Введение к работе
Актуальность темы. 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 ее 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, надежности и возможности адаптации к преобразователям аналоговых сигналов в частоту или код. В датчиках резистивного типа используются законы преобразования различных физических величин в изменение электрического сопротивления. Выходной сигнал ИЦ современных датчиков резистивного типа, как правило, пропорционален изменению сопротивления или относительному изменению сопротивлений для измерительных цепей, собранных по мостовой схеме, и может быть представлен в виде постоянного или переменного напряжения, тока.
Основные трудности при разработке ИИС с датчиками резистивного типа связаны с малыми приращениями информативного сигнала с выхода ИЦ первичных преобразователей (как правило, единицы милливольт, поскольку допустимая рассеиваемая мощность на резистивных элементах датчиков ограничена). При этом помехи, возникающие в тракте передачи сигнала к устройствам преобразования и обработки, могут во много раз превышать уровень полезного сигнала. Кроме того, сказываются погрешности от влияния неинформативных параметров. Например, при измерении давления неинформативным параметром является температура измеряемой и окружающей сред, а при измерении температуры – давление, влажность и т.п.
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. Преобразование сигналов с выхода первичных измерительных преобразователей в частоту может осуществляться как на основе резонансных методов, так и с использованием современных микропроцессоров. Вместе с тем перспективным направлением создания частотных измерительных преобразователей параметров датчиков резистивного типа является построение их на основе метода интегрирующего развертывающего преобразования. Достоинствами таких преобразователей являются широкие функциональные возможности, относительная простота реализации и настройки схем, технологичность.
Результаты деятельности многих коллективов по разработке датчиков резистивного типа позволили значительно уменьшить погрешность преобразования первичных измерительных преобразователей (датчиков) физических величин путем использования конструктивно-технологических, схемотехнических и других методов. Однако многие задачи уменьшения погрешностей и устранения влияния дестабилизирующих факторов (широкого диапазона температур окружающей среды, изменения параметров линий связи, нестабильности источников питания и т.д.) остаются нерешенными и требуют дальнейших исследований.
Разработчики вторичных измерительных преобразователей сигналов с датчиков в унифицированные частотно-временные сигналы добились высоких результатов при разработке схем преобразователей сигналов с датчиков резистивного типа, но при этом не всегда учитываются изменения параметров выходных сигналов с первичных датчиков от воздействия дестабилизирующих факторов. Требуется комплексное исследование проблемы уменьшения погрешностей как первичных, так и вторичных измерительных преобразователей.
Теоретические основы проведенных исследований базируются на анализе и обобщении научных результатов в области создания измерительных преобразователей ИИС, структурных методов повышения точности измерения физических величин, обеспечивающих коррекцию погрешности за счет введения аппаратурной или временной избыточности измерения электрических величин. Значительный вклад в теорию и практику измерения пассивных электрических величин внесли научные коллективы, руководимые Л. И. Волгиным, Ф. Б. Гриневичем,
К. Б. Карандеевым, В. Ю. Кнеллером, Л. Ф. Куликовским, Е. А. Ломтевым, А. И. Мартяшиным, П. В. Новицким, П. П. Орнатским, Е. П. Осадчим, Ю. А. Скрипником, Ю. М. Тузом, Э. К. Шаховым, В. М. Шляндиным, Г. А. Штамбергером и др.
В области разработки и производства измерительных преобразователей лидируют фирмы США, Японии, Германии, Швейцарии, Великобритании, Франции: «OMEGA», «Nagano Keiki», «ADZ Nagano», «Trafag AG», «Bell & Howell», «Setra Sistem», «METALLUX», «Gefran», «Wika», «GFS», «Datametrics», «Siemens AG», «Endress & Hauser», «Rosemount», «Boeinq Co», «Meclec Co», «Fischer & Porter» и др.
В России измерительные преобразователи разрабатывают и серийно изготавливают ОАО «НИИ физических измерений», ОАО «Энгельское ОКБ "Сигнал" им. А. И. Глухарева», ОАО «НПП "Темп"
им. Ф. Короткова», ООО «Сенсор», НПП «Элемер» и др.
