Войти в мой кабинет
Регистрация
ГОТОВЫЕ РАБОТЫ / ДИССЕРТАЦИЯ, ИНФОРМАТИКА

Исследование цифровых методов с целью повышения точности вторичных преобразователей

irina_k20 2190 руб. КУПИТЬ ЭТУ РАБОТУ
Страниц: 73 Заказ написания работы может стоить дешевле
Оригинальность: неизвестно После покупки вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100% с помощью сервиса
Размещено: 29.06.2020
«Исследование цифровых методов с целью повышения точности вторичных преобразователей» Ключевые слова: вторичные преобразователи, параметрические датчики, автоматизированные цифровые системы управления, бортовое электронное оборудование. Данная магистерская диссертация посвящена разработке и исследованию новых методов и алгоритмов для повышения точности измерения вторичных преобразователей информации на основе параметрических датчиков, включенных в токовую петлю, а также новых цифровых методов компенсации погрешностей измерения физических величин в системах на основе параметрических датчиков и параметров самих датчиков. Современная концепция развития авиационной техники требует приоритетного решения проблем повышения эффективности автоматизированных цифровых систем управления, реализации качественного мониторинга состояния авиационных систем и агрегатов. Это существенно за висит от точности и надёжности источников первичной информации, в том числе датчиков давления составляющих до 80% всех датчиков, входящих в комплектацию авиационных объектов, обладающих неизменностью метрологических характеристик в течение всего срока их службы, имеющих высокую устойчивость к внешним воздействиям. Глубокая интеграция бортового электронного оборудования и бортовых вычислительных средств, необходимость повышения ресурса авиационной техники, снижения эксплуатационных затрат требует наличие датчиков давления с цифровым выходом. Работа включает: 75 страниц, 8 таблиц, 34 рисунка, 0 приложений. Использованных источников– 36.
Введение

Данная магистерская диссертация посвящена разработке и исследованию новых методов и алгоритмов для повышения точности измерения вторичных преобразователей информации на основе параметрических датчиков, включенных в токовую петлю, а также новых цифровых методов компенсации погрешностей измерения физических величин в системах на основе параметрических датчиков и параметров самих датчиков. Актуальность работы. Современная концепция развития авиационной техники требует приоритетного решения проблем повышения эффективности автоматизированных цифровых систем управления, реализации качественного мониторинга состояния авиационных систем и агрегатов. Это существенно за висит от точности и надёжности источников первичной информации, в том числе датчиков давления составляющих до 80% всех датчиков, входящих в комплектацию авиационных объектов, обладающих неизменностью метрологических характеристик в течение всего срока их службы, имеющих высокую устойчивость к внешним воздействиям. Глубокая интеграция бортового электронного оборудования и бортовых вычислительных средств, необходимость повышения ресурса авиационной техники, снижения эксплуатационных затрат требует наличие датчиков давления с цифровым выходом. Согласно оценкам, ежегодный прирост продаж датчиков давления составляет в среднем 18 % в год (по отдельным компонентам до 25 %). Исходя из программы развития гражданской авиации, прогнозов закупок авиационной техники к 2020 г. общая потребность авиационной промышленности в датчиковой аппаратуре давления по основным сегментам составит около 80 тыс. шт. Создание промышленной технологии производства на базе металлостеклянных модулей давления унифицированных рядов емкостных датчиков абсолютного и избыточного давления с повышенной долговременной стабильностью и точностью в широком диапазоне рабочих температур, является актуальной задачей для построения различных систем перспективных объектов авиационной техники, в том числе для систем регулирования и диагностики перспективных двигателей пятого поколения, разрабатываемых НПО «Сатурн», ММПП «Салют», ОАО «Авиадвигатель», ОАО «Климов», ОАО «Аэросила», Систем управления движением ракеты – мишени разработки НПО «Молния», системы контроля параметров двигателя и трансмиссии модернизируемого варианта вертолета МИ-28Н, истребителя Т-50. Основные требования к параметрам параметрических датчиков давления приведены в таблице 1: ? В настоящее время в качестве формирователей сигналов датчиков давления, как правило, используются мостовые схемы, которые в силу таких существенных недостатков, как временной дрейф выходного сигнала и температурная погрешность, не обладают достаточной точностью, а их высокоточные варианты представляют собой достаточно громоздкие и дорогостоящие устройства [1]. Около двадцати лет назад К.