Способ коррекции начального смещения выходного сигнала в датчиках давления тензорезистивного типа

проведения измерений [13]. Для проведения процедуры калибровки задействуется вторая часть измерителя (МИЛ).

Предлагаемый измеритель обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным методом МР. Так применение БПЧ вместо детекторов мощности позволяет, с одной стороны, получить линейную систему уравнений относительно неизвестных и, как следствие, избежать потерь в точности, обусловленных неоптимальной обработкой данных, а с другой - максимально поднять мощность генератора зондирующего сигнала, что приведет к увеличению отношения сигнал/шум измерительных каналов. Сам БПЧ основан на схеме прямого преобразования и содержит только смесители и полосовые фильтры. Причем измерительные каналы, состоящие из датчика, смесителя и полосового фильтра, не должны иметь идентичные характеристики. Увеличенное число измерительных каналов позволяет реализовать оптимальные алгоритмы обработки информации

для проведения процедур измерения и калибровки [14].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оптические и радиоволновые методы среди других бесконтактных методов измерения, таких как емкостные, индуктивные, ультразвуковые и т.п., обладают более высокой точностью, объективностью и производительностью. При этом набольшую точность обеспечивают именно оптические измерители. Тем не менее, приведенные радиоволновые методы измерения существенно дешевле, не содержат сложных аналоговых схем обработки сигналов и не требуют прямой видимости объекта. Кроме того, радиоволновые измерители на основе КМР в совокупности с оптимальными алгоритмами обработки информации позволяют обеспечить субмиллиметровую точность измерений и точную калибровку устройства по набору неизвестных нагрузок, который имитирует сам исследуемый объект. При этом процедура калибровки может производится во время проведения измерений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фрайден Д. Современные датчики. Справочник. - Москва: Техносфера, 2005. - 592 с.

2. Эш Ж. и др. Датчики измерительных систем: В 2-ч книгах. Кн. 1. - Пер. с франц. - М.: Мир, 1992. - 480 с.

3. Iwaki, N. Six-port Based Wave Correlator with Application to Micro-displacement Measurement / N. Iwaki, F. Xiao, T. Yakabe // Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Taipei, March 25-28, pp.972-975, 2013.

4. Гордеев Б.А., Новожилов М.В., Образцов Д.И. // Метрология. 1990. № 6. С. 33-36.

5. Застрогин Ю.Ф. Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазеров. - М.: Машиностроение. 1986.- 326 с.

6. Xiao F. Application of a Six-Port Wave-Correlator for a Very Low Velocity Measurement Using the Dopler Effect / F. Xiao, F.M. Ghannouchi, T. Yakabe // IEEE Trans. On Instr. Meas. 2003. Vol. 52. №2. P. 297-301.

7. Yakabe, T. Six-Port Based Wave-Correlator with Application to Beam Direction Finding / T. Yakabe ; F. Xiao ; K. Iwamoto; et.al. // IEEE Trans. Instrum. Meas., 2001. Apr. No. 2, Vol. 50, P. 377-380.

8. Stelzer, A. A Microwave Position Sensor with Submillimeter Accuracy / A. Stelzer, C.G. Diskus, K. Lubke, H.W. Thim // IEEE Trans. Microwave Theor. & Tech., 1999. Dec. Vol. MTT-12 (47), P. 26212624.

9. Львов, А.А. Бесконтактный измеритель расстояния до плоской поверхности на основе комбинированного многополюсного рефлектометра / А.А. Львов, П.А. Львов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза: ПГУ, 2016, Т. 1. - С. 69-74.

10. Николаенко, А.Ю. Анализ современных автоматических методов измерения на СВЧ / А.Ю. Никола-енко, А.А. Львов, П.А. Львов, Н.И. Мельникова // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза : ПГУ, 2017, Т. 2, - С. 132-136.

11. Engen, G.F. Application of an Arbitrary Six-Port Junction to Power Measurement Problems / G.F. Engen, C.A. Hoer. // IEEE Trans, on Instrum. and Meas. - Vol. 21. pp. 470-474, May, 1972.

