Квазираспределенный резистивный датчик и способ измерения распределенных параметров физических величин на его основе
QUASI-DISTRIBUTED RESISTIVE SENSOR AND METHOD FOR MEASURING DISTRIBUTED PARAMETERS OF PHYSICAL QUANTITIES BASED THEREON

Изобретение относится к области распределенных измерений физических величин, а именно к квазираспределенным резистивным датчикам и способам измерения параметров распределенных физических величин на основе таких датчиков.
Известны способы построения квазираспределенных резистивных датчиков (патент США №9651407 В2, МПК G01D 11/00, G01N 27/122, опубл. 16.05.2017; патент США №7926365 В2, МПК G01D 7/00, опубл. 19.04.2011; Во Zhou Resistive Pressure Force Sensor Matrix for Wearable and Ubiquitous Computing // Master Thesis, Technische  Kaiserslautern, 2013), в которых одиночные резистивные датчики объединяются в двухслойную матричную структуру. Отдельные чувствительные резистивные элементы расположены на пересеченьях проводников линий строк и линий столбцов. Структура квазираспределенного резистивного датчика является двухслойной. Соединительные контакты для строк и для столбцов находятся в разных слоях, чтобы исключить пересечение проводников строк и столбцов.
Недостатком данной структуры квазираспределенного резистивного датчика является необходимость изготовления двухслойной структуры для исключения пересечения проводников строк и столбцов, что усложняет процессы изготовления и установки таких датчиков. Сложный процесс изготовления?
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является квазираспределенный резистивный датчик (Е. Denisov et al., "Quasi-distributed resistive sensor for steady-state field measurements," 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Moscow, 2016, pp. 1-5.), реализованный из тонких чувствительных элементов, соединенных в сеточную структуру. Данный датчик может использоваться для систем, где для подключения измерительного оборудования доступны только внешние выводы квазираспределенного резистивного датчика. Сканирование в данном датчике происходит путем подачи электрического тока заданной величины на внешние выводы датчика и измерения величины напряжения на оставшихся выводах датчика. Расчет значений сопротивлений единичных чувствительных элементов в квазираспределенном резистивном датчике производится посредством решения систем уравнений с несколькими неизвестными, составленными на основе законов Ома и Кирхгофа.
Недостаток данного вида квазираспределенного резистивного датчика состоит в том, что с ростом количества чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика увеличивается сложность вычислений и погрешность определения величины сопротивления чувствительных элементов. Кроме того, погрешность определения величин сопротивлений чувствительных элементов зависит от расположения чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика. Чем дальше чувствительный элемент от измерительных терминалов, тем выше погрешность определения величины сопротивления чувствительного элемента.
Известные из данной области техники квазираспределенные резистивные датчики позволяют измерять распределенные физические величины (поля физических величин), например поле температуры (чувствительный элемент - терморезистор), поле механического напряжения (чувствительный элемент - тензорезистор), поле освещенности (чувствительный элемент - фоторезистор). Однако известные на данный момент структуры квазираспределенных резистивных датчиков обладают рядом недостатков. Например, квазираспределенные резистивные датчики, выполненные по многослойной матричной структуре, сложны в изготовлении и имеют ряд ограничений на применение данных датчиков, например, их нельзя использовать в задачах, требующих однослойной структуры. Квазираспределенный резистивный датчик, выполненный по сеточной структуре, является однослойным, однако в нем имеется другой недостаток, связанный с погрешностью измерения. С ростом количества чувствительных элементов (размеров квазираспределенного резистивного датчика) увеличивается величина погрешности определения величин сопротивления внутренних чувствительных элементов. Сложность расчетов и погрешность измерений такого датчика, связаны с тем фактом, что пути протекания для зондирующего и измерительного токов проходят через одни и те же элементы.
Предложенное изобретение устраняет указанные недостатки.
Техническим результатом изобретения является повышение точности, скорости измерения, обеспечение однослойного исполнения квазираспределенного датчика, уменьшение влияния количества чувствительных элементов датчика на погрешность измерения.
Технический результат достигается путем предоставления новой структуры квазираспределенного резистивного датчика и способа измерения величин сопротивлений чувствительных элементов входящих в данный квазираспределенный резистивный датчик.
Предлагаемый квазираспределенный резистивный датчик представляет из себя набор электрически соединенных одиночных резистивных датчиков, чувствительных к одной или нескольким физическим величинам. Одиночные резистивные датчики соединены в древовидную структуру с возможностью измерения величины сопротивления отдельного датчика по методу «вольтметра-амперметра» с обеспечением различных путей протекания токов зондирующего и измерительного сигналов. Древовидная структура предполагает электрический контакт трех и более чувствительных элементов в каждой внутренней точке соединения в квазираспределенном резистивном датчике.