Ф. Андерсоном (K.F. Anderson) была предложена оригинальная схема формирователя сигнала резистивных датчиков, основанная на использовании петли постоянного тока [2]. При этом недостаточное внимание уделено применению петли на переменном токе, что позволяет достичь большей точности измерения. С другой стороны, для высокоточных измерений параметров систем на основе параметрических датчиков, практически не разрабатываются цифровые методы компенсации методических погрешностей. Большинство современных работ, в которых присутствуют идеи цифровой компенсации погрешностей измерения, базируются на рассмотрении фильтра Калмана [3]. По указанным причинам важно не только теоретически исследовать процесс обработки информации от датчика, но и создавать математические модели, в том числе дискретные, позволяющие использовать их в цифровых алгоритмах для повышения точности измерений. Разработка данных методов и алгоритмов для повышения точности измерения вторичных преобразователей информации на основе параметрических датчиков позволит не только уменьшить уровень ошибки конечного результата измерения сигнала с датчика с помощью современных цифровых измерительных систем, но и оптимизировать сам процесс измерения по временным затратам и себестоимости. В связи с этим в данной работе рассматривается использование вторичного преобразователя измерительной информации на основе петли переменного тока для пьезорезистивных, ёмкостных и пьезорезонансных датчиков давления. Исследуются возможности повышения эффективности функционирования датчиков с одновременным повышением точности измерения и снижением стоимости системы из первичных и вторичных преобразователей в целом. Целью работы является: повышение точности измерений параметрических датчиков давления за счёт усовершенствования вторичного преобразователя информации, основанного на петле переменного тока, а также разработки оптимальных цифровых методов и алгоритмов оценивания измеряемых параметров и компенсации погрешностей измерения. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: 1. Провести критический анализ особенностей формирования сигнала параметрическими датчиками давления, рассмотреть применяемые методыобработки информации и определить их недостатки, на основе анализа недостатков сформулировать требования к новому методу формирования сигнала; 2. Разработать высокоточный вторичный преобразователь измерительного сигнала параметрических датчиков на основе петли переменного тока и его математические модели для случаев использования пьезорезистивных первичных преобразователейдавления; 3. Разработать оптимальные цифровые алгоритмы обработки измерительной информации, специализированные для применения с новым формирователем сигнала и обеспечивающие повышение точности результатов измерения датчиковдавления; 4. Разработать методику и алгоритмы определения зависимости выходного сигнала датчика давления от измеряемого давления и окружающей темпера- туры (калибровкидатчика). 5. Провести математическое моделирование функционирования предлагаемого вторичного преобразователя и опытную проверку экспериментальных образцов новых датчиков давления, использующих в своём составе этот преобразователь. Научная новизна работы заключается в следующем: Разработана методика повышения точности измерения пьезорезистивных датчиков давления, отличающаяся использованием нового вторичного преобразователя выходного сигнала на основе петли переменного тока, что позволило повысить точность измерения давления за счёт применения более адекватной модели измерительного сигнала и оптимальных цифровых методов его обработки по методу максимальногоправдоподобия. Личный вклад определяется постановкой задач, проведением теоретических и экспериментальных исследований, анализом полученных результатов данных исследований. Научная и практическая значимость. Работа может служить методологической основой для разработки современных цифровых датчиков давления, применяемых в системах управления и диагностики авиационной техники. Разработанные оптимальные цифровые методы обработки измерительной информации с выходов вторичного преобразователя параметрических датчиков, основанного на петле синусоидального тока, более чем на порядок повышают точность проводимых измерений. Внедрение данных методов обработки сигналов с выходов пьезорезистивных датчиков давления позволяют улучшить тактико-технические характеристики, как самих датчиков, так и систем, в которых они применяются. Разработанная универсальная методика построения математической модели зависимости выходного сигнала датчика давления от входного давления и окружающей температуры (калибровки датчиков) позволяет отстроиться от систематических погрешностей, вызванных изменением температуры окружающей среды, вносящих наибольшие погрешности в измерительный процесс. Даннаяметодика позволяет сократить время сбора данных и последующей математической обработки в автоматическом режиме, что снижает затраты и повышает технологичность самого процесса калибровки и отладки датчиков давления.
