Введение к работе
Актуальность темы. В устройствах автоматизации производства широко используются датчики приближения проводящих объектов, называемые концевыми или бесконтактными выключателями. Обычно они содержат автогенератор с катушкой индуктивности в качестве чувствительного элемента, детектор, пороговое устройство, усилитель и управляемый мощный транзистор, при этом генератор с детектором является датчиком положения. Принцип действия датчика приближения основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону катушки индуктивности металлических или иных проводящих, ферромагнитных объектов определенных размеров. Активная зона создается электромагнитным полем катушки индуктивности, расположенном на ферритовом броневом сердечнике.
Для датчиков положения проводящих объектов, на основе которых строятся датчики приближения, вводится понятие чувствительности, т.е. отношение приращения выходного напряжения к приращению расстояния между проводящим объектом и сенсором.
У выпускаемых промышленностью датчиков приближения рабочее расстояние переключения l„=(0,2-0,5)D, где D - наружный диаметр катушки индуктивности, причем 1„=(1,2-35) мм. Планарные катушки индуктивности без ферритовых сердечников в датчиках приближения не использовались вследствие ухудшения параметров датчиков. Предлагается использовать не отдельно взятые планарные катушки, а совокупность из двух индуктивно связанных планарных катушек, составляющих взаимоиндуктивный сенсор. Если катушки сдвинуты друг относительно друга так, что наличие сигнала на первой катушке не приводит к появлению сигнала на второй катушке, то такой вид сенсора назван индуктивным балансным сенсором (ИБС). До сих пор не разработана методика определения баланса ИБС, с катушками различной формы при различных расстояниях между плоскостями катушек, не оценено влияние на коэффициент передачи ИБС проводящих предметов, формы катушек индуктивности, рабочей частоты, не проанализированы особенности ИБС при их микроэлектронном исполнении.
Кроме ИБС в датчиках приближения возможно также использование специально разбалансированных ИБС (СРИБС) или небалансируемых взаимоиндуктивных сенсоров (НБВС). Их характеристики пока не изучены, как и датчики приближения с их использованием.
На основе взаимоиндуктивных микроэлектронных сенсоров могут быть реализованы микросистемы для измерения давления, силы, массы, ускорения, магнитной индукции, числа оборотов двигателей (тахометры) и многие другие.
Таким образом, представляет практический интерес исследование
характеристик планарных-- взаі мдеггд^доныЬе#соров (ИБС, СРИБС, НБВС), изготовленных методам г миіфЮ/НКПіНники, изучение возможности
в
СПітірогів.,1 Q t
их эффективного использования в датчиках приближения проводящих объектов, проводимости жидкости (солености воды), поскольку эти датчики находят массовый спрос.
Пель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка методики проектирования микроэлектронных взаимоиндуктивных сенсоров и определение особенностей характеристик датчиков положения, приближения проводящих объектов и проводимости жидкости.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
разработка методики определения условий баланса ИБС с пленарными катушками различной формы при разном расстоянии между плоскостями катушек;
исследование влияния плоских и цилиндрических проводящих объектов на коэффициент передачи ИБС;
исследование влияния активных сопротивлений генератора, катушек и нагрузки, рабочей частоты на характеристики ИБС;
изучение особенностей характеристик микроэлектронных СРИБС, НБВС;
- натурное и компьютерное моделирование ИБС, СРИБС, НБВС и
построение на их основе датчиков приближения проводящих объектов и
проводимости жидкости.
Научная новизна;
- предложен метод определения условий баланса ИБС с пленарными
катушками различной формы при разном расстоянии между плоскостями
катушек;
выявлены особенности изменения коэффициента передачи взаимоиндуктивных пленарных сенсоров под влиянием проводящих объектов и проводимости жидкости при соблюдении условий баланса и при предварительном разбалансировании;
- разработаны модели ИБС, НБВС для компьютерного моделирования
датчиков приближения проводящих объектов.
Практическая ценность работы;
- разработаны конструкции взаимоиндуктивных сенсоров с планарными
катушками, изготавливаемых по технологии полупроводниковых и гибридных
интегральных микросхем;
- определены особенности и достоинства датчиков приближения
проводящих объектов и солености воды;
Результаты работы были использованы при выполнении гранта, финансируемого Минобразования и науки РФ, а также Американским фондом гражданских исследований и развития REC 004.
Апробация работы. Основные результаты представлялись на VIII международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, Россия, 2002 г.), на IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (Таганрог, Россия, 2002 г.), на IV и V международных конференциях
"Современные информационные и электронные технологии" (Одесса, Украина, 2003 и 2004 гг.), на IV международной научно-технической конференции "Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе" (Баку-Сумгаит, Азербайджан, 2003 г.), на научно-практическом семинаре "Проблемы современной аналоговой микросхемотехники" (Шахты, Россия, 2004 г.).
Основные научные положения, выносимые на защиту;
1. Метод определения соотношений для относительного сдвига
прямоугольных и треугольных катушек индуктивного балансного сенсора для
получения баланса.
-
Закономерности изменения коэффициента передачи по напряжению индуктивного балансного сенсора с прямоугольными катушками при перемещении проводящей пластины в направлении сенсора или параллельно ему, при помещении сенсора в проводящий цилиндр.
-
Экспериментально полученные закономерности изменения выходного напряжения или частоты датчика солености воды с двумя' и тремя пленарными катушками.
4. Модели взаимоиндуктивных сенсоров для компьютерного
моделирования датчиков приближения проводящих объектов.
Реализация результатов работы. Практические результаты работы апробированы и внедрены в НИИ МВС (г. Таганрог) при проектировании датчиков приближения для предприятия "Проматом" (г. Волгодонск), в учебном процессе кафедры ТМ и НА ТРТУ.
Достоверность результатов. Достоверность научных результатов обусловлена применением в экспериментах стандартной измерительной аппаратуры, типовых программ OrCad 9.1, Mathcad 2000, согласованностью экспериментально полученных результатов с теоретическими выводами.
Личный вклад автора. В диссертационной работе изложены результаты, которые были получены автором самостоятельно и в соавторстве, при этом автор разработал метод определения условий баланса ИБС, проанализировал влияние на коэффициент передачи ИБС проводящих объектов, сопротивлений генератора, нагрузки, частоты колебаний; разработал модели сенсоров для компьютерного моделирования датчиков положения, экспериментально исследовал датчики положения, приближения проводящих объектов, датчики солености воды; осуществлял обработку, анализ и обобщение получаемых результатов.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе б статей и б тезисов докладов.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 70 наименований. Общий объем диссертации составляет 122 страницы, включая 91 рисунок, 74 формулы, 8 таблиц.
