Вимірювальні генератори для напівпровідникових резонансних сенсорів

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

УДК 621.317.765.9

Вимірювальні генератори для напівпровідникових резонансних сенсорів

Спеціальність 05.11.05 прилади та методи вимірювання електричних та магнітних величин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рак Володимир Степанович

Львів 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Метрологія, стандартизація та сертифікація” Національного університету “Львівська політехніка”.

Захист відбудеться 25 лютого 2005 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 при Національному університеті “Львівська політехніка” (290013, м. Львів13, вул. Степана Бандери , 12, ауд. 226 гол. корп.)

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці університету (290013, м. Львів, вул. Професорська, 1.)

Автореферат розісланий 22 січня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Я. Т. Луцик

коливання напівпровідниковий резонатор

АНОТАЦІЯ

Рак В. С. Вимірювальні автогенератори для напівпровідникових резонансних сенсорів.

Дисертація у вигляді рукопису на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.05?прилади та методи вимірювання електричних та магнітних величин. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2004 р.

Захищається 12 наукових робіт, які містять результати досліджень спрямованих на створення стійкого до впливу дестабілізувальних факторів вимірювального автогенератора для напівпровідникових резонансних сенсорів. Обґрунтовано вибір оптимальних розмірів напівпровідникового струнного резонатора, що є базовим елементом напівпровідникових резонансних сенсорів. При цих розмірах він найменше піддається впливу дестабілізувальних факторів. Методом факторного експерименту створені математичні моделі впливу дестабілізувальних факторів на резонансну частоту такого резонатора. Створено математичну модель автогенератора з напівпровідниковим резонансним сенсором, за допомогою якої вибрано електронну схему, що найкраще забезпечує його роботу у робочому діапазоні частот. За допомогою математичних моделей впливу дестабілізувальних факторів на частоту резонатора проаналізовано похибки термостатованого автогенератора.

Для зменшення впливу дестабілізувальних факторів запропоновано спосіб стабілізації частоти струмом кристала, та оптикоелектронний спосіб зчитування частоти резонатора. Показано, що при оптикоелектронному способі зчитування потужність сигналу більша від потужності сигналу, що виникає при тензорезистивному способі на 40 дБ. Запропоновано принцип побудови термоелектричного перетворювача на основі НСР для вимірювання ефективного значення струму та напруги.

Ключові слова: струнний резонатор, вимірювальний автогенератор, автоколивання; напівпровідниковий резонансний сенсор, частотний сенсор.

АННОТАЦИЯ

Рак В. С. Измерительные автогенераторы для полупроводниковых резонансных сенсоров.

Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.05 - приборы и методы измерения электрических и магнитных величин. Националный университет “Львивська политехника”, Львов, 2004.

Защищается 12 научных работ, которые содержат результаты исследований направленных на создание устойчивого к влиянию дестабилизирующих факторов измерительного автогенератора для полупроводниковых резонансных сенсоров.

В диссертации проведен анализ преимуществ и недостатков частотных сенсоров с механическими колебательными системами, изготовленных из таких материалов, как металл, кварц и кремний. Указаны преимущества кремния. Проведен анализ мирового уровня разработок кремниевых резонансных сенсоров. Показано влияние физико-механических свойств кремния на структуру схемы автогенератора.

Описаны устройство и работа полупроводникового струнного резонатора. Обоснованы оптимальные размеры полупроводникового струнного резонатора, при которых он наиболее устойчив к влиянию дестабилизирующих факторов. Методом факторного эксперимента созданы математические модели влияния этих факторов на резонансную частоту. По результатам исследований сделан вывод о внедрении дополнительных мероприятий, направленных на уменьшение влияния дестабилизирующих факторов. Определены относительная амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики резонатора для электрического сигнала.

С учетом физико-механических и электрических свойств нитевидного кристалла кремния обоснована функциональная схема автогенератора. Эта схема отличается от схемы генератора с электрическим колебательным контуром необходимостью установки в цепи обратной связи фазовращателя и делителя частоты на два. Предложено три варианта электронных схем автогенератора, которые отличаются методами создания фазового сдвига. Указаны их преимущества и недостатки. Создана математическая модель автогенератора, с помощью которой отобрана электронная схема, обеспечивающая оптимальную работу полупроводникового струнного резонатора в рабочем диапазоне частот.

Для уменьшения влияния температуры предложен способ и разработана схема стабилизации частоты резонатора с помощью изменения тока кристалла. Экспериментальная проверка показала, что при использовании этого способа влияние температуры на выходную частоту резонатора уменьшается в 3,5…4 раза.

Для уменьшения влияния шумов, температуры, увеличения количества кристаллов, использующихся при изготовлении сенсоров, предложен оптикоэлектронный способ считывания частоты колебаний резонатора. В оптической системе автогенератора для такого способа считывания используется градиентный световод, который совмещает функции передачи излучения и собирающей линзы. В качестве модулятора излучения в разрыве световода использован НК кремния. Выведена формула для расчета длины световода, при которой он работает как собирающая линза. Показано, что при таком способе считывания можно увеличить мощность входного сигнала на 40 дБ.

В работе показано, как с помощью математических моделей выбором напряжения импульсов возбуждения колебаний и тока НК можно уменьшить влияние температуры на выходную частоту генератора. Шумы схемы усиления автогенератора и колебания температуры в термостате создают случайные флуктуации частоты. В работе проведена оценка общей погрешности измерения частоты в зависимости от времени усреднения, обусловленная как шумами, так и колебаниями температуры термостата.

Флуктуации частоты генератора, созданные помехами, возникающими на входе схемы усиления, уменьшаются за счет работы схемы подавления помех. Подавление синфазных помех равно 116 дБ.

