от генератор на синусоидален сигнал, интегратор, диференциатор и инвертор, а единият кондензатор на сензорния елемент е част от интегратора, а вторият е диференциатор. Изследването на прототипа показа, че относителната грешка в измерването не надвишава 1,5%.

Текст на научната работа на тема „Измервателен преобразувател за диференциален капацитивен чувствителен елемент с рациометричен изходен сигнал“

ЕЛЕКТРИКА И ЕНЕРГИЯ

ИЗМЕРВАЩ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ ЗА ДИФЕРЕНЦИАЛЕН КАПАЦИТИВЕН СЕНЗОРЕН ЕЛЕМЕНТ С РАТИОМЕТРИЧЕН ИЗХОДЕН СИГНАЛ

В. А. КАРПОВ, В. А. ХАНАНОВ

Образователна институция "Гомелски държавен технически университет на името на П.О. Сухой",

Поради простотата на дизайна, ниската цена и яснотата на принципа на действие, капацитивните сензорни елементи се използват широко при преобразуване на такива физически величини като налягане, ускорение, ъглови и линейни измествания, ниво, дебит, влага и др. През последните години, с появата на технологията MEMB [1], капацитивните чувствителни елементи на приложението са нараснали многократно. В този случай сензорните елементи се изпълняват в диференциална връзка.

Диференциален сензорен елемент

Електрическата схема на диференциално чувствителния елемент (DCHE) [1] е показана на фиг. 1, а. В този случай стойностите на капацитетите C1 и C2 се променят, както следва:

Като информативен параметър X DCHE се търси сигнал, пропорционален на съотношението на разликата в капацитетите на сензора към неговата сума:

C - C2 = AC C + C C

Такова представяне на информативния параметър се нарича рациометричен, т.е. изходният сигнал на измервателния преобразувател за DCHE трябва да има рациометричен изход (фиг. 1, б).

Фигура: 1. Електрическа верига на DCHE: а - общ изглед; b - измервателен преобразувател за DCHE

Този подход за формиране на изходния сигнал може значително да намали температурните грешки, да увеличи линейността и динамичния диапазон на преобразуване. В допълнение, това дава възможност да се гарантира линейността на преобразуването, независимо от това кой параметър на чувствителния елемент се влияе от физическото количество. Всъщност нека С0 има формата:

Тогава промяната в електрическия капацитет на променлив ток под въздействието на физическа величина може да бъде представена по следния начин:

AC = -C AO + ^ C ° m + ^ C ° Av до да dv

AC = BB ° AO + Av - 88? Айо.

Относителната промяна AC/C0 или пропорционалният параметър има формата:

Откъдето може да се види, че информативният параметър X е пропорционален на относителната промяна в трите параметъра на DFE, която може да бъде повлияна от преобразуваното количество (Oo, s, d0).

Преглед на съществуващите предаватели

Известни измервателни преобразуватели (MT) за DCHE с изходно съотношениеметричен сигнал [2], [3], направени под формата на мост с електронно съотношение на рамената E, -E (фиг. 2, а), DCHE и напрежение последовател, базиран на операционен усилвател (OU). Този IP обаче има допълнителни

конструктивни трудности. Факт е, че капацитивните SE имат значителни паразитни капацитети от 10-20 pF, при работни честоти /> 50 kHz тяхното съпротивление е на ниво 1-100 MΩ, тоест това са високоустойчиви елементи, подложени на смущения. За да се предотврати този ефект, веригите, свързващи електродите 1, 2, 3 DCHE и IP, се поставят в заземен електростатичен екран. Въпреки това, електрод 2 (фиг. 2, а) е натоварен на входа за високо съпротивление на уреда, така че простото екраниране не помага. Използва се допълнителен щит, за да се осигури приемлива устойчивост на шум. Външният екран е заземен, докато вътрешният екран с помощта на ретранслатор е в потенциала на средния електрод 2 DCHE. По този начин паразитният капацитет не влияе на изходния сигнал, тъй като в него няма спад на напрежението. Отбелязаното обстоятелство обяснява добре известната конструктивна сложност на тази МТ, особено със значително разстояние от РМЕ от МТ.

На фиг. 2, b показва MT с практически заземен среден електрод [3]. В този случай не се изисква двойно екраниране. Но изходният параметър на преобразуването на МТ не е пропорционален, а пропорционален на разликата в капацитетите на DCE.