Однако на сегодняшний день в измерительных преобразователях, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью, метод интегрирующего развертывающего преобразования не нашел широкого применения из-за недостаточных исследований его возможностей и путей практической реализации существующих частотных интегрирующих развертывающих преобразователей (ЧИРП), основанных на данном методе. Известные ранее ЧИРП не позволяют обеспечить необходимую точность преобразования сигналов при работе с датчиками резистивного типа при воздействии на них дестабилизирующих факторов, таких как нестационарная температура (термоудар), температура в широком диапазоне и т.п. Недостаточно исследованы методы и средства компенсации температурной погрешности и влияние шумов на результирующую погрешность измерительных преобразователей. Не изучены возможности совмещения функций элементов датчиков и ЧИРП для улучшения характеристик измерительных преобразователей в целом как частей информационно-измерительных и управляющих систем.
Исследование теоретических и практических проблем создания измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для ИИС является актуальным, так как частотное преобразование позволяет уменьшить погрешность преобразования, снизить энергопотребление, унифицировать аппаратуру обработки информации и повысить надежность информационно-измерительных и управляющих систем.
Цель диссертационной работы заключается в исследовании возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем, обладающих улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.
Задачи исследования:
-
Анализ систематических погрешностей измерительных преобразователей физических величин для ИИС с целью установления закономерностей влияния собственных шумов элементов схем на аддитивную погрешность ЧИРП.
-
Исследование влияния дестабилизирующих факторов (широкого диапазона температур окружающей среды, параметров линий связи, нестабильности источников питания и т.д.) на результирующую погрешность измерительных преобразователей.
-
Определение предельных точностных характеристик ЧИРП с целью выявления наиболее перспективных структур преобразователей сигналов датчиков резистивного типа.
-
Исследование методов уменьшения влияния собственных шумов элементов схем на порог чувствительности и разработка рекомендаций по рациональному использованию методов и средств коррекции случайной погрешности с целью минимизации порога чувствительности ЧИРП при сохранении всех положительных свойств интегрирующих развертывающих преобразователей и уменьшения результирующей погрешности измерительной системы.
-
Разработка моделей и структур частотных интегрирующих развертывающих преобразователей параметров датчиков резистивного типа, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов, для информационно-измерительных и управляющих систем.
-
Исследование возможностей совмещения функций элементов первичных и вторичных измерительных преобразователей и разработка новых технических решений измерительных преобразователей на основе датчиков резистивного типа и ЧИРП для информационно-измерительных и управляющих систем, устойчивых к воздействию широкого диапазона стационарных и нестационарных температур и нестабильности источников питания.
Объект исследования – измерительные преобразователи с частотным выходным сигналом на основе датчиков резистивного типа и ЧИРП для информационно-измерительных и управляющих систем.
Основные методы научных исследований.
Исследования базируются на дифференциальном и интегральном исчислениях, на классической теории электрических цепей, теории графов, теории чувствительности, теории погрешностей, теории функций комплексного переменного, на структурных методах повышения точности измерения активных величин и системном анализе.
В процессе исследований использовались методы математического анализа, натурных испытаний, компьютерного имитационного моделирования и численного анализа.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждена непротиворечивостью и сходимостью теоретических выводов с общепринятыми основами теории построения измерительных преобразователей и результатами экспериментальных исследований, полученными в рамках выполнения договорных и госбюджетных работ.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем.
-
Установлена закономерность влияния собственных шумов элементов схемы на аддитивную погрешность ЧИРП при различных
методах ее коррекции с учетом распределения мощности шумов по спектру частот. -
Выведены выражения для оценки случайной погрешности, обусловленной собственными шумами элементов схемы, с использованием предложенной математической модели усилителя постоянного тока с периодической коррекцией.
-
Получены передаточные функции частотных измерительных преобразователей и выработаны рекомендации для проектирования частотных преобразователей сигналов датчиков давления резистив-ного типа, собранных по мостовой схеме, учитывающие влияние дестабилизирующих факторов: воздействия широкого диапазона температур окружающей среды, нестабильности источников питания и параметров линии связи.
-
Определены предельные точностные характеристики и полу-чены условия минимизации порога чувствительности усилителей по-стоянного тока с периодической коррекцией погрешности нуля, реализация которых позволяет уменьшить порог чувствительности ЧИРП на два десятичных порядка.