Способ измерения распределенных физических величин на основе квазираспределенного резистивного датчика включает в себя несколько этапов:
этап 1: подключают источник электрического зондирующего сигнала к двум терминалам квазираспределенного резистивного датчика так, чтобы формируемый источником электрического зондирующего сигнала зондирующий ток протекал через измеряемый чувствительный резистивный элемент;
этап 2: подключают измеряемый чувствительный резистивный элемент к измерителю напряжения через другие два терминала квазираспределенного резистивного датчика так, чтобы ток измерительной цепи не протекал по элементам, через которые протекает зондирующий ток;
этап 3: оценивают величину зондирующего тока;
этап 4: измеряют величину напряжения на измеряемом чувствительном резистивном элементе посредством измерителя напряжения;
этап 5: определяют величину сопротивления измеряемого чувствительного резистивного элемента путем деления показаний измерителя напряжения на величину зондирующего тока;
этап 6: пересчитывают величину сопротивления измеряемого чувствительного резистивного элемента в физическую величину;
этап 7: повторяют этапы 1-6 для измерения величины сопротивления других чувствительных резистивных элементов квазираспределенного резистивного датчика и пересчета их в физическую величину.
Предложенный способ позволяет провести измерение величины сопротивления резистивных чувствительных элементов за п коммутации источника электрического зондирующего сигнала и измерителя напряжения, где n - количество резистивных чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика.
При измерении сопротивления отдельно взятого резистивного чувствительного элемента квазираспределенного резистивного датчика измерительные и зондирующие токи будут протекать через другие резистивные элементы. Однако при использовании источника тока и измерителя напряжения с высокими импедансами позволяет пренебречь влиянием протекания тока через другие элементы, поскольку в датчике обеспечивается непересекающиеся, кроме самого измеряемого резистивного чувствительного элемента, пути протекания токов зондирующего и измерительного сигналов. В этом случае погрешность измерения величины сопротивления отдельно взятого элемента будет в основном определяться погрешностью измерительной аппаратуры.
В качестве чувствительных элементов могут быть использованы одиночные резистивные элементы, чувствительные к одной физической величине или разнородным физическим величинам.
Квазираспределенный резистивный датчик может быть изготовлен однослойным, за счет древовидной структуры и выполняться с возможностью плотного контакта с поверхностью объекта измерения. Квазираспределенный резистивный датчик может быть изготовлен из проволочных, пленочных или объемных чувствительных резистивных элементов. Квазираспределенный резистивный датчик может быть изготовлен на диэлектрической подложке, например, из стеклотекстолита, фторопласта, керамики и других материалов; проводящей подложке с диэлектрическим покрытием, например алюминиевая плата с оксидным покрытием; а также без подложки. Квазираспределенный резистивный датчик может быть выполнен по пленочной технологии. Квазираспределенный резистивный датчик может быть выполнен с возможностью изгиба и принятия конкретной формы объекта измерений. Возможны другие формы реализации данного изобретения.
Заявляемый способ поясняется на фигурах.
На фиг. 1 представлена иллюстративная схема квазираспределенного резистивного датчика с пятнадцатью резистивными чувствительными элементами.
На фиг. 2 представлена иллюстративная схема квазираспределенного резистивного датчика с пятнадцатью резистивными чувствительными элементами с указанием путей протекания зондирующего и измерительного токов при определении величины сопротивления резистивного чувствительного элемента R2.
На фиг. 3 представлена иллюстративная схема проведения измерений величин сопротивлений чувствительных элементов в квазираспределенном резистивном датчике состоящем из пятнадцати резистивных чувствительных элементов с использованием источника электрического напряжения.
На фиг. 4 представлена иллюстративная схема проведения измерений величин сопротивлений чувствительных элементов в квазираспределенном резистивном датчике состоящем из пятнадцати резистивных чувствительных элементов с использованием источника электрического напряжения и дифференциального усилителя для измерения величины протекающего тока через исследуемый чувствительный элемент.
На фиг. 5 представлена иллюстративная схема проведения измерений величин сопротивлений чувствительных элементов в квазираспределенном резистивном датчике состоящем из пятнадцати резистивных чувствительных элементов с использованием источника электрического тока.
