Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

МИКРОМОЩНЫЕ ЧАСТОТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Авторы:
Город:
Пенза
ВУЗ:
Дата:
27 февраля 2016г.

Аннотация. Представлены результаты исследования и разработки частотного преобразователя параметров резистивных датчиков физических величин, выполненного на операционных усилителях различного типа с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Ключевые слова. Микромощные операционные усилители, частотные преобразователи, датчик.

 

MICRO-POWER FREQUENCY SENSOR CONVERTERS PARAMETERS OF THE PHYSICAL QUANTITIES FOR INFORMATIONAL-MEASURING SYSTEMS

Joao A.J.

PSU, Russian Federation, Penza

 

 

Abstract. The results of the research and development of the inverter parameter sensors of physical quantities performed on various types of operational amplifiers with improved performance.

Keywords. Micro-power operational amplifiers, frequency converters, sensor.

Среди большого многообразия выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью датчиков физических величин наибольшей популярностью пользуются резистивные, емкостные и индуктивные датчики. Датчики резистивного типа (тензорезистивные, терморезистивные, пьезорезистивные и т.п.) занимают особое место в силу своей многофункциональности при измерении давлений, температур, механических деформаций, перемещений, ускорений и др., а также простоты схемной реализации измерительной цепи (ИЦ), высокой технологичности, надѐжности и возможности адаптации к преобразователям аналоговых сигналов в частоту, код, цифру. В датчиках подобного 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 и может быть в виде постоянного или переменного напряжения, тока. ИЦ могут быть собраны по мостовой схеме, с источником тока или в виде делителя напряжения. Мостовые измерительные схемы применяют постоянный и переменный токи. Существуют мостовые уравновешенные и неуравновешенные схемы. Уравновешенные мосты требуют ручной или автоматической балансировки, в то время как неуравновешенные мосты этого не требуют. Делитель напряжения, состоящий из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, позволяет снимать только часть напряжения [2]. Источники питания ИЦ включаются по последовательно-параллельной схеме для увеличения, как тока, так и напряжения. При этом основываются на том, что параллельное включение увеличивает силу тока, а последовательное увеличивает общее напряжение [3].

Датчики, содержащие чувствительные элементы в составе ИЦ (первичные преобразователи), служат источником информации об измеряемых физических величинах. Вторичные преобразователи преобразовывают выходные сигналы с датчика в частоту, интервал времени, код или цифру [1].

Частотные преобразователи (ЧП) имеют некоторые преимущества при передаче выходного сигнала на большие расстояния, по сравнению с аналоговыми выходными сигналами в виде тока или напряжения, с точки зрения помехоустойчивости и использования беспроводной линии связи.

В большинстве выпускаемых на сегодняшний день датчиков резистивного типа для питания ИЦ используются стабилизированные источники питания (тока или напряжения), которые определяют параметры выходного сигнала датчика, пропорциональные напряжению питания ИЦ.

Известны также преобразователи сигналов с датчиков с применением аналого-цифровых преобразователей или микропроцессоров. Однако они требуют дополнительной настройки применительно к каждому конкретному датчику или специальной программы, что требует повышенной квалификации при настройке информационно- измерительных цепей.

Частотные преобразователи [1], собранные на операционных усилителях ОУ, отличаются своей простотой, малым потреблением энергии, не требуют дополнительных настроек и стабилизируемых источников питания. В функцию преобразования указанных частотных преобразователей не входит напряжение питания.

Актуальной задачей на сегодняшний день является создание микромощных частотных преобразователей, с простым схемным решением и малым потреблением мощности, которые могут питаться от автономных источников питания (например: солнечных элементов и аккумуляторов), и передача информации на большие расстояния с помощью различных средств беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth, WiMAX).

Рассмотрим пример схемы ЧП, собранной на 2-х ОУ [1], представленной на Рисунке 1, с резистивной мостовой схемой включения ИЦ (в данном случае это может быть тензомост ТМ для измерения давления). Схема содержит интегратор, выполненный на ОУ1 и компаратор – на ОУ2. Питание мостовой ИЦ осуществляется двухполярным напряжением прямоугольной формы типа «меандр» непосредственно с выхода компаратора.