Для уменьшения влияния давления резонатор герметизирован и установлен в термостат. Для уменьшения потребления энергии термостатом предложено изготовить схемы автогенератора и терморегулятора в микроэлектронном варианте и установить их в корпус вместе с резонатором. Таким образом уменьшатся размеры термостата, соответственно уменьшится и мощность которую он потребляет. Использование вакуумной термоизоляции может уменьшить потребление энергии в 3…4 раза.

Предложен принцип построения термоэлектрического преобразователя на базе полупроводникового струнного резонатора для измерения эффективного значения тока и напряжения. Также описаны частотные сенсоры, работающие совместно с разработанной схемой АГ использующиеся для измерения температуры, силы, ускорения и давления.

Ключевые слова: струнный резонатор, измерительный автогенератор, автоколебания; полупроводниковый резонансный сенсор, частотный сенсор.

ANNOTATION

Rak V. S. Measuring Auto generators For Semiconductor Resonance sensors.

The dissertation paper in the form of manuscript is presented to obtain a scientific degree of a Candidate of Technical Sciences, field of specialization 05.11.05 - devices and methods of measuring electrical and magnetic magnitudes, National University “Lviv polytechnics”, city of Lviv, year of 2004.

There are eleven scientific papers containing results of research regarding creating of a measuring auto generator for semiconductor resonance sensors, that (auto generator) remains stable to effects of destabilizing factors, being defended. Given are the grounds for a choice of optimal dimensions of semiconductor string resonator, which is a basic element for semiconductor resonance sensors. With this dimensions it is the less sensitive to the effects of destabilizing factors. Mathematical models of effects of destabilizing factors on resonance frequency of a resonator are created by factor experiment method. Mathematical model of auto generator with semiconductor resonance sensor is created and with the help of which electrical circuit providing its best operation in the wide frequencies range is developed. With the assistance of the mathematical models of the effects destabilizing factors on resonance frequency, the errors of auto generator have been analyzed. For reducing the effects of destabilizing factors there has been offered a way of stabilizing the frequency by current of crystal and an optical electronic method of reading resonator's frequency. Proposed is thermo electrical transducer based on semiconductor string resonator for measuring effective value of current and voltage.

Key words: string resonator; measuring auto generator; auto-oscillations; semiconductor resonance sensor; frequency sensor.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми та зв'язок роботи з науковими програмами й темами. Науково-технічний розвиток суспільства, ефективність його виробництва, створення енергоощадних та матеріалоощадних технологій значною мірою зумовлені розвитком сучасних засобів вимірювання, інформаційно-вимірювальних систем та їх сенсорного забезпечення. На покращення такого забезпечення спрямоване створення нових сенсорів з удосконаленими метрологічними характеристиками, завадостійкістю та надійністю. Одними з найстійкіших до дії завад є частотні сенсори, а здатність сучасних засобів вимірювати частоту з точністю до 10-6 % є передумовою високої точності цих сенсорів.

З огляду на це найперспективнішими є частотні сенсори з електромеханічними коливними системами. Добротність таких коливних систем при розміщенні в повітряному середовищі сягає двох тисяч, а при розміщенні у вакуумі зростає до десятків тисяч. Під час згинальних коливань у такій коливній системі її вихідна частота вимірюється десятками кілогерц. Тому її легко передавати лініями зв'язку на великі відстані. Це є умовою широкого застосування цих сенсорів у телеметричних системах. Режим роботи, в якому найповніше використано переваги таких сенсорів, це автоколивання, а схема, що забезпечує цей режим, - вимірювальний генератор (автогенератор).

До частотних сенсорів з електромеханічною коливною системою зі згинальними коливаннями належать створені у НУ “Львівська політехніка” кремнієві сенсори на основі напівпровідникового струнного резонатора (НСР). Досконалість матеріалу забезпечує їх значну механічну міцність та відсутність гістерезису, високу добротність і стабільність. Сенсори на основі НСР можуть застосовуватись для вимірювання ефективного значення струму, напруги, температури та механічних величин. Це відкриває перспективи для їх широкого застосування.

Кремнієві сенсори зі згинальними коливаннями найчутливіші серед відомих сенсорів такого типу. Відносна зміна їх частоти під час вимірювань сягає 42 %.

Метод компарування, що використовується для вимірювання ефективного значення струму та напруги термоперетворювачем на основі НСР, є одним з найточніших. Він полягає у порівнянні тепла, виділеного у термоперетворювачі змінним струмом або напругою, з теплом, виділеним постійним струмом або напругою. У разі досягнення рівності вважають, що значення змінної напруги або струму дорівнює постійному. У термоперетворювачі на основі напівпровідникового струнного резонатора перетворення температури у частоту здійснюється автогенератором (АГ), інформаційним параметром якого є частота. При великій чутливості сенсорів на основі НСР та значній зміні їх частоти вимірювання ефективних значень напруги та струму можна здійснювати з високою точністю у великому динамічному діапазоні.

Для забезпечення режиму автоколивань у п'єзокварцових та металевих струнних сенсорах необхідний фазовий зсув створюється додатковими RC та RL-ланками. Через велику відносну зміну частоти такі засоби створення фазового зсуву для сенсора на основі НСР будуть недостатніми. Схема автогенератора для таких сенсорів повинна містити фазокоректувальний пристрій (фазообертач), що призначений стежити за фазовим зсувом під час вимірювань та підтримувати його для забезпечення фазової умови генерації. Ще однією особливістю цих сенсорів є те, що при тензорезистивному способі зчитування частота електричного сигналу коливної системи удвічі більша від частоти її механічних коливань. Для того, щоб резонатор міг працювати в автоколивному режимі, частота імпульсів збудження повинна збігатися з частотою механічних коливань. Тому схема АГ повинна містити подільник частоти, отже, застосувати відомі схеми для автогенератора на основі НСР неможливо.