-
Предложена математическая модель, учитывающая воздействие «фликкер-шумов», позволяющая аналитическим путем исследовать их влияние на случайную погрешность преобразования ЧИРП.
-
Предложен алгоритм эффективной коррекции случайной по-грешности усилителей постоянного тока от воздействия «фликкер-шумов», предусматривающий определение конечных разностей вы-соких порядков от интегральных значений шумового сигнала.
-
Установлено оптимальное соотношение между постоянной вре-мени корректирующего канала и параметрами схемы ЧИРП при заданной динамической погрешности для преобразователей с модуляцией выходного сигнала измерительной цепи датчиков резистивного типа, собранных по мостовой схеме, которые содержат каналы коррекции в виде звена обратной связи, состоящего из последовательно включенных амплитудного ограничителя и интегратора.
-
Разработаны модели и структуры ЧИРП параметров датчиков давления резистивного типа для ИИС, инвариантных к нестабильности источников питания и изменениям параметров линий связи.
-
Предложены новые технические решения измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом, реализующие совмещение функций элементов первичных и вторичных измерительных преобразователей на основе нано- и микроэлектромеханической системы и ЧИРП, обеспечивающие устойчивость к воздействию стационарных и нестационарных температур и инвариантность к нестабильности источников питания.
Практическая ценность работы.
-
Предложена классификация методов построения ЧИРП, обобщающая известные технические решения, разграничивающая области их предпочтительного применения и позволяющая определять пути дальнейшего совершенствования измерительных преобразователей.
-
Разработана математическая модель для описания свойств «фликкер-шумов», которая удобна для аналитического исследования, позволяет учитывать влияние собственных шумов элементов схем на точность преобразования и может быть использована при разработке измерительных преобразователей.
-
Дана дисперсионная оценка порога чувствительности ЧИРП с периодической коррекцией и показано, что при использовании периодической коррекции инфранизкочастотных шумов порог чувствительности измерительных преобразователей уменьшается более чем в 100 раз.
-
Предложен метод конечных разностей высоких порядков от интегральных значений сигнала шума для коррекции аддитивных погрешностей ЧИРП, позволяющий на порядок уменьшить порог чувствительности в условиях флуктуации температуры.
-
Выявлены условия, при выполнении которых постоянная вре-мени корректируемого канала не влияет на статические и динами-ческие характеристики ЧИРП, что позволяет определить оптимальные параметры элементов измерительных преобразователей.
-
Определены условия минимизации порога чувствительности усилителя постоянного тока с периодической коррекцией погреш-ности нуля и даны оценки случайных погрешностей, которые позволяют повысить точность измерительных преобразователей, выполненных на операционных усилителях.
-
Разработана математическая модель ЧИРП с корректирующим каналом, учитывающая погрешности, обусловленные несимметрией напряжения питания измерительной цепи, дрейфом нуля операционного усилителя интегратора по току и по напряжению, т.е. факторами, ограничивающими порог чувствительности. Модель позволяет оценивать эффективность коррекции погрешности преобразования при разработке ЧИРП.
-
Разработаны новые структуры ЧИРП, совмещенные со структурами резистивных датчиков давления на основе нано- и микроэлект-ромеханических систем, обеспечивающие минимизацию температурных погрешностей в широком диапазоне стационарных и нестационарных температур и устойчивые к нестабильности источников питания, которые могут быть использованы при создании измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем.
Реализация и внедрение результатов работы.
Диссертационная работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2010)».
Мероприятие 1. Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов. Регистрационный номер: 1.11.09.
Мероприятие 2. Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки. Наименование проекта: Проведение фундаментальных научных исследований свойств тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем при воздействии стационарных и нестационарных температур. Регистрационный номер: 2.1.2/4431.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы ОАО «НИИ физических измерений», г. Пенза; ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко», ЗАТО, г. Заречный; ФГУП «НИИАА», г. Москва.
Математические модели ЧИРП и другие результаты диссертационной работы используются ГОУ ВПО «Московский государственный институт электроники и автоматики (технический университет)» на факультете радиотехнических систем, ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» на кафедре «Нано- и микроэлектроника» в учебном процессе студентами старших курсов при выполнении курсового и дипломного проектирования.