Содержание

Перечень сокращений и обозначений………………….…………………….. 8 Введение……………………………………………………………………….. 9 1 Обзор современных датчиков используемых в их составе формирователей сигнала ……………………………………………………. 13 1.1 Методы преобразования давления……………………………………….. 13 1.1.1.Тензометрический метод ……………………………………………… 14 1.1.2.Пьезорезистивный метод ……………………………………………… 15 1.1.3.Емкостной метод……………………………………………………….. 16 1.1.4.Резонансный метод……………………………………………………. 17 1.1.5.Индуктивный метод……………………………………………………. 18 1.1.6.Ионизационный метод…………………………………………………. 19 1.1.7.Достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал …………………………………………… 19 1.2.Обзор вторичных преобразователей, применяемых в датчиках давления ………………………………………………………………………. 21 1.2.1 Мостовые схемы………………………………………………………… 21 1.2.1.Управление мостами…………………………………………………… 25 1.2.2.Емкостные схемы формирования сигнала……………………………. 28 1.2.3. Формирование сигнала параметрических датчиков методом токовой петли …………………………………………………………………………... 30 2 Повышение точности вторичного преобразователя информации пьезорезестивного датчика давления ………………………………………. 33 2.1. Структура и конструкция пьезорезистивных датчиков давления ……. 33 2.2. Повышение точности измерения давления с помощью пьезорезистивных чувствительных элементов, включенных в токовую петлю…………………………………………………………………………... 37 2.3 Результаты математического моделирования работы пьезорезистивного датчика давления ………………………………………. 43 2.4 Экспериментальные результаты применения петли переменного тока для обработки сигналов пьезорезистивных датчиков давления ………….. 48 2.5 Снятие экспериментальных данных …………………………………….. 54 2.6 Снятие статической характеристики датчика…………………………… 55 2.7 Статистическая обработка экспериментальных данных ……………….. 55 2.8. Экспериментальные результаты калибровки пьезорезонансного датчика избыточного давления………………………………………………. 60 Глава 3…………………………………………………………………………. 61 3.1 Повышение точности вторичного преобразователя информации, основанного на петле переменного тока, для ёмкостных датчиков давления ………………………………………………………………………. 61 3.2 Описание конструкции емкостного датчика давления ………………… 62 3.3 Методика уточнения измерения ёмкостей и углов потерь ёмкостных параметрических датчиков давления ………………………………………. 65 3.3.1. Предлагаемая топология вторичного преобразователя ёмкостного датчика давления……………………………………………………………… 65 3.3.2. Математическая модель ёмкостного датчика давления …………….. 66
Список литературы

1. Аш Ж. Датчики измерительных систем: пер. с франц.: В 2 т./ Ж. Аш и др. - М.: Мир, 1992. - Т. 1. - 480 с. - Т. 2. - 424 с. 2. Вучков И.Н., Бояджиева Л.Н., Солаков Е.Б. Прикладной линейный регрессионный анализ. – М.: Финансы и статистика, 1987. – 239 с. 3. Гуревич, О.С. Системы автоматического управления авиационными ГТД: Энциклопидический словарь / Под ред. д.т.н., проф.О.С. Гуревича.ТОРУС ПРЕСС, 2011. . – 208 с.: ил. 4. Гридчин, В.А. A new piezoresistive pressure sensor on the base of polysilicon thin films with dielectric insulation / V. A. Gridchin, V. B. Zinov`Ev, M. A. Chebanov, E. P. Cridchina, R. S. Konovalov, V. V. Osipova // The 8 international forum on strategic technologies (IFOST 2013) : proc., Mongolia, Ulaanbaatar, 28 June – 1 July 2013. – Ulaanbaatar, 2013. – Vol. 1. – P. 6-8. 5. Гридчин, В.А. Современные численные модели МСТ-сенсоров давления Черкаев, Г. Н. Камаев, А. Д. Бялик, А. В. Гридчин, В. А. Колчужин// Надежность и качество – 2013 : тр. междунар. симпозиума, посвящается 350-летию г. Пензы и 70-летию Пензенского государственного университета, Пенза, 27 мая – 3 июня 2013 г. : в 2 т. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. – Т. 1. – С. 174–178. 6. Гридчин, В. А. Влияниепредварительнойдеформациина пьезосопротивление кремниевых интегральных тензорезисторовn-типа /В. А. Гридчин, А. С. Черкаев, Э. Г. Саянова// Актуальные проблемы электронного приборостроения 7. Гридчин, В.А. Тензопреобразовательдавления./ В.А. Гридчин, В.М. Любимский - Патент РФ №2329480 от 20.07.08. 8. Коновалов, Р.С. Методика компенсации температурной погрешности интеллектуальных датчиков давления / А.Ю.Николаенко, А.А. Львов, 115 П.А.Львов, Р.С. Коновалов, В.В. Хаустов // Вестник Саратовского государственного технического университета – 2014. – №4(77). – С. 147-154 9. Коновалов, Р.С. Пьезорезистивные датчики давления для систем управления и диагностики авиационной техники / Р.С. Коновалов, С.А. Кузин, Д.Н. Соколов // Проблемы управления и передачи информации (УОПИ 2015): IV Междунар. науч. конф., 2015. Секция 7. - С. 134-139 10. Коновалов, Р.С. Оценивание параметров квазигармонических сигналов методом максимального правдоподобия / А.А. Львов, В.П. Глазков, В.П. Краснобельмов, Р.С. Коновалов, М.А. Соломин // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2014. – №4(77). – С. 154-160. 11. Коновалов, Р.С. Малогабаритные датчики давления на основе поликристаллических структур с диэлектрической изоляцией / А.А. Львов, Р.