12. L'vov A.A. A Novel Vector Network Analyzer Using Combined Multi-port Reflectometer / A.A. L'vov, A.Y. Nikolaenko, P.A. L'vov // In Proceedings of the 14th Conference on Microwave Techniques COMITE 2015, Pardubice, Czech Republic, pp. 183-186.

13. Николаенко, А.Ю. Калибровка комбинированного многополюсного рефлектометра в системах радиочастотной идентификации/ А.Ю. Николаенко, А.А. Львов, П.А. Львов // Антенны. - 2017.- № 8. - С. 17-22.

14. Николаенко, А.Ю. Применение РФИД ридеров на базе автоматических анализаторов цепей в системе сортировки и укладки для сборочных линий / А.Ю. Николаенко, А.А. Львов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза : ПГУ, 2016, Т. 1, - С. 239-242.

УДК 621.317.3

Майоров А.В., Мосеев А.П., Бростилов С.А.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия СПОСОБ КОРРЕКЦИИ НАЧАЛЬНОГО СМЕЩЕНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА В ДАТЧИКАХ ДАВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНОГО ТИПА

Проведен анализ составляющих компонент датчиков давлению на основе тензорезистивного моста, имеющих встроенный вторичный преобразователь на основе микроконтроллера на предмет вносимой погрешности отдельными компонентами. Предложен способ коррекции смещения выходного сигнала.

Ключевые слова:

ДАТЧИК, ПОГРЕШНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЙ МОСТ, ОБРАБОТКА МЕДЛЕННОМЕНЯЮЩИХСЯ СИГНАЛОВ

В настоящее время существует проблема построения высокоточных систем измерения давления, обладающих повышенной надежностью и имеющих низкое энергопотребление [1]. В подобных системах, как правило, в качестве первичных измерительных преобразователей используются мостовые измерительные преобразователи тензорезистивного типа, [2], [3].

Известно, что измерительные преобразователи мостового типа на основе тензорезисторов обладают начальным смещением выходного сигнала, ко-

торое может достигать величины 15мВ/В при чувствительности первичного преобразователя 2...4 мВ/В.

В настоящее время существует тенденция построения встроенного вторичного преобразователя датчиков на основе микроконтроллеров с использованием алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС), что значительно упрощает настройку всего датчика в целом и дает возможность быстрой перенастройки датчика путем занесения новых коэффициентов коррекции. При этом к ядру используемого микроконтроллера зачастую не предъявляется

особых требований по быстродействию и большинство задач ЦОС в случае обработки медленноменя-ющихся сигналов могут быть реализованы на восьмиразрядных микроконтроллерах, построенных на базе ядра AVR, MSC-51 или PIC16. Учитывая, что наибольший вклад, как в основную, так и в дополнительную температурную погрешность датчика в целом вносят аналоговые блоки датчика, а погрешность, вносимая при цифровой обработке при использовании переменных необходимой разрядности ничтожна, наибольшие требования предъявляются к характеристикам используемого аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

С этой точки зрения при построении датчиков, имеющих величину основной погрешности 0,5% и менее, становится актуальным использование 2й АЦП. Это обусловлено в первую очередь более высокой

_Сравнительные техниче

разрешающей способностью приборов подобного рода (14 разрядов и более), нежели АЦП последовательного приближения и АЦП на основе R-2R матриц и наличием дифференциального входного каскада, что позволяет выход первичного измерительного преобразователя подключать к АЦП напрямую, без использования инструментального усилителя.

Автором был проведен сравнительный анализ характеристик основных типов 2й АЦП, применяемых при построении вторичных преобразователей датчиков давления. Были проанализированы основные характеристики встроенного 2й АЦП микроконтроллера типа 1986ВЕ4У [4], 2й АЦП типа AD7714 [5] импортного производства и 2й АЦП типа 1273ПВ19Т [6] производства НИИЭТ. Основные технические характеристики вышеуказанных 2й АЦП сведены в таблицу 1.

