ДАТЧИК-ИЗМЕРИТЕЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
SENSOR-METRE OF PHYSICAL VALUES

Датчик-измеритель относится к приборам, предназначенным для измерения величин различной физической природы - температуры, интенсивности электромагнитного излучения ИК, видимого и УФ-диапазонов, напряженности магнитного поля, механического давления и других величин, способных изменять сопротивление чувствительного резистора, используемого в качестве первичного преобразователя. Он предназначен для применения в тех областях, где требуется высокая чувствительность и быстродействие, тепловая безынерционность и стабильность измерений. В ряду многочисленных областей это, прежде всего, современная диагностическая и физиотерапевтическая медицина.
Традиционно используемые при построении датчиков преобразователи физических величин обладают гладкой и монотонной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), работают в режиме питания постоянным или переменным током значительной величины и подвержены самонагреву. Для минимизации самонагрева необходимо снижение средней величины рабочего тока преобразователя. Этого можно достигнуть при переходе на режим питания короткими импульсами, следующими с большой скважностью. Однако к такому режиму традиционные преобразователи мало пригодны и для его реализации их использование потребует неоправданные схемотехнические затраты, которые в итоге не дадут положительного эффекта.
Более перспективными в этом смысле являются датчики-измерители, в которых применен преобразователь, обладающий S-образной ВАХ переключательного типа, на которой уровень порогового напряжения переключения зависит от измеряемой физической величины. Описание такого датчика приведено в патенте «Цифровой способ измерения температуры и устройство для его реализации» [1]. Это устройство является наиболее близким к предложенному датчику-измерителю и принято в качестве его прототипа. Для датчика-прототипа характерна низкая тепловая инерционность при очень малых габаритах первичного преобразователя (S-термодиода).
Однако вследствие того, что первичным преобразователем датчика-прототипа является чувствительный к температуре S-диод [2], то область применения этого датчика ограничена температурными измерениями. Существенным недостатком датчика-прототипа является то, что р-n структура S-диода может проявлять в работе некоторую нестабильность, ухудшающую метрологические параметры датчика. Как чувствительный элемент S-диод требует технологии изготовления очень высокого качества, чистоты исходного материала и строгой дозировки легирующих примесей. При уникально высокой чувствительности к внешним воздействиям стабильность в работе таких структур не высока, их характеристики «плывут».
Целью изобретения является повышение точности и надежности результатов измерений за счет повышения стабильности градуировочной характеристики датчика-измерителя при расширении спектра измеряемых им физических величин.
Поставленная цель достигается следующим образом. В датчике-измерителе физических величин, содержащем полупроводниковый преобразователь измеряемой физической величины в электрический сигнал, имеющий переключательную S-образную вольт-амперную характеристику, на которой порог напряжения переключения зависит от измеряемой физической величины, токоограничительный нагрузочный резистор, включенный между выходным электродом преобразователя и общей шиной, генератор импульсного напряжения питания преобразователя, подключенный выходом к входному электроду преобразователя, цифровой измеритель пиковых напряжений импульсов, снабженный входом стробирования и подключенный входом стробирования к выходному электроду преобразователя, а измерительным входом - к выходу генератора, цифровое устройство запоминания координат градуировочной характеристики преобразователя, подключенное входом к выходу измерителя пиковых напряжений, и цифровой индикатор измеренной физической величины, подключенный входом к выходу устройства запоминания координат градуировочной характеристики, преобразователь физической величины выполнен в виде блока, состоящего из двух электрически соединенных преобразователей - первичного, выполненного в виде чувствительного к физической величине резистивного элемента, и вторичного, выполненного в виде транзисторно-резисторной схемы S-двухполюсника, формирующего S-образную вольт-амперную характеристику, причем резистивный чувствительный элемент подключен к схеме S-двухполюсника таким образом, что его сопротивление задает величину порогового напряжения переключения S-двухполюсника, а входной и выходной электроды S-двухполюсника являются соответственно входным и выходным электродами блока преобразователя, генератор импульсного напряжения выполнен в виде управляемого генератора пилообразных импульсов, дополнительно снабженного управляющим входом стробирования, который подключен к выходному электроду блока преобразователя.
Сущность положительного эффекта, полученного в изобретении, заключается в следующем. Во-первых, расширен спектр измеряемых датчиком физических величин за счет использования в качестве преобразователя вместо S-термодиода резистивного чувствительного элемента, подключенного к схеме S-двухполюсника [3]. Причем вид резистивного элемента выбирается в соответствии с поставленной задачей измерения. То есть это может быть терморезистор, фоторезистор различного диапазона, магниторезистор, тензорезистор или какой-либо другой резистор, чувствительный к измеряемой физической величине. Во-вторых, однородная структура резистора более устойчива к температурным нагрузкам и более стабильна в работе, чем специализированная р-n структура. Это повышает надежность и достоверность результатов измерений. И кроме того, чувствительные резисторы могут изготавливаться тонкопленочными. Это уменьшает инерционность процесса восприятия и первичного преобразования физической величины, повышает быстродействие датчика и уменьшает динамическую погрешность измерения.
Таким образом, наличие в предложенном техническом решении указанной совокупности признаков, отличающих его от прототипа, обусловливает появление в нем свойств, предопределяющих положительный эффект.