С. Коновалов // Датчики и системы. – 2015. – №8. – С. 29-32. 12. Коновалов, Р.С. Емкостные датчики дифференциального давления / А.А. Львов, Р.С. Коновалов // Математические методы в технике и технологиях – МТТ-26. – 2013. –Т. 10, Секция 12,- С. 12-14. 13. Коновалов,Р.С.Исследованиеэксплуатационныххарактеристик интеллектуального датчика давления ИД-1 с пьезорезонатором/ А.А. Львов, Р.С. Коновалов // Материалы конференции «Наука и технологии», Миасс. – 2013. - С. 80. 14. Коновалов, Р.С. Тензорезистивные датчики давления на основе поликристаллических структур с диэлектрической изоляцией / Р.С. Коновалов, А.А. Львов // Проблемы управления, обработки и передачи информации: сб. тр. III Междунар. науч. конф.: в 2 т. Саратов: Изд-й дом «Райт-Экспо», 2013. – Т.3. – С.127-132. 15. Коновалов, Р.С. Перспективные датчики давления на основе поликри-сталлических структур с диэлектрической изоляцией / А.А. Львов, Р.С. Конова¬лов, // Международная молодежная научная конференция «40-ые Гагаринские чтения» МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского , 2014. – Секция 13.- С. 27-28. 16. Коновалов, Р.С. Повышение точности измерения выходной частоты пьезорезонансных датчиков давления/ Р.С. Коновалов, М.И. Соломин, А.А. Львов // Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. Сборник научных трудов ХV Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов, 2015. Секция 4. - С. 215-218. 17. Коновалов, Р.С. Разработка тензомодулей на основе поликристаллических структур с диэлектрической изоляцией: физическая модель тензорезистора/ В.А. Гридчин, В.Б. Зиновьев, Г.Н. Камаев, Р.С. Коновалов // Проблемы управления, обработки и передачи информации: сб. тр. III Междунар. науч. конф.: в 2 т. Саратов: Изд-й дом «Райт-Экспо», 2013. – Т.3. – С. 103-112 18. Коновалов, Р.С. Измерения выходной частоты пьезорезонансных датчиков давления повышенной точности / Р.С. Коновалов, М.И. Соломин, А.А. Львов // Наукоемкие технологии и инновации: сб. докладов Юбилейной Меж-дунар. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. – Ч. 6. 19. Коновалов, Р.С. Высокоточные датчики давления / Р.С. Коновалов // Материалы Международного форума двигателестроения (НТКД–2014), 15–17 апреля. – Москва: АССАД, 2014. – Ч.2. – С. 166–167. 20. Коновалов, Р.С. Пьезорезонансный датчик давления повышенной точности / А.А. Львов, Р.С. Коновалов, П.А. Львов, С.А. Кузин // Проблемы управления и передачи информации (УОПИ 2015): IV Междунар. науч. конф., 2015. Секция 7. - С. 136-142. 21. Коновалов, Р.С. Повышение точности пьезорезистивных датчиков давления / А.А. Львов, Р.С. Коновалов, П.А. Львов // Проблемы управления и передачи информации (УОПИ 2015): IV Междунар. науч. конф., 2015. Секция 7. - С. 52-61. 22. Коновалов, Р.С. Высокотемпературные емкостные датчики абсолютного давления для перспективной авиационной техники / Р.С. Коновалов, С.А. Кузин, Н.А. Меньков// Проблемы управления и передачи информации (УОПИ 2015): IV Междунар. науч. конф., 2015. Секция 7. - С. 87-90. 23. Коновалов, Р.С. Пьезорезистивные датчики давления для систем управления и диагностики авиационной техники / Р.С. Коновалов, С.А. Кузин, Д.Н. Соколов // Проблемы управления и передачи информации (УОПИ 2015): IV Междунар. науч. конф., 2015. Секция 7. - С. 134-139. 24. Коновалов,Р.С.Аппаратноеиалгоритмическоеобеспечение интеллектуального пьезорезонансного датчика давления / А.А. Львов, Р.С. Коновалов, П.А. Львов, С.А. Кузин, Д.А. Булыкин// Проблемы управления и передачи информации (УОПИ 2015): IV Междунар. науч. конф., 2015. Секция 7. - С. 136-142 25. Львов, А.А. Пьезорезистивные датчики давления / Р.С. Коновалов, А.А. Львов // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІV науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 22-24 квітня 2014 р. - Донецьк, ДонНТУ, 2014. – С. 296-299 26. Казаков, К.В. Алгоритм двухканального оценивания параметров квазигармонических сигналов / К.В. Казаков, А.А. Львов, В.А. Пыльский// Вестник СГТУ, № 4(43), 2009. – С. 38-41. 27. 28. Львов, А.А. Высокотемпературные датчики давления / Р.С. Коновалов, А.А. Львов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», Пенза, Пензенский государственный университет, 2014, Т. 2. – С. 48-50. 29. Львов А.А., Пыльский В.А. Линейная петлевая схема точной обработки сигналов датчиков // Вестник СГТУ. - 2004. - №2 (3). - С. 102-113. 30. Линник, Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений / Ю.В. Линник. М.: ГИФМЛ, 1958, 336 с. 31. Львов, А.А. Оценивание параметров квазигармонических сигналов методом максимального правдоподобия/ А.А. Львов, В.П. Глазков, В.П. Краснобельмов, Р.С. Коновалов, М.А. Соломин // Вестник СГТУ. 2014. № 4 (77). – С. 147-154. 32. Нуссбаумер, Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток: Пер. с англ. / Г. Нуссбаумер. – М.: Радио и связь, 1985. — 248 c., ил. 33. Олссон Г. Цифровые системы автоматизации и управления / Г. Олссон, Д. Пиани. - СПб.: Невский Диалект, 2001. - 557 с. 34. Поляков, А.В. Перспективные кварцевые пьезорезонансные датчики давления / А.В. Поляков, В.Б. Поляков М.А. Одинцов // Компоненты и технологии. – 2011. №1. 35. Репин В.Г. Статистический синтез в условиях априорной неопределенности и адаптация информационных систем // В.Г. Репин, Г.П. Тартаковский. М.: Сов.радио, 1977, 242 с. 36. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник: пер. с англ. /Дж. Фрайден – М.: Техносфера, 2005. - 592 с.
