СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ИНДУКТИВНЫХ ИЛИ ЕМКОСТНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD OF CONVERTING SIGNALS FROM DIFFERENTIAL INDUCTIVE OR CAPACITIVE SENSITIVE ELEMENTS

Предложенный способ преобразования сигналов может применяться для уменьшения температурной погрешности датчиков физических величин: микроперемещений, давлений, ускорений, сил, моментов. Изобретение относится к измерительной технике.
В связи с широким внедрением в приборостроение технологий МЭМС и LTCC, на рынке появилось множество микро- и наночувствительных элементов, основанных на преобразовании микроперемещений или микродеформаций в изменение индуктивности или емкости или активного сопротивления. Так, например, НИИФИ г.Пенза освоил на базе МЭМС технологий датчики давления, ускорения, температуры, сейсмоскорости, вибраций. Эти датчики описаны в журнале «Датчики и системы» №9, 2012 г. Преобразование емкости или индуктивности в аналоговое напряжение в этих датчиках основано на известных схемах с фазочувствительным выпрямителем. Ограничение применению этих датчиков накладывают температурные их погрешности. С целью исключения этих погрешностей в НИИФИ применяют нормирующие измерительные преобразователи для датчиков физических величин с применением микроконтроллеров. При этом температурные зависимости выходных сигналов первичных преобразователей закладываются в память микроконтроллера. Смотри, например, статью «Применение микроконтроллеров в современных бортовых измерительных системах» и «Нормирующие измерительные преобразователи для датчиков физических величин» в журнале «Датчики и системы» №9, 2012 г., стр.51-52 и стр.59. Технология настройки преобразователей по такому способу является трудоемкой.
Наиболее близким способом преобразования сигналов с дифференциальных индуктивных чувствительных элементов является способ, изложенный в статье «Малогабаритные вихретоковые датчики для бесконтактного измерения перемещений, вибраций, осевых и радиальных биений валов энергетических установок» (смотри указанный выше журнал на стр.12, 13).
Согласно этому известному способу температурную погрешность чувствительного индуктивного элемента корректируют путем измерения сопротивлений обмоток постоянному току. Это осуществляется программно-микропрорцессорной обработкой двух полученных сигналов о температуре каждой из обмоток и третьего сигнала об их разности. При этом способе на результат измерений влияют длины кабелей. С целью их исключения приходится усложнять алгоритмы обработки сигналов с обмоток чувствительного элемента.
Целью изобретения является снижение трудозатрат для настройки термокоррекции чувствительных дифференциальных индуктивных или емкостных элементов и расширение температурного диапазона, в котором корректируются эти погрешности.
∑
Указанная цель достигается преобразованием изменения индуктивности или емкости, вызванного измеряемым параметром и температурой, в потенциалы выходной диагонали повышающего LDC моста, вычислением разности этих потенциалов с помощью инструментального дифференциального усилителя, вычислением суммы этих потенциалов с помощью аналогового сумматора с разделенными высокоомными входами и вычислением разности сигналов с выхода инструментального усилителя и сумматора. Причем коэффициент преобразования сумматора при этом обеспечивается равным K:
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
y
где K- коэффициент инструментального усилителя, а
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
,
- температурные коэффициенты потенциалов выходной диагонали.
При этом способе используется только один дифференциальный выход с диагонали LDC-моста и не требуется измерение температуры обмоток.
Предложенный способ реализуется с помощью повышающего LDC-моста. При этом коммутирующие транзисторы моста управляются импульсами со скважностью γ=0,5.
1
2
Изменение потенциалов Δφ и Δφ в выходной диагонали моста при этом зависят от измеряемого параметра и температуры так, что:
- от измеряемого параметра эти изменения имеют разные знаки;
1
2
- от температуры Δφ и Δφ имеют одинаковые знаки.