Функция преобразования данного преобразователя имеет вид:


где: εR=ΔR/R – разбаланс тензомоста;  R – сопротивление тензомоста;  n=Rд1/R и  m= Rд2/R – соотношения сопротивлений дополнительных резисторов и тензомоста.

Из выражения (1) видно, что при нулевом разбалансе тензомоста ( eR = 0 ) и равенстве сопротивлений дополнительных резисторов Rд1 и Rд2 (n = m) начальная частота f0 выходного сигнала преобразователя может задаваться с помощью величин емкости конденсатора Сд и сопротивления R0 второго резистора интегратора и равна



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 ( eR = 0... ± 0,01), и, учитывая то, что эта величина значительно меньше единицы, из выражения (1) можно определить девиацию частоты ∆f выходного сигнала преобразователя:


На Рисунке 2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу ЧП, сигналов на выходе компаратора (в т. "c") и интегратора (в т. "a") Рисунок 1.

Данная схема была смоделирована в программе «MicroCap» на операционных усилителях разного типа (154УД3А, 140УД17 и 140УД12).

Одной из целей исследования является изучение влияния изменения напряжения питания на стабильность выходной частоты преобразователя и возможность уменьшения потребляемой мощности.

Результаты экспериментальных исследований показали, что схемы, собранные на ОУ типа 154УД3А и 140УД17, обладают сравнительно высокими точностными характеристиками в широком диапазоне выходных частот (от единиц кГц до нескольких десятков кГц) и девиации выходной частоты в зависимости от разбаланса мостовой схемы ИЦ (от сотен Гц до нескольких кГц). При этом ток потребления от источников питания при номинальных напряжениях (порядка 12±3В) составлял порядка 10мА.

Для уменьшения потребляемой мощности данного ЧП была собрана схема на микромощном ОУ типа 140УД12.

В результате исследований выяснилось, что ток потребления при тех же заданных напряжениях питания и параметрах ИЦ уменьшился примерно на два порядка и составил величину, не превышающую 35 мкА. Однако наблюдалось искажение временных диаграмм выходных сигналов интегратора и компаратора в силу того, что при уменьшении напряжения питания изменялись характеристики ОУ (коэффициент усиления, скорость нарастания фронта и др.), что приводит к увеличению погрешности преобразования, связанную с изменением напряжения питания. На Рисунке 3 показаны графики изменения частоты  выходного сигнала ЧП от приложенного напряжения питания в диапазоне от 9В до 15В (при номинальном значении 12В), т.е. на ±25%. Измерения проводились на разных диапазонах выходных частот (5 кГц и 10 кГц).


Как видно из графиков, схема, собранная на 140УД12, более чувствительна к изменению напряжения питания и диапазону выходных частот. Относительная погрешность преобразования в зависимости от изменения напряжения питания в указанном выше диапазоне для схемы, выполненной на ОУ типа 154УД3А и 140УД17, не превышала 5%, а для схемы, собранной на ОУ типа 140УД12 – до 15%.

В качестве рекомендаций можно предложить использование частотных преобразователей, выполненных на микромощных ОУ, на более низких частотах (порядка единиц кГц) и отклонении напряжения питания от номинального не более 10%. При этом общий ток потребления ЧП может составлять величину порядка 10-20 мкА.

 

Список литературы

1.      Громков Н.В., Интегрирующие развѐртывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография/ Н.В. Громков. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. – 244 с.

2.      Турата Е.Ф., Операционные усилители: справочник, - М.: Патриот, 1996. – 192с.

3.      Частотные преобразователи датчиков давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем: моногр./В.А. Васильев, Н.В. Громков, А.Н. Головяшкин, С.А. Москалев; под ред. д.т.н., проф. В.А. Васильева – Пенза: Изд-во ПГУ. – 130 с.