Отрывок из работы

1 Обзор современных датчиков используемых в их составе формирователей сигнала 1.1 Методы преобразования давления Под термином «датчик» (сенсор) обычно понимается совокупность первичного и вторичного преобразователей. При этом первичный преобразователь, как правило, представляет собой некоторый чувствительный элемент (ЧЭ), преобразующий измеряемую физическую величину в сигнал электрической природы. Вторичный преобразователь (ВП) – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий полученную первичным преобразователем величину в удобный для использования сигнал . Процесс управления заключается в приёме информации о состоянии объекта управления, её контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приёма информации часто служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п. Спектр датчиков чрезвычайно разнообразен: большое число измеряемых физических величин или параметров исследуемого объекта; разнообразие физических зависимостей, используемых для измерительных преобразователей; разнообразие современных объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикам и измерениям в целом (ракетно-космическая техника, авиация, судостроение, энергетика, атомная техника и т.д.). В последние 10-15 лет устройства обработки информации развиваются достаточно интенсивно. Прежде всего, это связано с огромными успехами микроэлектроники, радиотехники, вычислительной техники. В ряду всевозможных датчиков особое место занимают датчики давления, которые играют важнейшую роль во многих технических системах. В последние десятилетия появилось понятие «интеллектуального» датчика. В данной главе дан обзор известных методов измерения давления. Особое внимание уделяется пьезорезистивным, ёмкостным и пьезорезонансным датчикам, широко используемым в разнообразных технических авиационных системах. Далее проведён критический анализ вторичных преобразователей, используемыхв составе этих датчиков, выявлены их достоинства и недостатки. После чего данапостановка задачи исследования, проводимого в данной работе. Датчик давления состоит (рисунок 1.1) из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа его преобразования в электрический сигнал: тензометрического, пьезорезистивного, емкостного, индуктивнного, резонансного, ионизационного типа. Рисунок 1.1 Блок-схема преобразователя давления в электрический сигнал. 1.1.1. Тензометрический метод В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе ЧЭ (рисунок 1.2), принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др. Рисунок 1.2 Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления. Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности. К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость. 1.1.2. Пьезорезистивный метод Практически все производители датчиков в России проявляют живой интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур. Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД), схематично показанный на рисунке 1.3, представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, включенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания. Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, низкостоймостные (lowcost) решения (рисунок 1.4), основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем. Рисунок 1.3 Кремниевый интегральный преобразователь давления Рисунок 1.4 Низкостоймостное решение для пьезорезистивных чувствительных элементов с использованием защитного покрытия Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в герметичном металлотеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости (рисунок 1.5). Рисунок 1.5 Преобразователь давления, защищенный от измеряемой среды посредством коррозионно-стойкой мембраны Основным преимуществом пьезорезистивных датчиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала. 1.1.3. Емкостнойметод Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости. В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью (рисунок 1.6). Рисунок 1.6 Емкостной керамический преобразователь давления, выполненный методами микромеханики При использовании металлической диафрагмы (рисунок 1.7) ячейка делится на две части, с одной стороны которой расположены электроды. Электроды с диафрагмой образуют две переменные емкости, включенные в плечи измерительного моста. Когда давление по обеим сторонам одинаково, мост сбалансирован. Изменение давления в одной из камер приводит к деформации мембраны, что изменяет емкости, разбалансируя мост. В настоящее время сенсоры изготавливаются с электродами, расположенными с одной стороны от диафрагмы. Газ будет контактировать только с камерой, выполненной из нержавеющей стали или инконеля. Это позволяет проводить измерения давлениязагрязненных, агрессивных, радиоактивных газов и смесей неизвестного состава. В абсолютной модели опорное давление составляет 10–7 – 10–8 мм рт.