Это обстоятельство и используется в данном способе. Математически данный способ можно описать ниже следующими уравнениями:
<mrow><mrow><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>}</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где А - измеряемый параметр,
1
2
K, K - градуируемые коэффициенты передач первичного элемента,
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
,
- температурные коэффициенты потенциалов.
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mrow><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>u</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>φ</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>u</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>φ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>⇒</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>φ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>A</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mtd></mtr></mtable>
1
2
∑
Обозначим: Δφ+Δφ=u.
∑
1
2
Поскольку дифференциальные датчики выполняются таким образом, что u на 3 порядка более, чем (K-K)·А, то можно записать:
<mrow><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
1
2
Выше приведенное условие выполняется, если K стремится к K, что достигается выполнением индуктивных обмоток или обкладок конденсаторов одинаковыми и одинаковыми параметрами диодов и транзисторных ключей LDC-моста. При этом можно записать:
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>u</mi><mi>y</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>A</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>u</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>u</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>u</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow>
∑
Если
, то выходной сигнал не будет зависеть от температуры, которая и является функцией от u.
Отличительными признаками предложенного способа в сравнении со способом-прототипом являются:
1. Преобразование с помощью повышающего LDC-моста изменение индуктивностей или емкостей в изменение потенциалов выходной диагонали моста.
2. Суммирование этих потенциалов с помощью сумматора с двумя раздельными высокоомными входами.
3. Вычитание выходных сигналов инструментального усилителя и сумматора с определенным коэффициентом передачи.
Общими признаками изобретения и прототипа является преобразование изменения индуктивности или емкости в дифференциальный аналоговый сигнал. Однако если в прототипе это выполнялось фазочувствительным выпрямителем, то здесь с помощью мостовой схемы, которая и позволила получить изменение потенциалов от температуры и изменяемого параметра согласно уравнению 1.
Благодаря отличительным признакам, удается без применения датчиков температур и микропроцессоров, а только с применением аналоговых вычислителей, устранить полностью температурную погрешность рассмотренных чувствительных элементов.
Работу устройств по этому способу можно описать на примере индуктивного дифференциального датчика. На рис.1 приведена его схема.
На рис.1 обозначены:
1 - LDC-мост повышающий.
2 - инструментальный дифференциальный усилитель.
3 - сумматор с раздельными высокоомными входами.
4 - вычитатель.
5 - операционные усилители в режиме «повторителя».
6 - суммирующий операционный усилитель.
7 - генератор, коммутирующий транзисторы повышающего моста.
1
2
LDC-мост запитан постоянным напряжением. Транзисторы моста коммутируются в противофазе. В индуктивных катушках датчика наводится ЭДС индукции, которая суммируется с напряжением источника питания и заряжает постоянные конденсаторы моста. Конденсаторы разряжаются на делителях резисторных. Изменение индуктивности при постоянной емкости или изменение емкости при постоянной индуктивности приводит к изменению потенциалов Δφ и Δφ в соответствии с уравнением 1. Схема из элементов 2, 3, 4 и обеспечивает описанное выше преобразование.
1
2.
Техническая реализация данного способа, показанная на этом примере, требует гораздо меньше технических средств, чем прототип. При этом настройке подлежит только один параметр - коэффициент передачи сумматора. Реализация сумматора с раздельными входами также не представляется трудоемкой. Для этого используются три операционных усилителя, два из которых (усилители 5) реализуют «повторители» потенциалов, а в третьем (6) их сигналы суммируются. Как известно, входное сопротивление усилителей 5 в таком включении составляет сотни МОм, что исключает влияние сумматора на потенциалы Δφ и Δφ
Предложенный способ термокоррекции в упрощенном виде может быть применен также для термокоррекции дифференциальных пьезочувствительных элементов и мостовых тензорезисторных схем. В этом случае исключается преобразование с помощью повышающего LDC-моста.
Тем самым следует признать универсальность данного способа термокоррекции, а следовательно, и его техническую применимость. Последнее условие и является необходимым для признания данного способа соответствующим критерию «изобретательский уровень».