Сущность изобретения
Квазираспределенный резистивный датчик, построенный по древовидной структуре, состоит из электрически соединенных в древовидную структуру резистивных чувствительных элементов. Иллюстративный вариант реализации квазираспределенного резистивного датчика показан на фиг. 1. За счет применения древовидной структуры обеспечивается возможность измерения величин сопротивлений отдельных резистивных чувствительных элементов по методу «вольтметра-амперметра» с обеспечением различных путей протекания тока для зондирующего и измерительного сигналов. Принцип разделения путей протекания для зондирующего и измерительного токов схож с принципом, положенным в основу четырехпроводной схемы измерения сопротивлений.
Одиночные резистивные чувствительные элементы в одной внутренней точке квазираспределенного резистивного датчика соединяются по три или более штук. Минимальное количество резистивных чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика равно трем. При меньшем количестве не получится реализовать разделение путей протекания для зондирующего и измерительного токов. Максимальное количество резистивных чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика не ограничено.
Резистивные чувствительные элементы в структуре квазираспределенного резистивного датчика могут быть чувствительны к одному или нескольким физическим величинам, таким как температура, механическая напряженность, механическое давление, освещенность, магнитное поле и другие.
Использование древовидной структуры позволяет устранить пересечения проводников, характерные для матричных структур. Поэтому представленный квазираспределенный резистивный датчик может быть выполнен однослойным. Квазираспределенный резистивный датчик может быть изготовлен из проволочных, пленочных или объемных чувствительных резистивных элементов. Квазираспределенный резистивный датчик может быть изготовлен на диэлектрической подложке, например, из стеклотекстолита, фторопласта, керамики и других материалов; проводящей подложке с диэлектрическим покрытием, например алюминиевая плата с оксидным покрытием; а также без подложки. Квазираспределенный резистивный датчик может быть выполнен по пленочной технологии. Квазираспределенный резистивный датчик может быть выполнен с возможностью изгиба и принятия конкретной формы объекта измерений.
На фиг. 2 представлено распределение зондирующего и измеряемого токов при определении величины сопротивления резистивного чувствительного элемента R2. Источник электрического тока подключен к выводам T1 - Т2 и зондирующий ток протекает от вывода Т1 к выводу Т2.
Измеритель напряжения, в качестве которого может выступать аналого-цифровой преобразователь, подключается таким образом, чтобы обеспечить возможность измерения падения напряжения на нужном резистивном чувствительном элементе. В данном случае измеритель напряжения подключается к выводам Т5 (или Т4) и Т9 (или Т6, Т7, Т8). За счет того, что современные измерители напряжения обеспечивают большое входное сопротивление, ток, протекающий по измерительной цепи, будет намного меньше зондирующего тока. Поэтому влияние измерительной цепи на измерение падения напряжения на резистивном чувствительном элементе будет незначительным.
Иллюстративный вариант реализации системы измерения величин сопротивлений чувствительных резистивных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика может включать в себя источник электрического зондирующего сигнала (в качестве которого может выступать источник электрического тока или источник электрического напряжения), аналоговые коммутаторы, аналого-цифровые преобразователи и устройства обработки данных.
Измерение распределенных физических величин на основе квазираспределенного резистивного датчика можно разбить на следующие этапы:
1. Подключают источник электрического зондирующего сигнала (в качестве которого может выступать источник электрического тока или источник электрического напряжения) к двум терминалам (внешним выводам) квазираспределенного резистивного датчика так, чтобы зондирующий ток протекал через исследуемый чувствительный резистивный элемент.
2. Подключают измеряемый чувствительный резистивный элемент к измерителю напряжения через другие два терминала квазираспределенного резистивного датчика так, чтобы ток измерительной цепи не протекал по элементам, через которые протекает зондирующий ток.
3. Оценивают величину зондирующего тока. В случае применения источника электрического тока (фиг. 5) величина зондирующего тока равна номинальному значению тока источника, а в случае применения источника электрического напряжения (фиг. 3, фиг. 4) величину зондирующего тока определяют путем измерения падения напряжения на эталонном сопротивлении (Rшунт), включенном последовательно в цепь зондирующего тока, и делением значения падения напряжения на величину эталонного сопротивления. Для измерения падения напряжения на эталонном сопротивлении (Rшунт) можно использовать два канала аналого-цифрового преобразователя путем вычитания показаний каналов аналого-цифровых преобразователей (фиг. 3) или использовать дифференциальный усилитель и один канал аналого-цифрового преобразователя (фиг. 4).