Щоб забезпечити роботу частотних сенсорів нового типу, актуальним є створення для них стійкого до впливу дестабілізувальних факторів автогенератора, що буде базуватися на нових схемних рішеннях, які здатні забезпечити оптимальні умови збудження НСР у робочому діапазоні частот.

Робота виконувалась відповідно до Постанови ДКНТ України, № 19 від 14.07.1992 р. тема ДК/Ф30 “Сплав” (№ д.р. 0193U040303), тема ДБ/НДВ (№ д. р. 0195U014373), тема ДБ/ЧЕНК (№ д. р 0197U000217), тема ДБ/ “Лічильник” (№ д. р. 0102U001189).

Мета й задачі дослідження. Мета роботи полягає у знаходженні нових схемних рішень для побудови вимірювального АГ із сенсором на основі НСР, здатного забезпечити високу точність вимірювань.

Поставлена мета досягається такими засобами:

Вибираються такі розміри НСР, при яких вплив дестабілізувальних факторів буде мінімальним.

Методами факторного експерименту досліджується вплив на НСР дестабілізувальних факторів та створюється математична модель цього впливу.

Для створення математичної моделі АГ аналітично описуються АЧХ та ФЧХ його основних функціональних вузлів.

За допомогою математичної моделі АГ вибирається електронна схема, що забезпечує оптимальні умови збудження автоколивань у робочому діапазоні частот.

В АГ вводяться схемні та конструктивні рішення для зменшення впливу дестабілізувальних факторів та забезпечення роботи сенсора на високому метрологічному рівні.

Ефективність запропонованих схем, функціональних вузлів та конструктивних рішень підтверджується оцінкою похибок АГ.

Об'єктом дослідження є вимірювальний генератор для напівпровідникових резонансних сенсорів.

Предметом дослідження є здатність генератора забезпечити збудження коливань у резонансних сенсорах у робочому діапазоні частот та методи зменшення впливу довкілля на вихідну частоту АГ.

Методи дослідження базуються на використанні основних положень теорії коливань, теорії планування експерименту, теорії похибок, теорії лінійних електричних кіл, теорії оптико-електронних приладів і систем, кореляційної теорії випадкових процесів. Теоретичні дослідження підтверджувались математичним моделюванням за допомогою прикладного пакета Mathcad 2000 Profesional та експериментально.

Наукова новизна одержаних результатів:

Уперше запропоновано метод створення фазового зсуву між частотою механічних коливань НСР та частотою вимушувальної сили, на основі якого розроблено електронну схему автогенератора.

За допомогою створеної математичної моделі автогенератора показано, що запропонований метод фазового зсуву забезпечує оптимальні умови роботи АГ у діапазоні робочих частот НСР.

Для зменшення впливу температури довкілля, електромагнітних завад та шумів АГ на стабільність його вихідної частоти запропоновано оптикоелектронний метод зчитування корисного сигналу, який порівняно з тензорезистивним методом збільшує потужність вхідного сигналу на 40 дБ.

Для прецизійного вимірювання ефективного значення струму та напруги високих та надвисоких частот запропоновано принцип побудови термоелектричного перетворювача на основі НСР.

Запропоновано метод оптимізації значень струму кристала та напруги збудження коливань, який дозволяє зменшити вплив температури на систематичні похибки генератора.

Математично обґрунтовано, що для зменшення випадкової похибки вимірювання вихідної частоти у 5 разів необхідно забезпечити час усереднення не менше ніж 100 періодів вихідного сигналу АГ.

Практичне значення отриманих результатів.

Уніфікація геометричних розмірів НСР дала змогу створити резонатор, який найменше піддається впливам дестабілізувальних факторів та надійно працює в режимі автоколивань як елемент зворотного зв'язку автогенератора.

На основі запропонованого методу створення фазового зсуву розроблено оригінальну електронну схему для АГ, яка може застосовуватись для забезпечення роботи сенсорів різних фізичних величин.

Завдяки застосуванню методів зменшення впливу дестабілізувальних факторів підвищується точність вимірювальних АГ.

Математична модель впливу дестабілізувальних факторів та математична модель автогенератора дають змогу, проектуючи сенсори, прогнозувати похибки сенсорів на основі НСР у конкретних умовах експлуатації.

Особистий внесок здобувача Методами факторного експерименту дисертантом досліджено вплив дестабілізувальних факторів на резонансну частоту НСР та створена математична модель цього впливу.

На підставі аналізу фізико-механічних та електричних властивостей кремнію автором запропоновано структурну схему автогенератора. Для створення фазообертача, здатного працювати у широкому діапазоні частот, автор пропонує використати фазочастотні співвідношення між механічними коливаннями НСР та його електричним сигналом.

Для аналізу працездатності автогенератора у широкому частотному діапазоні автором створена його математична модель, за допомогою якої вибрана оптимальна електронна схема.

Проаналізовані систематичні та випадкові похибки частоти АГ.

Для зменшення впливу дестабілізувальних факторів запропоновано низку схемних та конструктивних рішень, зокрема оптикоелектронний варіант зчитування частоти з НСР.

Для вимірювання ефективного значення струму та напруги автором запропонований принцип побудови термоелектричного перетворювача на основі НСР.

Реалізація та впровадження результатів дослідження. Результати досліджень використані у нафтогазовидобувному управлінні “Бориславнафтогаз”.

Розроблений вимірювальний генератор із напівпровідниковим резонансним сенсором сили використовується як зразковий засіб вимірювання в установці для метрологічної перевірки сенсорів зусилля у полірованому штоці штангової глибинонасосної установки (ШГНУ).