ст., которое поддерживается в течение длительного времени химическим геттером. Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум. К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления. Рисунок 1.7 Емкостной преобразователь давления. В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма 1.1.4. Резонансный метод Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора. Частным примером может служить кварцевый резонатор (рисунок 1.8). При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля – частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают – наступаетрезонанс. Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала. К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора. Рисунок 1.8 Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце 1.1.5. Индуктивный метод Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном (рисунок 1.9). Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению. Рисунок 1.9 Принципиальная схема индукционного преобразователя давления Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость. Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле. ? 1.1.6. Ионизационный метод В основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды (рисунок 1.10). Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, – а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Корпус лампы выполнен из высококачественного стекла. Рисунок 1.10 Ионизационный датчик вакуума Преимуществом таких лам является возможность регистрировать низкое давление – вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Помимо прочего, ионизационные лампы должны оснащаться дополнительными приборами, поскольку зависимость сигнала от давления является логарифмической. 1.1.7. Достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрическийсигнал Резюмируя вышеизложенное в данном разделе, сведем основные достоинства и недостатки изложенных методов в единую таблицу (Табл. 1.1). Таблица 1.1. Основные достоинства и недостатки методов измерениядавления Достоинства Недостатки Тензометрический (КНС-преобразователи) 1. Высокая степень защиты от агрессивной среды 2. Высокий предел рабочей температуры 3. Налажено серийное производство 4. Низкая стоимость 1. Неустранимая нестабильность градуировочной характеристики 2. Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры 3. Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций Окончание таблицы 1.1 Пьезорезистивный (на монокристаллическом кремнии) 1. Высокая стабильность характеристик 2. Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям 3. Низкие гистерезисные эффекты 4. Высокая точность 5. Низкая цена 6. Возможность измерять давление различных агрессивных средств 1. Ограничение по температуре (до 150?C) Емкостной 1. Высокая точность 2. Высокая стабильность характеристик 3. Возможность измерятьнизкийвакуум 4. Простотаконструкции 1. Зачастую, нелинейная зависимость емкости от прило- женногодавления 2. Необходимо дополнительное оборудование или элек- трическая схема для преобразования емкостнойзависи- мости в один из стандартных выходных сигналов Резонансный 1. Высокаястабильностьхарактеристик 2. Высокаяточностьизмерениядавления 1. При измерении давления агрессивных сред необходи- мо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точностиизмерения 2. Высокая цена 3. Длительноевремяотклика 4. Индивидуальная характеристика преобразования дав- ления в электрическийсигнал Индукционный 1. Возможность измерять дифференци- альные давления с высокойточностью 2. Незначительное влияние температуры на точностьизмерения 1. Сильное влияниемагнитногополя 2. Чувствительность к вибрациям иударам Ионизационный 1. Возможностьизмерениевысокогова- куума 2. Высокаяточность 3. Стабильностьвыходныхпараметров 1. Нельзя использовать подобные приборы при высоком давлении (низкий вакуум являетсяпорогом) 2. Нелинейная зависимость выходного сигнала от при- ложенного давления 3. Высокаяхрупкость 4. Необходимо сочетать с другими датчикамидавления Основным направлением развития аппаратной части электронных цифровых САУ газотурбинных двигателей (ГТД) становится в настоящие время их построение по распределенному принципу. Реализация распределенного управления применительно к авиационным двигателям основывается на двух критических технологиях: высокотемпературной электроники и высокоскоростных линиях связи между элементами системы. Необходимость высокотемпературных датчиков давления обусловлена их расположением вблизи корпуса двигателя. Так же для распределенных систем управления и контроля требуются датчики обладающие погрешностью не более 0,15% от измеряемой величины (ИВ), надежностью не менее 300000 часов на отказ при работе в условиях от минус 60°С до +200°С, с долговечностью более 40000 часов и календарным сроком эксплуатации более 40 лет. Далее в работе рассмотрены датчики давления, которые в наибольшей степени отвечают заявленным требованиям, а именно, датчики давления на основе пьезорезистивных преобразователей. Это связано с их временной стабильностью, высокой инерционностью, малым током потребления [1], технологичностью изготовления и удобным выходным сигналов для последующей математической обработки для минимизации погрешности сигнала преобразования измерения. 