Цифровой емкостный дилатометр

Цифровой емкостный дилатометр

А.А. Орлов, В.К. Игнатьев Волгоградский государственный университет, Физико-технический институт, Волгоград

Развитие нанотехнологий и электроники в направлении миниатюризации ставит перед измерительной техникой задачу вывести контроль размеров и перемещений на принципиально новый уровень. При этом промышленные измерители перемещения (дилатометры) являются дорогостоящим оборудованием, что часто делает невозможным использование их в учебных целях или в мелком производстве.

Была проведена разработка простого и недорогого емкостного цифрового дилатометра. При этом предполагаемая предельная чувствительность прибора должна составить 10 нм. Наличие такого устройства позволит внедрять системы интегрированного контроля состояния систем, подвергающихся различному воздействию (тепловое, электромагнитное и др.). Появится возможность контролировать свойства материалов непосредственно на месте их использования, а не в специализированных лабораториях.

Блок схема разработанного Цифрового емкостного дилатометра (далее ЦЕД) представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема цифрового емкостного дилатометра Измерение емкости и прямое преобразование емкость-код осуществляет микросхема AD7745 фирмы Analog Device [1]. В основе принципа преобразования лежит эффект переключающихся конденсаторов в сигма-дельта АЦП.

Преобразование перемещения в емкость осуществляет дифференциальный емкостной датчик перемещения оригинальной конструкции. Среди иных типов преобразования перемещения в измеряемую величину (индуктивный, радиорезонансный, оптический и др.) он обладает следующими преимуществами: 1) потребностью в малом перемещении подвижной части емкостного датчика; 2) малым потребление энергии; 3) простотой изготовления; 4) использованием дешевых материалов; 5) отсутствием контактов; 6) высокой точностью и стабильной работой систем с емкостными датчиками; 7) возможностью широкой регулировки приборов с некоторыми типами емкостных датчиков. [2].

Чертеж разработанного дифференциального емкостного датчика приведен на рис. 2. Контакт с контролируемым образцом осуществляется при помощи заостренного текстолитового штыря (10). Он приклеен к подвижному штоку (4), который представляет собой две стеклянные трубочки, между которыми вклеены последовательно прямоугольные пластинки керамика - текстолит - керамика (Рис. 2 (б)). Подвижный шток

перемещается внутри системы трех электродов (5, 6). Возвращающую упругую силу обеспечивает пружина (2), припаянная к измерительной плате (1). Основной принцип заключается в создании большой неоднородности диэлектрической проницаемости в пространстве датчика, что позволяет добиться большой крутизны преобразования перемещение - емкость. Для компенсации взаимного влияния каналов между дифференциальными обкладками (5) проложена через текстолитовые прослойки медная фольга, подключенная к специальному выводу (БНЕШО) микросхемы А07745, предназначенному для компенсации емкости электродов на экран при измерениях. Электроды емкостной системы подключаются к измерительной плате (1) посредством вилок на плате и розеток БЬБ (7, 8) на корпусе. Вся система экранируется электростатическим экраном из медной фольги толщиной 0,1 мм.

а) б)

Рис. 2. Конструкция емкостного датчика перемещения: а) неподвижная часть, 1 - плата измерительной части; 2 -пружина; 3 — заземленный электрод; 4 - составной шток; 5 -дифференциальные электроды; 6 - общий электрод; 7 — розетка BLS-3; 8 - розетка BLS-2; 9 - корпус датчика; 10 - текстолитовый заостренный штырь; 11 - медный экран б) подвижный шток

Код, соответствующий измеренной емкости, отсылается по интерфейсу I2C на микроконтроллер Atmega 16 [3]. Данные обрабатываются на микроконтроллере и отсылаются на персональный компьютер (далее ПК) через группу интерфейсов UART-USB-COM, реализованную на микросхеме FT232RL [4]. Микроконтроллер обладает собственной клавиатурой и LCD экраном для автономной работы. Запрограммированное меню позволяет использовать дилатометр в различных режимах.

Для определения чувствительности были произведены измерения стабильности показания ЦЕД. Измерения проводились при закрепленном штоке. Частота поступления данных с ПК составляет 3 Гц. Они представляют собой измеряемую емкость с микросхемы AD7745 в относительных единицах (Со - динамический диапазон преобразователя 4 пФ). Мгновенная нестабильность, характеризуемая среднеквадратичным отклонением результатов составила 1,1 • 10-6. Долговременная нестабильность, измеренная в течение часа, равна 4-10-6.

Микросхема AD7745 имеет встроенный термодатчик, который может быть использован для термокомпенсации показаний емкости. Наличие температурного дрейфа

объясняется как температурным дрейфом самой микросхемы-преобразователя, так и измерением диэлектрической проницаемости керамики, используемой в емкостном датчике. На рис. 3 показана зависимость показаний ЦЕД от температуры при фиксированном положении штока. Используя линейную аппроксимацию зависимости, можно улучшить характеристики долговременной стабильности ЦЕД.

0,45556 0,455558 0,455556 0,455554 0,455552 0,45555 0,455548 0,455546 0,455544 0,455542 0,45554 0,455538

20,35 20,4 20,45 20,5 20,55 20,6 20,65 20,7 20,75

т,с

Рис. 3. Зависимость показаний ЦЕД от температуры микросхемы-преобразователя

График калибровочной характеристики размещен на рис. 4. Перемещение производилось при помощи микрометра, неподвижная часть которого была прикреплена к корпусу датчика. Отсчеты калибровочной характеристики получены при смещении 0,05 мм. Если принять за деление минимально различимое изменение емкости соответствующее двум среднеквадратичным отклонениям, т.е. 2-10-6, то предельная чувствительность равна 10 нм.

С/СО

0.44

0.42

0.4

0.38

0.36

0.34

0.32

0 0.5 1 1.5 2

X, мм

Рис. 4. Калибровочная характеристика ЦЕД

Разработка датчика перемещения с меньшим динамическим диапазоном, но большей чувствительностью возможна, однако и сейчас созданный дилатометр превосходит аналоги, работающие на оптическом принципе, и может быть использован в системах, где

необходимо контролировать перемещение с высокой точностью, например, для позиционирования датчика Холла при магнитной дефектоскопии материалов [5].

Работа выполнена по Государственному контракту № 14.740.11.0830 ФЦП

«Научные и научно педагогические кадры инновационной России».

Литература

1. Техническое описание микросхемы AD7745 - режим доступа:

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7745_7746.pdf

2. Ацюковский В.А. Емкостные дифференциальные датчики перемещения -Библиотека по автоматике - выпуск 12. - М., Л.: Государственное Энергетическое издательство, 1960. - 105с.

3. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров/ Сост. Ю.А. Шпак - Киев: «МКПресс», 2006г. - 400с.

4. Техническое описание микросхемы FT232RL -режим доступа: www.ftdichip.com/Documents/DataSheets/DS FT232R.pdf.

5. Орлов А.А. Система поиска микродефектов в ферромагнитных материалах // Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы: сборник тезисов и статей Всероссийской научной школы/ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НИИ).- Новочерскасск: ЛИК, 2011. - 192 с.