Апробація результатів дисертації

Основні результати роботи доповідались та обговорювались на: конференции с международным участием "Приборостроение 93 и новые информационные технологии" (Винница-Николаев, 1993); межгосударственной конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (Пенза, 1994); международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1994); конференції з міжнародною участю "Приладобудування 95" (Вінниця - Львів, 1995); міжнародній науково-практичній конференції "Системи і засоби передачі і обробки інформації" (Одеса, 1997); international conference "Challenges to civil and mechanical engineering in 2000 and beyond" (Poland. Wroclaw, 1997); міжнародній науково-практичній конференції "Енергозберігання 97" (Львів, 1998). Крім того, результати виконаних досліджень доповідались на науково-технічних конференціях Національного університету "Львівська політехніка" та наукових семінарах кафедри “Метрологія, стандартизація та сертифікація”.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 12 робіт. З них 6 статей, 2 патенти України на винахід, 4 матеріали науково?технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та трьох додатків. Загальний обсяг роботи 185 сторінок. Робота містить 74 рисунки, 10 таблиць та 3 додатки. Список використаних джерел містить 101 найменування.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність проблеми, мета і задачі дослідження, наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення, наведені відомості про апробацію роботи.

У першому розділі показано, як властивості матеріалів позначаються на метрологічних, експлуатаційних характеристиках сенсорів та на технологічності їх виготовлення. Сенсори, у яких частотозадавальним елементом є металева струна, не можуть забезпечити необхідну сьогодні точність вимірювань. Це пов'язано з незадовільними пружними властивостями металів.

Обґрунтовано, що перспективнішими матеріалами є кварц та кремній. Однак у кремнію є певні переваги. Так його модуль пружності, залежно від орієнтації за кристалографічними осями, більший від модуля пружності кварцу в 1,8...2,6 раза. Модуль пружності кремнію становить 1.88.1011 Н/м2, що дорівнює модулю пружності сталі. Це означає, що при однаковому відносному видовженні зміна частоти кремнієвих резонаторів буде ширшою, ніж кварцових, тобто кремнієві резонатори матимуть вищу чутливість та більший частотний діапазон.

Швидкість травлення кремнію у 80...100 разів більша, ніж кварцу. Тому кремній добре піддається хімічному формотворенню та хімічному поліруванню. Це дає змогу налагодити високопродуктивне масове виробництво елементів для кремнієвих резонаторів із мінімальним застосуванням механічної обробки. Відсутність п'єзоефекту компенсується тензоефектом із великим коефіцієнтом тензочутливості та здатністю пропускати струм.

У НУ “Львівська політехніка” створені кремнієві сенсори на основі НСР, у яких для струн застосовують ниткоподібні кристали (НК) кремнію, міцність та пружні властивості яких близькі до теоретичних.

У розділі проаналізовано зарубіжний досвід створення кремнієвих частотних сенсорів та електронні схеми автогенераторів із сенсорами на металевих струнах та п'єзорезонансними сенсорами.

Оскільки відносна зміна частоти п'єзокварцевих сенсорів дорівнює 10 %, а металевих 24 % то у схеми автогенераторів з такими сенсорами для забезпечення фазової умови збудження достатньо ввести RL або RC ланки. Відносна зміна частоти у НСР становить 42 %, тому для його роботи в широкому діапазоні частот у схему необхідно ввести спеціальний пристрій для обертання фази. Для того, щоб резонатор міг працювати в автоколивному режимі, частота електричних імпульсів збудження коливань повинна збігатися з частотою механічних коливань. Для цього у схему автогенератора необхідно ввести подільник частоти на два.

У другому розділі описана будова (рис. 1) та принцип роботи НСР. Він складається з НК 1, жорстко защемленого двома кінцями у вузлах кріплення 2 на певній відстані від збуджувального електрода 3, що є одночасно і пружним елементом (ПЕ) резонатора. Для зчитування частоти коливань через НК пропускають струм, який підводиться платиновими дротинами 4. Коливання збуджуються електростатичною силою, що виникає між НК та електродом збудження від імпульсів напруги, яку до них прикладають.

Під час поперечних механічних коливань НК двічі за період буде відхилений від свого середнього положення, тобто він двічі за період буде максимально розтягнутий і відповідно двічі зміниться опір кристала внаслідок тензоефекту. У разі протікання через кристал струму на його кінцях виникне пульсуюча напруга з частотою у два рази більшою ніж частота механічних коливань. Отже не потрібен пристрій, що перетворює механічні коливання в електричний сигнал. Таке перетворення відбувається безпосередньо в кристалі за рахунок його властивостей. Немає необхідності і у пристрої збудження коливань, бо ним є пружний елемент.

Експериментально встановлені геометричні розміри кристала та відстань до пружного елемента, за яких вплив струму кристала, напруги збудження та температури довкілля на резонансну частоту є мінімальний. Вони становлять: довжина 7,80,2 мм; діаметр 402 мкм; відстань від пружного елемента до кристала 605 мкм. Проведені дослідження показали можливість уніфікації конструкції НСР для сенсорів різних фізичних величин.

Дестабілізувальний вплив на частоту резонатора здійснюють довкілля, внаслідок зміни атмосферного тиску та температури, й електронна схема через зміну напруги імпульсів збудження коливань та струму кристала. Для кількісного визначення впливу дестабілізувальних факторів спочатку встановлено межі, в яких вони змінюються (див. табл. 1). Методами факторного експерименту створені емпіричні математичні моделі впливу цих факторів на резонансну частоту (табл. 1).

За вказаними математичними моделями у другому розділі побудовані тривимірні графіки впливу дестабілізувальних факторів на частоту НСР у координатах температуратиск та струмнапруга. На підставі виконаних досліджень зроблено висновок, що для підвищення точності автогенератора необхідні додаткові заходи, спрямовані на зменшення впливу дестабілізувальних факторів.