1.2. Обзор вторичных преобразователей, применяемых в датчикахдавления 1.2.1 Мостовые схемы Широкое распространение для измерения давления в системах измерения, контроля, управления и диагностики газотурбинных двигателей (ГТД) по- лучили полупроводниковые тензорезисторы (пьезорезисторы) сформированные в виде моста Уитстона. В настоящее время мостовая схема Уитстона также представляет наибольший интерес у инженеров электронщиков и экспериментаторов схем преобразования выходных сигналов сенсоров давления. Это связанно с простотой обеспечения питания сенсоров и массой предлагаемых на мировом рынке готовых, интегральных преобразователей давления выполненных на полупроводниковой технологии. Также сформированный мост Уинстона на кремниевым кристалле пригоден для использования его как для динамического, так и для статического давления. Ниже показаны различные резистивные датчики в диапазоне от 100 Ом до нескольких десятков кОм в зависимости от конструкции датчиков и измеряемой среды. ? тензометрические датчики 120 Ом, 350 Ом, 3500Ом ? динамометры 350 Ом - 3500Ом ? датчики давления 350 Ом - 3500Ом Резистивные датчики, такие как ТС и тензометрические датчики дают малый процент изменения сопротивления в ответ на изменение физической переменной. Так температурный коэффициент платинового ТС составляет ТКСП = 0,385 %/?С. Тензометрические датчики даже бросают вызов системе измерения, поскольку изменение сопротивления по всему рабочему диапазону может быть менее 1% от номинальной величины. Таким образом, при использовании резистивных датчиков особенно важно точно измерять малые изменения сопротивления. Метод измерения сопротивления, по- казанный на рисунке 1.11, состоит в пропускании постоянного тока через резистивный датчик иизмерении падения напряжения на нем. Рисунок 1.11 Использование источника постоянного тока для непрямого измерения сопротивления Здесь требуется точное удержание тока возбуждения и точное измерение выходного напряжения. Вдобавок, мощность, рассеиваемая на резистивном датчике должна быть малой во избежание ошибок, связанных с саморазогреванием (в соответствие с ТУ производителя). Поэтому, ток возбуждения должен быть малым.Весьма притягательной альтернативой для точного измерения малых изменений сопротивления являются мосты Уитстона. На рисунке 1.12 приведена схема измерительного моста. Мост находится в нулевом (сбалансированном) состоянии при R1/R4 = R2/R3 вне зависимости от способа его возбуждения (постоянным либо переменным током), величины возбуждения или способа считывания выходного сигнала (ток или напряжение), импеданса схемы измерения. Если зафиксировать R2/R3= K, а величину R1 необходимо определить то, введя мост в нулевое состояние с помощью градуированного потенциометра R4, можно рас- считать R1 = K?R4. Рисунок 1.12 Мост Уитстона Нулевые измерения используются в системах с электромеханическими элементами. В большинстве приложений с использованием мостовых датчиков величина отклонения сопротивления одного или нескольких сопротивлений плеч моста измеряется через величину изменения измеряемого параметра. Например, измеряя напряжение диагонали моста, судят об изменении величины составляющих его сопротивлений. Изменение выходного напряжения моста весьма мало (десятки милливольт) даже при значительных возбуждающих напряжениях (V B = 10 В, являющееся типовым для элементов нагрузки – динамометров). На рисунке 1.13 показаны основные применяемые конфигурации измерительных мостов и приведены основные соотношения по выходу и их нелинейности. Следует отметить, что поскольку выход моста пропорционален возбуждению V B, точность измерения выхода не может быть выше точности под- держания возбуждения. Чувствительность моста – отношение максимально ожидаемого изменения выходного напряжения (выхода) к напряжению возбуждения (возбуждению). Так, если максимальный выход составляет 10 мВ, а возбуждение 10 В, то чувствительность равна 1 мВ/В. Рисунок 1.13 Выходное напряжение и его нелинейность для различных конфигураций мостов при возбуждении постоянным напряжением. Следует особо отметить, что данная нелинейность относится к собственно измерительному мосту и не имеет никакого отношения к нелинейности чувствительного элемента. На практике, большинство чувствительных элементов обладает собственной нелинейностью, которую следует учитывать в конечном результате. Вследствие того, что нелинейность моста описывается аналитически, достаточно просто учесть ее при цифровой обработке. Полумостовая конфигурация может быть представлена