На защиту выносятся:
-
принципы построения измерительных преобразователей параметров резистивных датчиков с частотным выходным сигналом, устойчивых к воздействию температур, нестабильности питающих напряжений, изменению параметров линий связи;
-
совокупность математических моделей, учитывающих собственные шумы элементов схем ЧИРП и позволяющих аналитическим путем исследовать влияние шумов на случайную погрешность преобразования;
-
алгоритм коррекции случайной погрешности от воздействия фликкер-шумов, предусматривающий определение конечных раз-ностей высоких порядков от интегральных значений шумового сиг-нала, обеспечивающий повышение точности преобразования ЧИРП;
-
методики исследований точностных характеристик ЧИРП, основанные на получении передаточных функций и дисперсионных оценок шумов, позволяющие определять предельные точностные характеристики ЧИРП и выявлять наиболее перспективные структуры преобразователей сигналов датчиков резистивного типа;
-
метод оценки случайной погрешности, обусловленной собственными шумами элементов схемы, основанный на предложенной математической модели усилителя постоянного тока с периодической коррекцией, позволяющий минимизировать порог чувствительности ЧИРП и уменьшать результирующую погрешность измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом;
-
структуры ЧИРП, совмещенные со структурами резистивных датчиков давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем, обеспечивающих минимизацию температурных погрешностей в широком диапазоне стационарных и нестационарных температур и устойчивых к нестабильности источников питания.
Апробация работы. Основные положения диссертации, результаты проведенных исследований, опыт практического применения разработок докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, всесоюзных, региональных и отраслевых научно-технических симпозиумах, конференциях и семинарах: «Надежность и качество» (Пенза, 2010, 2009, 2008 гг.), «Инновация в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» Инфо–2009, 2008 (Сочи, 2009, 2008 гг.), «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта–Гурзуф, 2009, 2008 гг.), «Современные информационные и электронные технологии» СИЭТ–2010, 2009, 2008 (Украина, Одесса, 2010, 2009, 2008 гг.), «Измерение, контроль, информатизация» ИКИ–2010, 2009, 2008 (Барнаул, 2010, 2009, 2008 гг.), «Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники» (Пенза, 2009 г.), «Университетское образование» (Пенза, 2010, 2009, 2008 гг.), «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM» (Пенза, 2009 г.), «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2009, 2008, 2007 гг.), «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (Пенза, 2009 г.), «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2008 г.), «Инноватика–2008» (Ульяновск, 2008 г.), «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросхемы» (Ульяновск, 2010, 2008 гг.), CIT-CONFERENCE «Современные информационные технологии–2008» (Пенза, 2008 г.), «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (ИТ) (Н. Новгород, 2008 г.), «Аналитические и численные методы моделирования естественно-научных и социальных проблем» (Пенза, 2008, 2007 гг.), «Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем» (Пенза, 2008 г.), «Материалы, изделия и технологии пассивной электроники–материалы» (Пенза, 2007 г.), «Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов» (Уфа, 1989 г.), «Интегрирующие частотные времяимпульсные преобразователи и цифровые средства измерения на их основе» (Пенза, 1987 г.), «Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления» (Пенза, 1986 г.), «Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров неэлектрических сигналов и цепей» (Москва, 1981 г.), «Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве» (Кишинев, 1979 г.), «Методы и средства преобразования электрических величин в частотно-временные сигналы и их применение в цифровых средствах измерений» (Пенза, 1980 г.), «Коммутация и преобразование малых сигналов» (Ленинград, 1980 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 73 научных труда, в том числе монография, учебное пособие, получены 2 патента РФ, 5 положительных решений о выдаче патента РФ, 8 авторских свидетельств СССР на изобретения. Отдельные результаты отражены в отчетах по НИР. Основные положения диссертации полностью представлены в опубликованных работах.
Личный вклад. Диссертационная работа является обобщением исследований автора по проблемам создания измерительных преобразователей параметров тензорезисторных датчиков давления с частотным выходным сигналом, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов, для информационно-измерительных и управляющих систем с 80-х гг. прошлого столетия по 2010 г. Эти работы автором выполнены лично, по инициативе его научного консультанта и по собственной инициативе, или совместно с сотрудниками, работающими с ним и под его руководством.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Она содержит 447 страниц основного текста, 183 иллюстрации, список литературы из 180 наименований.