Таблиця 1 Математичні моделі частоти резонатора

Умови роботи резонатора	Математичні моделі	Межі факторного поля
		Т, 0С	Iкр, mA	Uзб В	P гПа
При атмосфер-ному тиску	F=36671.9556-193.7156T-21085.9938Iкр-313.8044Uзб-27.6547P+127.2938TIкр+ +2.5444TUзб+0.1547TP+272.2363IкрUзб+ +18.653IкрP+0.3501UзбP-1.69625TIкрUзб-0.10313 TIкрP-0.24338IкрUзбP-0.00206TUзбP+0.001375* TIкрUзбP	від 17 до 57	від 0.5 до 1.5	від 77 ¦до 79	від ¦970 до 1070
У вакуумі	F=11692,063 - 1.3125T-30.0625Iкр_ + +3.96875Uзб -1.6875TIкр+ + 0.03125TUзб + 0.90625 Uзб Iкр+ +0.09375TIкрUзб	від 17 до 57	від 0.2 до 1	від 16 до 17	-

Добротність НСР є визначальним параметром для його стабільності. Чим вона вища, тим повільніше згасають вільні коливання у резонаторі. Ця властивість використана для вимірювання добротності. Саме вимірювання полягає у спостереженні на осцилографі за амплітудою вільних коливань і підрахунку кількості періодів ne в інтервалі часу, за який початкове значення амплітуди зменшиться у 10 разів. Після встановлення кількості періодів визначається добротність за виведеною формулою

(1)

У цьому ж розділі зображена функціональна схема та описана робота пристрою для вимірювання добротності. Для кристалів з уніфікованими розмірами при атмосферному тиску добротність резонатора дорівнює 400...500. Після відкачування повітря до тиску 10-3 мм рт. ст. добротність зростає до 15000.

Просторово-часова залежність прогину кристала y(x,t) має вигляд:

, (2)

де X(x) - просторове зміщення кристала; W(t) - часове зміщення кристала.

Тоді відносне видовження l(t) можна визначити так:

. (3)

За допомогою програми Mathcad 2000 Profesional за формулою (3) обчислена зміна відносного видовження за два періоди механічних коливань. На рис. 2,а та 2,б видно, що відносне видовження l(t) набуває найбільших значень тоді, коли кристал знаходиться в одному із крайніх положень, а частота його зміни вдвічі більша від частоти механічних коливань. Між частотою механічних коливань та частотою зміни відносного видовження є сталий часовий зсув. Падіння напруги на кристалі, що коливається, визначимо за формулою

, (4)

де k - коефіцієнт тензочутливості 100, Rк - опір кристала та Ік - струм кристала сталі. З (4) видно, що частота електричного сигналу визначається l(t). Вона перевищує удвічі частоту механічних коливань. Часовий зсув між механічними коливаннями та зміною відносного видовження відповідає фазовому куту електричного сигналу (див. рис. 2).

Щоб визначити відносну АЧХ для електричного сигналу резонатора, що працює при атмосферному тиску та у вакуумі, замінимо у формулі (2) часове відхилення струни частотним, що відображено виразом

, (5)

де: Авд(f) відносна амплітуда механічних коливань, дорівнює

, (6)

при чому f частота електричного сигналу; (f) кутова частота механічних коливань; 0(f0)резонансна кутова частота механічних коливань, f0 резонанасна частота електричного сигналу, f0=11,6 кГц; Вкоефіцієнт опору; 2R максимальне зміщення середньої точки кристала; Rрадіус кристала.

Оскільки частота механічних коливань удвічі менша частоти електричного сигналу , то , а .

Відносна амплітудно?частотна характеристика для електричного сигналу резонатора визначена за наступною формулою

(7)

Підставивши у формулу (6) значення відповідного коефіцієнта опору (для резонатора, що працює при атмосферному тиску Ва=72.885, у вакуумі Bv = 2.4295), із застосуванням (5) за (7) визначені відносні АЧХ для резонатора що працює при атмосферному тиску та у вакуумі. У другому розділі дисертаційної роботи ці АЧХ наведені. Смуга пропускання на рівні 0.707 від максимального значення для резонатора, що працює при атмосферному тиску становить 15 Гц, для резонатора у вакуумі 0.5 Гц.

Фазовий зсув між збуджувальною силою та механічними коливаннями можна обчислити за формулою

, (8)

Частота електричного сигналу, що знімається з НК, дорівнює подвоєній частоті механічних коливань (рис. 2). Тому фазовий зсув між збуджувальною силою та електричним сигналом буде у два рази більшим від фазового зсуву між збуджувальною силою та механічними коливаннями. Враховуючи сталий фазовий зсув між механічними та електричними коливаннями, для фазового зсуву між збуджувальною силою та електричним сигналом е можна записати

. (9)

Підставивши відповідні значення коефіцієнтів опору Bv та Ba у (8) за (9) можна вирахувати ФЧХ для резонатора, розміщеного у повітрі та у вакуумі. Вони зображені на рис. 3.

У третьому розділі за допомогою створеної математичної моделі генератора перевіряються методи створення фазового зсуву у робочому діапазоні частот НСР. Під час резонансу в механічній коливній системі, між збуджуючою силою та коливаннями виникає фазовий зсув, який дорівнює -/2. Оскільки частота електричного сигналу у два рази більша, то для нього такий фазовий зсув становитиме -.

Показано (рис. 2), що між механічними коливаннями та електричним сигналом є часова затримка, що відповідає фазовому кутові електричного сигналу -/2. Отже, загальний фазовий зсув, що виникає на НСР, дорівнює -3/2. Для того, щоб у замкнутій системі виникли коливання, її сумарний фазовий повинен бути кратним 2. Фазовий зсув операційних підсилювачів при замкнутому зворотному зв'язку на частотах, що не перевищують 30 кГц, є близьким до 0. Тому загальний фазовий зсув АГ визначається в основному НСР. Він дорівнює -3/2. Для забезпечення фазової умови генерації у зворотному зв'язку АГ послідовно з НСР необхідно розмістити фазообертач для того, щоб обертати фазу на кут - /2. Якщо резонатор працює у режимі автоколивань, то частота імпульсів збудження повинна збігатися з частотою механічних коливань. Оскільки частота електричного сигналу вдвічі більша від частоти механічних коливань, то у зворотному зв'язку генератора необхідно розмістити подільник частоти на два. Це зумовлює функціональну схему генератора для НСР, зображену на рис. 4.

