МИКРОМОЩНЫЕ ЧАСТОТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Аннотация. Представлены результаты исследования и разработки частотного преобразователя параметров резистивных датчиков физических величин, выполненного на операционных усилителях различного типа с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Ключевые слова. Микромощные операционные усилители, частотные преобразователи, датчик.
MICRO-POWER FREQUENCY SENSOR CONVERTERS PARAMETERS OF THE PHYSICAL QUANTITIES FOR INFORMATIONAL-MEASURING SYSTEMS
PSU, Russian Federation, Penza
Abstract. The results of the research and development of the inverter parameter sensors of physical quantities performed on various types of operational amplifiers with improved performance.
Keywords. Micro-power operational amplifiers, frequency converters, sensor.
Среди большого многообразия выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью датчиков физических величин наибольшей популярностью пользуются резистивные, емкостные и индуктивные датчики. Датчики резистивного типа (тензорезистивные, терморезистивные, пьезорезистивные и т.п.) занимают особое место в силу своей многофункциональности при измерении давлений, температур, механических деформаций, перемещений, ускорений и др., а также простоты схемной реализации измерительной цепи (ИЦ), высокой технологичности, надѐжности и возможности адаптации к преобразователям аналоговых сигналов в частоту, код, цифру. В датчиках подобного типа используются законы преобразования различных физических величин в изменение электрического сопротивления. Выходной сигнал ИЦ современных датчиков резистивного типа, как правило, пропорционален изменению сопротивления или относительному изменению сопротивлений для измерительных цепей и может быть в виде постоянного или переменного напряжения, тока. ИЦ могут быть собраны по мостовой схеме, с источником тока или в виде делителя напряжения. Мостовые измерительные схемы применяют постоянный и переменный токи. Существуют мостовые уравновешенные и неуравновешенные схемы. Уравновешенные мосты требуют ручной или автоматической балансировки, в то время как неуравновешенные мосты этого не требуют. Делитель напряжения, состоящий из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, позволяет снимать только часть напряжения [2]. Источники питания ИЦ включаются по последовательно-параллельной схеме для увеличения, как тока, так и напряжения. При этом основываются на том, что параллельное включение увеличивает силу тока, а последовательное увеличивает общее напряжение [3].
Датчики, содержащие чувствительные элементы в составе ИЦ (первичные преобразователи), служат источником информации об измеряемых физических величинах. Вторичные преобразователи преобразовывают выходные сигналы с датчика в частоту, интервал времени, код или цифру [1].
Частотные преобразователи (ЧП) имеют некоторые преимущества при передаче выходного сигнала на большие расстояния, по сравнению с аналоговыми выходными сигналами в виде тока или напряжения, с точки зрения помехоустойчивости и использования беспроводной линии связи.
В большинстве выпускаемых на сегодняшний день датчиков резистивного типа для питания ИЦ используются стабилизированные источники питания (тока или напряжения), которые определяют параметры выходного сигнала датчика, пропорциональные напряжению питания ИЦ.
Известны также преобразователи сигналов с датчиков с применением аналого-цифровых преобразователей или микропроцессоров. Однако они требуют дополнительной настройки применительно к каждому конкретному датчику или специальной программы, что требует повышенной квалификации при настройке информационно- измерительных цепей.
Частотные преобразователи [1], собранные на операционных усилителях ОУ, отличаются своей простотой, малым потреблением энергии, не требуют дополнительных настроек и стабилизируемых источников питания. В функцию преобразования указанных частотных преобразователей не входит напряжение питания.
Актуальной задачей на сегодняшний день является создание микромощных частотных преобразователей, с простым схемным решением и малым потреблением мощности, которые могут питаться от автономных источников питания (например: солнечных элементов и аккумуляторов), и передача информации на большие расстояния с помощью различных средств беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth, WiMAX).
Рассмотрим пример схемы ЧП, собранной на 2-х ОУ [1], представленной на Рисунке 1, с резистивной мостовой схемой включения ИЦ (в данном случае это может быть тензомост ТМ для измерения давления). Схема содержит интегратор, выполненный на ОУ1 и компаратор – на ОУ2. Питание мостовой ИЦ осуществляется двухполярным напряжением прямоугольной формы типа «меандр» непосредственно с выхода компаратора.
На Рисунке 2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу ЧП, сигналов на выходе компаратора (в т. "c") и интегратора (в т. "a") Рисунок 1. Список литературы
1. Громков Н.В., Интегрирующие развѐртывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография/ Н.В. Громков. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. – 244 с.
2. Турата Е.Ф., Операционные усилители: справочник, - М.: Патриот, 1996. – 192с.
3. Частотные преобразователи датчиков давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем: моногр./В.А. Васильев, Н.В. Громков, А.Н. Головяшкин, С.А. Москалев; под ред. д.т.н., проф. В.А. Васильева – Пенза: Изд-во ПГУ. – 130 с.