Фигура: 2. Измервателни преобразуватели за DCHE: a - с рациометричен изход; b - с практически заземен среден електрод

Известни са МТ с временна или структурна излишък [4], при които средният електрод е практически заземен (аналог на веригата - фиг. 2, а). За да се формира рациометричен информативен параметър, в IP се въвежда рациометрично устройство, което изчислява съотношението, което също води до допълнително конструктивно усложнение.

Измервателен преобразувател въз основа на интегратор и диференциатор

В тази работа ние предлагаме захранващ блок за DCHE, чиято функционална схема е показана на фиг. 3, където G, инв., I и D, съответно, генератор, инвертор, интегратор и диференциатор на променливо напрежение.

Фигура: 3. Функционална диаграма на рациометрична МТ на базата на интегратор и диференциатор

Работните капацитети C1 и C2 DCHE, използващи OU1 и OU2, се изпълняват, съответно, от интегратор (с резистори Y1, Y3) и диференциатор (с резистор Y2). За тази схема могат да бъдат написани следните изрази под формата на оператор:

UOUT (P) = -E (P) R2 - U1 (P) PC2R2 • R4

Нека изразим TsviX (p) и u1 (p) от уравнения (1) и (2):

p (C1R3 + C2L2) YahYal 'uvyh (P) = - E (p) 1 # C o1. (3)

Осигурявайки например в израз (3) равенствата R1 = R4 = r1, R3 = R2 = r2, най-накрая е възможно да се получи изходното напрежение в рациометрична форма:

g C - C uvyh (P) = E (p) -2-1 2

Коефициентът на усилване се характеризира със съотношението r2/r1. Фиг. 3, че електродите 1 и 3 на DCE са практически заземени, а средният електрод е свързан към изхода с ниско съпротивление на интегратора. Включването на сензора е потенциално-токов. Както знаете, при такова включване резултатът от преобразуването не се влияе от паразитните капацитети на сензорните електроди [5], което е друго предимство на тази МТ в сравнение с тези, обсъдени по-горе. Трябва да се отбележи, че при тази МТ изходният сигнал не зависи от честотата на генератора u, което също е предимство.

Прототипни изследвания

За да се проверят метрологичните характеристики на предложеното ИП, беше приложен макет. Микросхеми 1b071AC бяха използвани като операционен усилвател, а резистори от типа C2-29B с толеранс от 0,1% бяха използвани като съпротивления. За да симулираме DCHE, използвахме два примерни кондензатора от типа P554 с първоначален капацитет 20 pF и допълнителни 0-60 pF с точност на настройка на електрическия капацитет 0,5%. Генераторът беше синусоидален генератор G3-118. Работната честота беше настроена на 10 kHz. Амплитудата на вибрациите беше 1 V. Стойностите на напрежението бяха измерени с V7-38 волтметър (клас на точност 0,5%). Стойностите на променлив ток бяха зададени в диапазона от -30-30 pF. В резултат на експеримента се оказа, че относителната грешка не надвишава 1,5%, което е на нивото на използваните метрологични измервателни уреди. При промяна на честотата от 900 на 1100 Hz не се наблюдават промени в изходния сигнал.

В хода на свършената работа е разработен измервателен преобразувател с реламетричен изходен сигнал за диференциален капацитивен сензорен елемент. Предложената схема се различава от съществуващите решения по структурна простота и нечувствителност към паразитни капацитети. Изследвания на прототипа показват, че относителната грешка в измерването не надвишава 1,5%.

1. Sysoeva, SN Автомобилни акселерометри. Част 4. Разработване на технология и елементна база на капацитивни акселерометри/С. Н. Сисоева // Компоненти и технологии. - 2006. - No 3. - С. 10-17.

2. Распопов, В. Я. Лекция 8. Измервателни вериги и трансферни функции на акселерометри с директно преобразуване/В. Я. Распопов // Сензори и системи. -2006. - No 5. - С. 30-33.

3. Левшина, Е. С. Електрически измервания на физически величини/Е. С. Левшина, П. В. Новицки. - Л .: Енергоатомиздат, 1987. - 320 с.

5. Гриневич, FB Измервателни компенсаторно-мостови устройства с капацитивни сензори/FB Гриневич, AI Новик. - К .: Наука. думка, 1987 г. - 112 с.