В основу роботи математичної моделі АГ з НСР був покладений критерій Найквіста. При моделюванні стаціонарного режиму модель генератора із замкнутим зворотним зв'язком буде описується рівнянням

. (10)

де Кз(f) добуток модулів коефіцієнтів підсилення основних елементів АГ з НСР включно; (f) загальний фазовий зсув основних елементів автогенератора разом з фазовим зсувом НСР.

Якщо то повинен бути дійсним і дорівнювати 1. Схема, в якій ця умова найкраще виконується, буде оптимальною.

Запропоновано та досліджено три варіанти електронних схем автогенератора. Основною відмінністю між ними є методи створення фазового зсуву та будова фазообертача. За допомогою математичної моделі вибрано оптимальну. Її функціональна схема показана на рис. 5.

Вона складається із двох джерел струму, двох каскадів підсилення, порогового елемента, фазообертача та вихідного ключового каскаду. Для забезпечення симетрії вхідного опору схеми відносно НК перший каскад підсилення диференційний. На його обох входах встановлено два джерела струму.

У фазообертачі цієї схеми використано фазочастотні співвідношення між механічними коливаннями НК та його електричним сигналом (див. рис. 2). Оскільки ці співвідношення зберігаються на будьякій резонансній частоті, то фазообертач, в якому вони використовуються, забезпечує необхідний фазовий зсув в широкому діапазоні частот.

У четвертому розділі описані методи зменшення впливу дестабілізувальних факторів на вихідну частоту АГ та проаналізовано його похибки.

Основною причиною температурної нестабільності НСР є те, що в режимі автоколивань НК має більшу температуру, ніж кремнієвий пружний елемент. Різниця температур виникає внаслідок теплової дії струму, що протікає через НК, та внутрішнього тертя в матеріалі при коливаннях. Для кремнію температурні коефіцієнти лінійного розширення (ТКЛР) при різних температурах мають різні значення. При коливаннях температури у навколишньому середовищі це змінює сили натягу кристала та його резонансну частоту.

Ідея температурної стабілізації полягає у підтриманні сталої сили натягу кристала при зміні температури.. При збільшенні температури струм, що протікає через кристал та нагріває його, зменшується, компенсуючи збільшення видовження кристала та зменшення сили натягу кристала. Завдяки цьому забезпечується сталість робочого напруження та покращується температурна стабілізація частоти АГ. Розроблено та випробувано електронну схему для такої стабілізації, результати випробування якої показали, що температурний дрейф частоти зменшується в 3,5-4 рази.

Запропоновано оптикоелектронний спосіб зчитування резонансної частоти НСР. Автогенератор із таким зчитуванням, крім електронної схеми, містить оптично зв'язані світлодіод, світловод, модулятор світла, фотоприймач та фотопідсилювач. Як модулятор світла в розрив світловода встановлено НК резонатора.

Стандартний діаметр серцевини багатомодового світловода становить 50 мкм, тоді як діаметр НК дорівнює 40 мкм. Якщо для передачі світла від світлодіода до фотодіода застосувати світловод зі ступінчастим показником заломлення, то частина потоку випромінювання буде потрапляти на фотодіод, минаючи НК, що зменшуватиме динамічний діапазон модуляції.

Для того, щоб уникнути цього, застосовано світловод із градієнтним показником заломлення. Такий світловод суміщує дві функції. Перша це передача енергії випромінювання, друга функція збиральної лінзи. Якщо підібрати довжину градієнтного світловода так, щоб промені, які виходять із нього, сходилися посередині розриву (рис. 6), то можна досягнути максимального динамічного діапазону модуляції.

Для визначення такої довжини світловода виведено формулу

, (11)

де Х просторовий період, з яким промінь повторює свій шлях у світловоді (рис. 7); к кількість періодів; х відстань на осі світловода ; кут між нормаллю до поверхні світловода та напрямком променя на відстані r від осі; а радіус серцевини світловода; n(a)коефіцієнт заломлення оболонки; n(r)коефіцієнт заломлення світловода на відстані r від осі; rвих відстань від осі світловода, на якій промінь під граничним кутом повинен виходити з серцевини світловода.

Також встановлено, що максимальна потужність вхідного сигналу при оптикоелектронному методі зчитування становить 2,36.10-4 Вт, а при тензорезистивному методі вона дорівнює 2,4.10-8 Вт. Тобто сигнал, що виникає при оптикоелектронному методі зчитування, потужніший на 40 дБ.

Оптикоелектронний метод зчитування має ще декілька переваг:

Нема необхідності в підведенні струму до НК, а тому немає потреби у стабільних джерелах струму та диференційному підсилювачі на вході.

Оскільки НК використовується як модулятор світла, то його тензорезистивні властивості не мають значення. Це дозволяє використовувати у резонаторах НК із будь?яким коефіцієнтом тензочутливості.

На світловод не діють електромагнітні завади, тому рівень шумів на вході фотопідсилювача буде значно меншим, відповідно зменшуватимуться зв'язані із шумами флуктуації частоти.

Через НК не протікає струм, тому різниця температур між НК та пружним елементом буде меншою, і відповідно меншим буде температурний дрейф частоти НСР.

При аналізі систематичних похибок пошук оптимальних значень напруги збудження Uзб та струму кристала Iкр проводився для зменшення впливу температури. Для цього від математичних моделей вихідної частоти АГ до впливу дестабілізувальних факторів (табл. 1) знайдені частинні похідні за струмом та напругою.