4. Измеряют величину падения напряжения на измеряемом чувствительном резистивном элементе посредством измерителя напряжения.
5. Определяют величину сопротивления измеряемого чувствительного резистивного элемента путем деления показаний измерителя напряжения на величину зондирующего тока.
6. Пересчитывают величину сопротивления измеряемого чувствительного резистивного элемента в физическую величину. Для пересчета используют известные зависимости изменения сопротивления чувствительного элемента от изменения исследуемой физической величины.
7. Повторяют этапы 1-6 для измерения величины сопротивления других чувствительных резистивных элементов квазираспределенного резистивного датчика и пересчета их в измеряемую физическую величину.
Предложенный способ позволяет провести измерение величины сопротивления резистивных чувствительных элементов за п коммутации источника электрического зондирующего сигнала и измерителя напряжения, где n - количество резистивных чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика.
За последовательность выполнения этапов и за обработку данных с аналого-цифровых преобразователей отвечает устройство обработки данных, в качестве которого могут использоваться микроконтроллер, программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), персональный компьютер.
Процесс определения величин сопротивлений нескольких чувствительных элементов входящих в состав квазираспределенного резистивного элемента рассмотрим на следующем примере.
Например, квазираспределенный резистивный датчик, состоящий из 15 чувствительных резистивных элементов R1-R15 (фиг. 1.), сопротивление которых изменяется в зависимости от распределения измеряемой физической величины. В качестве таких резистивных элементов могут выступать: терморезисторы, тензорезисторы, фоторезисторы и т.д. Внешний доступ к датчику обеспечивается только с помощью терминалов Т1-Т9.
Определения значений сопротивлений R1, R2, R4, R8 в квазираспределенном резистивном датчике, при использовании источника электрического напряжения (фиг. 3, фиг. 4), состоит в следующем:
К терминалу Т1, через эталонное сопротивление (резистор Rшунт), подключаем источник электрического напряжения. Терминал Т2 подключаем к линии GND с помощью аналогового коммутатора №1. Посредством аналогового коммутатора №2 последовательно подключаем все терминалы Т2-Т9 (фиг. 3) ко входу аналого-цифрового преобразователя №3 (ADC3) и производим измерение напряжения на каждом из терминалов Т2-Т9. Также совместно производим измерение падения напряжения на эталонном сопротивлении (резистор Rшунт) с помощью аналого-цифровых преобразователей №1, №2 (ADC1, ADC2):
При использовании дифференциального усилителя (фиг. 4) падение напряжения на эталонном сопротивлении равно:
Вычисляем величину зондирующего тока в схеме:
Определяем величину напряжения на терминале Т1 (фиг. 3) с помощью ADC2, для того чтобы исключить влияние эталонного сопротивления при расчетах величины сопротивления R1.
Потенциал в точке соединения резисторов R1 и R2 можно определить следующим образом:
T6
T7
T8
T9
где U, U, U, U - величина напряжения, измеренная на терминалах Т6, Т7, Т8, Т9 соответственно.
Величину сопротивления R1 можно определить следующим образом:
T1
где U - величина напряжения, измеренная на терминале Т1.
Потенциал в точке соединения резисторов R2 и R4 можно определить следующим образом:
T4
T5
где U, U - величина напряжения, измеренная на терминалах Т4, Т5 соответственно.
Величину сопротивления R2 можно определить следующим образом:
Потенциал в точке соединения резисторов R4 и R8 равен значению напряжения на терминале Т3, а величину сопротивления R4 можно определить следующим образом:
T3
где U - величина напряжения, измеренная на терминале Т3.
Величину сопротивления R8 можно определить:
T2
где U - величина напряжения, измеренная на терминале Т2.
За счет определения величины напряжения на терминале Т2, исключается влияние внутреннего сопротивление канала аналогового коммутатора №1 при определении величины сопротивления R8.
После определения значений сопротивлений чувствительных элементов, производится пересчет значений сопротивлений в значения измеряемой физической величины. Для пересчета используются зависимости изменения сопротивления чувствительного элемента от изменения измеряемой физической величины. Данные зависимости приводятся в документации на соответствующие чувствительные элементы. Например, такие зависимости могут быть выражены в виде полиномов, логарифмических или экспоненциальных зависимостей.
Приведен только иллюстративный вариант реализации системы измерения, возможны другие варианты реализаци. Например, могут использоваться различные датчики тока, различные источники зондирующего сигнала в форме тока или напряжения, различные системы коммутации выводов к цепям формирования зондирующего сигнала и измерения.