в двух видах: Первый случай: Когда оба чувствительных элемента изменяются в одну сторону и монтируются рядом на одной оси. В этом случае нелинейность точно такая же, как при четверть мостовой конфигурации, коэффициент же передачи в два раза выше. Такая конфигурация нашла применение в датчиках давления и расходомерных системах. Второй случай: Когда чувствительные элемента изменяются в противоположные стороны и монтируются, например, в случае датчика деформации, на одной оси, но с разных сторон упругого элемента (сверху и снизу изгибаемой в вертикальной плоскости упругойбалки). Полномостовая конфигурация дает максимальный сигнал на выходе и линейна по своейприроде. Мосты можно также возбуждать постоянным током (а не напряжением, как в предыдущем примере), что представлено на рисунке 1.14. Преимущество метода, когда мост располагается далеко от системы регистрации, состоит в отсутствие ошибок измерения из-за наличия сопротивления соединительных про- водников. Нелинейность имеется только для случая четверть мостовой конфигурации. Рисунок 1.14 Выходное напряжение и его нелинейность для различных конфигураций мостов при возбуждении постоянным током. Ниже приводятся факторы, которые необходимо обязательно учитывать при проектировании формирователя сигнала в виде мостовой схемы: ? Выбор конфигурации моста ( 2, 4 чувствительныхэлемента); ? Выбор источника возбуждения Напряжением илиТоком; ? Чувствительностьмоста; ? Верхний предел выхода / Напряжениевозбуждения; ? Типовые значения от 1 мВ/В до 10мВ/В; ? Верхний предел выхода: (10 ..100)мВ; ? Необходимы прецизионные средства Усиления/Нормирования с малыми шумами; ? Могут потребоваться средства линеаризации характеристикисхемы; ? Составляет проблему обслуживание дистанционныхдатчиков. 1.2.1. Управление мостами Наиболее серьезными проблемами при обслуживании дистанционно расположенных мостов являются конечная величина сопротивления соединительных проводов и шумовые наводки. На рис. 1.15 показан 1/4 мостовой 350 Ом датчик деформации, подключенный к дистанционному чувствительному элементу скрученной парой медных проводов 30-го калибра длинной 33 м. При температуре 25?С сопротивление 33 м такого провода составляет 10,5 Ом. Температурный коэффициент провода ТКС=0.385%/?С. Вычисленная ошибка коэффициента передачи и смещения нуля при увеличении температуры среды на +10 ?С при 10 В возбуждении составит, соответственно, КПО = –0,26 % от верхнего предела и СНО = +23 % от верхнего предела (FS). Рисунок 1.15 Ошибки, обусловленные сопротивлением соединительных проводов резистивного моста. RCOMP= 21 Ом компенсирует начальное смещение моста, вызываемое наличием соединительных проводов от чувствительного элемента. Цифры, приведенные в скобках «()» соответствуют температуре +35 ?С. Отметим, что указанные ошибки не включают в себя ошибки, связанные с ТК собственно чувствительного элемента. 3-х проводное подключение чувствительного элемента существенно уменьшает ошибки, как показано на рисунке 1.16. Рисунок 1.16 Ошибки, обусловленные сопротивлениемсоединительных проводов резистивного моста при 3-проводном соединении. Предполагается использование высоко импедансного устройства для измерения выхода с моста (поэтому входной ток равен нулю). Вычисленная ошибка коэффициента передачи и смещения нуля при увеличении температуры среды на +10 °С при 10В возбуждении составит, соответственно, КПО = –0.08 % от верхнего предела и СНО = 0 % от верхнего предела. 3-х проводное подключение дистанционного чувствительного элемента дает весьма хорошие результаты. Однако, в конструктивно законченных устройствах, например, элементе нагрузки, применяется полномостовая конфигурация. При дистанционном расположении такого элемента от нормирующей электроники, для сохранения высокой точности полного моста следует применять специальные методы. Особое внимание уделяется поддержанию точности и стабильности напряжения возбуждения моста, поскольку выход моста прямо пропорционален возбуждению. По этой причине большинство из устройств с полно мостовой конфигурацией соединяются по шести проводной схеме: два провода - выход моста, два -возбуждение моста и два – чувствительные провода. Такой метод называется соединением Кельвина. Подключение Кельвина ликвидирует падение напряжения возбуждения на соединительных проводниках. Но, следует указать, что ОУ должны иметь малые смещение, дрейф ишумы. На рисунке 1.17 показан другой способ минимизации ошибок, обусловленных наличием сопротивления соединительных проводов, с помощью источника тока возбуждения. Требуется стабильность ИОН, измерительного резистора R S и операционного усилителя.
Не смогли найти подходящую работу?
Вы можете заказать учебную работу от 100 рублей у наших авторов.
Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 5 мин!
Служба поддержки сервиса
+7(499)346-70-08
Принимаем к оплате
Способы оплаты
© «Препод24»

Все права защищены

Разработка движка сайта

/slider/1.jpg /slider/2.jpg /slider/3.jpg /slider/4.jpg /slider/5.jpg