Абсолютну похибку частоти, спричинену вказаними факторами, можна визначити за формулою

. (12)

З виразу (12) видно, що при постійному значенні Uзб та Iкр абсолютна похибка F буде меншою там, де менші частинні похідні. Ці похідні обчислені в крайніх та середній точках факторного поля. Встановлено, що їх значення можуть істотно відрізнятись. Мінімальні та максимальні значення похідних у межах зазначеного поля, а також абсолютні та відносні похибки, які може внести схема генератора при різних умовах роботи, вказані у таблиці 2. Для обмеження впливу довкілля на резонатор його герметизовано і поміщено у термостат. Коливання температури у термостаті 0,2 оС.

Таблиця 2 Вплив електронної схеми на похибки автогенератора

Умови роботи	Граничні знач.	Значення факторів	Чутливості	Зміна факторів	Похибки
		T	P	Uзб	Iкр			Uзб	Iкр	Абсолютна	Відн.
		оС	ГкПа	В	мА			В	мА	UГц	IГц	Гц	%
Атм тиск.	Мін.	17	970	79	0,5	50.1	-159.5	0,021	0,0013	1.05	0.21	1.26	0.01
	Макс.	57	970	79	1,5	80.2	-245.7			1.68	0.32	2	0.02
Вакуум.	Мін.	17		17	0,2	5	-16.25	0,008	0.001	0.04	0.016	0.06	0.0005
	Макс.	57		15	1	12	-32			0.1	0.032	0.13	0.001

Це викликає коливання тиску на 0,62 гПа, які є причиною випадкових похибок вихідної частоти автогенератора. Для їх визначення скористаємося математичними моделями з табл. 1. Приріст функції F знайдемо як різницю між крайніми та середніми значеннями частоти при вказаних умовах роботи резонатора та відхиленнях температури й тиску. Результати розрахунків наведені у табл. 3.

Ще однією причиною нестабільності частоти АГ є шуми, напругу яких можна вважати стаціонарним ергодичним випадковим процесом. Для обчислення випадкових похибок, спричинених шумами, мілівольтметром В3-48А виміряна їх середньоквадратична напруга на вході порогового елемента (рис. 4). Вона має значення =0,1 В. Вимірювання аналізатором спектра СК4-56 показали, що інтенсивність спектральних складових шуму визначається амплітудно-частотною характеристикою обох підсилювачів автогенератора.

Коли детермінований корисний сигнал додається з "гладкими" шумами малої інтенсивності, вони викликають випадкове зміщення моменту спрацювання порогового елемента.

У цьому розділі математично обґрунтований вираз для середньоквадратичного відхилення часу спрацювання порогового елемента

, (13)

де середньоквадратична напруга шумів; похідна детермінованого корисного сигналу на рівні спрацювання порогового елемента.

Можна істотно зменшити середньоквадратичне відхилення результату вимірювання за рахунок часового усереднення n періодів тривалістю Т:

. (14)

Вплив шуму на похибку вимірювання частоти fш, як функції часу усереднення можна визначити через період

Таблиця 3 Вплив температури і тиску на частоту герметизованого та термостатованого резонатора.

Умови роботи резонатора	Крайні та середні значення	Похибки
Навк. серед.	Uзб, В	Iкр, мА	Р, гПа	Т, оС	F, Гц	Абс. Гц	Відн. %
Атм. тиск	79	0.5	1012.63 1013.25 1013.87	54.8 55 55.2	11712.02 11711.33 11710.6	0.7	0.006
Вакуум	17	0.2	-	54.8 55 55.2	11710.76 11710.6 11710.44	0.16	0.001

. (15)

В герметизованому об'ємі, з розміщеним резонатором, зміни температури й тиску викликані лише коливаннями температури у термостаті. Тому коефіцієнт взаємної кореляції набуває значення +1, і відносна похибка частоти (табл. 3), спричинена коливаннями температури, дорівнюватиме сумі складових:

, (16)

де - відносна похибка, викликана коливаннями тиску в герметизованому об'ємі; - відносна похибка, викликана коливаннями температури в герметизованому об'ємі.

Для резонатора, розміщеного у вакуумі, в похибці, спричиненій коливаннями температури в термостаті, буде відсутня складова викликана коливаннями тиску.

Загальна відносна похибка частоти дз, спричинена як коливаннями температури в термостаті, так і шумами автогенератора, визначатиметься

. (17)

Графіки загальної випадкової похибки частоти, обчислені як функції часу усереднення, зображені на рис. 8.

У п'ятому розділі описані схемні та конструктивні рішення, спрямовані на зменшення впливу дестабілізувальних факторів. Послаблення електромагнітних завад на вході першого підсилювача, може істотно підвищити стабільність АГ. Описано переваги та недоліки трьох варіантів схем, що призначені для встановлення на вході першого підсилювача, та вибрано найкращу з них. У ній симетричність опору для обох входів ДП дозволяє досягнути придушення синфазних завад на 116 дБ.

Для запропонованого оптикоелектронного методу зчитування коливань НК описано функціональну схему АГ разом з оптичною системою. Також наведено схему фотопідсилювача.

Для обмеження дестабілізувального впливу атмосферного тиску на резонатор доцільно його герметизувати та помістити у термостат. Макет термостата розроблений та виготовлений для досліджень. У розділі наведені його технічні характеристики та вироблені рекомендації для зменшення енергії споживання.

Як показує досвід передових фірм-розробників засобів вимірювання, при високих точностях взаємозамінність слід забезпечувати у вторинному блоці обробки сигналу. Тому в первинних перетворювачах на основі НСР пропонується кожен сенсор комплектувати електронним блоком з елементом пам'яті, в якому буде записана функція перетворення та умови, при яких вона реєструвалася.