Таблица 1

ле характеристики 2й АЦП_

Тип АЦП Количество разрядов Количество каналов Коэффициент разделения каналов, дБ Максимальный коэффициент усиления, дБ Ошибка смещения, мВ

1986ВЕ4У 24 8 98 24 2

1273ПВ19Т 16 6 79 38 10

AD7714 24 6 90 42 2

Как видно из таблицы 1, встроенный 2й АЦП микроконтроллера типа 1986ВЕ4У по большинству параметров превосходит аналогичные изделия, в первую очередь по коэффициенту разделения каналов (98дБ) и количеству каналов, уступая по такому параметру как максимальный коэффициент усиления встроенного усилителя (24дБ).

Однако при использовании встроенного усилителя 2й АЦП микроконтроллера типа 1986ВЕ4У с максимальным коэффициентом усиления наблюдается значительное ухудшение других параметров АЦП. Кроме того, встроенный 2й АЦП микроконтроллера типа 198 6ВЕ4У имеет низкое значение допустимого входного синфазного сигнала (не более 100мВ), что делает затруднительным его использование в ряде случаев.

Ввиду того, что измерительные преобразователи мостового типа на основе тензорезисторов обладают начальным смещением выходного сигнала, которое может достигать величины 90мВ при напряжении питания измерительного моста 6В, при максимальном значении измеряемой величины возможно превышение максимально допустимого значения синфазной составляющей входного сигнала. С целью компенсации указанного недостатка, а так же введения возможности настройки начального смещения без использования подборочных резисторов автором предложен способ, заключающийся в введении во вторичный преобразователь датчика блока цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), выход которого через буферный усилитель и токоограничи-тельный резистор подключен к входу коррекции начального смещения дифференциального усилителя. Для пояснения принципа реализации предложенного автором способа, на рисунке 1 приведена структурная схема датчика.

Приведенная структурная схема стенда включает в себя первичный измерительный преобразователь ПИП и вторичный измерительный преобразователь ВИП. В свою очередь, ПИП включает в себя тензо-резистивный мост ТМ, ВИП включает в себя диффе-

ренциальный усилитель ДУ, аналого-цифровой преобразователь АЦП, цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, блок цифровой обработки сигналов БЦОС, источник опорного напряжения ИОП, физический уровень внешнего интерфейса связи ФУ1.

Рисунок 1 - Структурная схема, поясняющая принцип реализации предложенного автором способа

С целью учета ошибки установки выходного сигнала ЦАП, выходной сигнал ЦАП подается одновременно на вход коррекции начального смещения дифференциального усилителя и на один из входов АЦП.

В случае использования микроконтроллера типа 1986ВЕ4 в качестве БЦОС при построении вторичного измерительного преобразователя датчика давления, возможно использование встроенных аналоговых блоков АЦП и ЦАП микроконтроллера. Ввиду ухудшения качественных параметров преобразования встроенного 2й АЦП микроконтроллеров указанного типа в качестве блока ДУ автором предлагается использование внешнего по отношению к микроконтроллеру инструментального усилителя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шишов, О.В. Проектирование аналого-цифровых контрольно-управляющих микропроцессорных систем. - Саранск: Красный октябрь, 2001. - 116 с.

2. Майоров, А.В. Математическая модель зависимости погрешности выходного сигнала тензорезистив-ных датчиков силы от приложенной нагрузки / А.В. Майоров, А.В. Светлов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 1 (33). - С. 70-80.

3. Гельманн, М.М. Аналогово-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. -М.: Издательство стандартов, 1989. - 320 стр.

4. Спецификация микроконтроллеров серии 1986ВЕ4 URL:https://ic.milandr.ru/upload/iblock/8aa/8aa1f04a8 65fb53f2284e6f88 6fea8 9c.pdf

5. Signal Conditioning ADC AD7714 URL:http://www.analog.com/media/en/technical-documenta-tion/data-sheets/AD7714.pdf

6. МИКРОСХЕМА ИНТЕГРАЛЬНАЯ 1273ПВ19Т Техническое описание URL:http://niiet.ru/wp-content/uploads/TO_127 3PV19T.pdf