S
S
A,
B,
C,
A
B
С
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг.1 - функциональная схема датчика-измерителя; на фиг.2 - схема преобразователя физических величин; на фиг.3 - диаграммы, поясняющие принцип работы датчика-измерителя. На иллюстрациях введены следующие обозначения. На фиг.1: 1 - преобразователь физической величины с S-образной ВАХ, 2 - токоограничительный нагрузочный резистор, 3 - управляемый генератор пилообразного импульсного напряжения, 4 - цифровой измеритель пиковых напряжений импульсов, 5 - цифровое устройство запоминания координат градуировочной характеристики преобразователя, 6 - цифровой индикатор измеренной физической величины, 7 - резистивный чувствительный элемент (первичный преобразователь), 8 - транзисторно-резисторный S-двухполюсник (вторичный преобразователь), индексом S обозначены входы стробирования. На фиг.2 обозначено: 9 - измеряемая физическая величина; VT1, VT2 - пара транзисторов взаимно противоположного типа проводимости; R1-R4 - резисторы; Rпп - резистивный элемент, чувствительный к физической величине (первичный преобразователь). Он может быть подключен к S-двухполюснику в трех вариантах: параллельно резистору R4, последовательно с R4 или вместо R4. На диаграммах фиг.3 изображено: а) импульсное пилообразное напряжение на выходе генератора 3; б) S-образная переключательная ВАХ преобразователя, U - напряжение на входном электроде преобразователя, I - ток через преобразователь, т.т. А, В, С - точки переключения преобразователя из закрытого состояния в открытое при различных уровнях воздействия физической величины θθθ; в) строб-импульсы на выходе преобразователя, снимаемые с нагрузочного резистора Rн; г) оцифрованные значения N, N, N напряжений переключения преобразователя.
A
B
C
R
RA
RB
RC
Датчик-измеритель работает следующим образом. На подготовительном этапе опытным путем методом сравнения с эталоном строят градуировочную характеристику преобразователя (ГХП) для реально используемого типа и образца резистивного чувствительного элемента. ГХП описывает зависимость порогового напряжения переключения S-двухполюсника от интенсивности воздействия измеряемой физической величины на резистивный чувствительный элемент. Координаты ГХП в оцифрованном виде запоминают с заданной степенью дискретизации в устройстве 5 (фиг.1). В режиме измерений физической величиной θ(t) воздействуют на резистивный чувствительный элемент 7. С выхода генератора 3 периодически нарастающее пилообразное напряжение (фиг.3,а) поступает на входной электрод S-двухполюсника 8 и измерительный вход цифрового измерителя 4 пиковых напряжений. В зависимости от интенсивности воздействия величины 8(t) изменяется сопротивление Rпп (фиг.2), задающее пороговый уровень напряжения переключения S-двухполюсника из закрытого состояния в открытое. На ВАХ S-двухполюсниках (фиг.3,б) эти уровни обозначены точками А, В, С (т.т. А', В', С' - точки устойчивого удерживания в открытом состоянии). Внутреннее сопротивление цепи открывшегося S-двухполюсника скачком падает (участок отрицательного дифференциального сопротивления) и происходит перераспределение входного питающего напряжения (Uген на фиг.2 или U, U, U на фиг.3, б) между последовательно соединенными цепью S-двухполюсника и нагрузочным резистором Rн, которое вызывает на этом резисторе скачок напряжения U (фиг.3,в). Скачок напряжения, снимаемый с нагрузочного резистора Rн, подается в качестве управляющего сигнала на входы стробирования S генератора 3 пилообразного напряжения и измерителя 4 пиковых напряжений (фиг.1). Передний фронт этого скачка задает момент среза пилообразного импульса на выходе генератора 3 и момент измерительного отсчета пика импульсного напряжения на измерительном входе цифрового измерителя 4. При этом подача питающего напряжения на входной электрод преобразователя 1 прекращается. На выходном электроде преобразователя 1 один раз за измерительный цикл формируется короткий строб-импульс, длительность которого определяется временем срабатывания управляющей цепи обратной связи, обнуляющей импульс питания (на фиг.3,в U, U, U). Токовая нагрузка, задаваемая этим импульсом, делится между первичным и вторичным преобразователями, то есть между сопротивлениями чувствительного резистора Rпп и схемы S-двухполюсника. Напряжение переключения, измеренное цифровым измерителем 4, подается в цифровом виде на вход устройства 5 запоминания координат ГХП, в котором осуществляется его сравнение с массивом координат напряжений переключения и по координате наиболее близкого напряжения производится выборка соответствующего этому напряжению значения физической величины, которое в качестве результата измерения подается на цифровой индикатор 6.
Таким образом, за один измерительный цикл (с заданным временем - десятые доли или единицы секунд) в среднем на первичном преобразователе, то есть резистивном чувствительном элементе, рассеивается микроскопическая доза тепловой мощности (порядка 1 мкВт), не вызывающая ускоренного старения чувствительной структуры первичного преобразователя и не искажающая результат измерения. В итоге этот фактор становится определяющим в повышении долговременной стабильности градуировочной характеристики датчика измерителя и соответственно в повышении точности и надежности измерений.
Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеизложенные отличительные признаки датчика-измерителя в их данной совокупности и полезной целенаправленности. Это позволяет сделать вывод о том, что «изобретение является новым» и соответствует критерию «изобретательский уровень».
Технический результат, полученный в изобретении, заключается в повышении точности и надежности измерений, при расширении спектра измеряемых физических величин.
Источники информации
1. Патент RU 2344384 С1. Цифровой способ измерения температуры и устройство для его реализации. Кл. G01K 7/42, 2009, бюл. №2.
2. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990, с.202-234.
3. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства. Справочник. М.: Радио и связь, 1984, с.95-99.