Частотні перетворювачі на основі ниткоподібних кристалів кремнію можуть використовуватись при вимірюваннях таких фізичних величин, як ефективне значення струму та напруги, температури, тиску, деформації, сили, прискорення.

У п'ятому розділі описана будова сенсорів для вимірювання цих фізичних величин.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Проведено порівняльний аналіз частотних сенсорів із механічними коливними системами. Показано, що частотний сенсор, в якому для струни використовується НК кремнію, більш чутливий від п'єзорезонансного сенсора і вартість його виготовлення є меншою.

Показано, що принцип роботи сенсорів на основі НСР для вимірювання температури, сили, прискорення, струму та напруги однаковий, що дозволяє застосувати для побудови таких вимірювачів ідентичну електронну схему.

Експериментально визначені оптимальні геометричні розміри резонатора для сенсорів указаних фізичних величин, при яких вплив дестабілізувальних факторів є мінімальним. Запропоновано ці розміри уніфікувати.

Означено межі факторного поля й за допомогою методів факторного експерименту створено математичні моделі дестабілізувального впливу на резонансну частоту НСР таких факторів, як температура, тиск, напруга збудження та струм кристала. Наявність цих моделей дає можливість прогнозувати поведінку сенсорів на основі НСР під час дії вказаних факторів.

Запропоновано та реалізовано новий спосіб створення фазового зсуву, який залишається сталим незалежно від значення резонансної частоти. Це дало змогу створити схему автогенератора, що може працювати в широкому діапазоні частот, забезпечуючи оптимальні умови збудження коливань.

Створено математичну модель для АГ із фазообертачем, за допомогою якої вибрано схему, що найкраще задовольняє умови збудження коливань в автогенераторі при зміні резонансної частоти в широкому діапазоні.

Запропоновано метод оптикоелектронного зчитування резонансної частоти, завдяки якому рівень вхідного сигналу підвищується на 40 дБ, що покращує завадостійкість АГ та його метрологічні характеристики, а саме зменшується дестабілізувальний вплив температури на вихідну частоту автогенератора. Крім того, розширюється кількість кристалів, які можна застосувати для виготовлення сенсорів.

Математично обгрунтовано вибір довжини світловода, при якій можна досягнути максимального динамічного діапазону модуляції.

Запропоновано новий спосіб температурної стабілізації частоти за допомогою струму НК кремнію, який разом із використанням термостата може істотно зменшити дестабілізувальний вплив температури на вихідну частоту АГ.

Аналіз випадкових похибок, спричинених коливаннями температури у термостаті та шумами АГ, показує, що при часовому усередненні різке зменшення похибки вимірювання вихідної частоти відбувається за час, який дорівнює 100 періодам корисного сигналу або 8 мс. Тому не рекомендується, щоб час усереднення був меншим від вказаного.

Розроблено практичні схеми основних вузлів автогенератора для НСР.

ОСНОВНІ РОБОТИ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Байцар Р. І., Красножонов Є. П., Рак В. С., Нечипорук І. Є. Аналіз роботи електронної схеми напівпровідникового струнного термоперетворювача // Вімірювальна техніка та метрологія. - 1995. № 51. - С. 40-43.

2. Байцар Р. І., Рак В. С., Чорнокоз Є. М., Гужва А. Ю. Стабілізація температурної похибки напівпровідникового вібраційно-частотного перетворювача// Вісник ДУ "ЛП". Теорія і проектування напівпровідникових радіоелектронних пристроїв.- 1997. - № 297. - С. 85-88.

3. Байцар Р. І., Рак В. С., Гінгін М. П. Автогенераторні схеми напівпровідникових резонансних сенсорів// Вісник ДУ "Львівська політехніка".- 2000. - С. 166-171.

4. Красножонов Е. П., Байцар Р. И., Рак В. С. Полупроводниковые струнные датчики гидрофизических параметров //Материалы конференции с международным участием "Приборостроение 93 и новые информационные технологии". Винница-Николаев. - 1993. - С. 24-25.

5. Рак В. С., Засименко В. М., Байцар Р. І. Математичні моделі систематичних похибок частоти генератора для напівпровідникового резонансного сенсора // Методи та прилади контролю якості. 2002. № 8.-C. 73-76.

6. Байцар Р. И., Рак В. С. Особенности построения полупроводниковых вибрационно-частотных сенсоров // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -Одесса: - 1998.№ 1.- С.1-3.

7. Пат. України 32918 А. Струнний автогенератор/ Р. І. Байцар, В. Б. Дудикевич, В. С. Рак, М. П. Гінгін.

8. Пат. України 43976 А. Оптоелектронний пристрій для вимірювання тиску/ П. Г. Столярчук, Р. І. Байцар, В. С. Рак, М. П. Гінгін.

9. Красножонов Е.П., Байцар Р.И., Рак В.С. О влиянии геометрических и технологических параметров на качество чувствительных элементов струнных датчиков// Труды Международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения"(АПЭП-94).-Новосибирск: НГТУ, 1994.-С119-121.

10. Baitsar R., Ostrovskii I, Rak V. Semiconductor string tensoconvertors based on whisker microcrystals//Proceeding of international conferenc "Challenges to civil and mecha-nical engineering in 2000 and beyond CCME'97"-Wroclaw.-Poland.-1997.- P. 43-48.

11. Красножонов Е. П., Байцар Р. И., Рак В. С., Мустафин А. Г. Автогенератор с полупроводниковым частотозадающим элементом// Материалы межгосударственной конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления".-Пенза: ПДНТП.-1994.- С. 64.

12. Байцар Р. І., Островський І. П., Рак В. С., Полиняк І. В. Вимирювальні генератори для напівпровідникових віброчастотних тензоперетворювачів // Матеріали конференції з міжнародною участю "Приладобудування 95".-Винниця-Львів. - 1995.-С. 85.

Размещено на Allbest.ru

...