Современные телеметрические системы и датчико-преобразующая аппаратура

Теоретические основы построения датчиков с пьезорезонансным чувствительным элементом. Часть I.

noreply@blogger.com (Юрий) — Wed, 14 Sep 2011 01:59:00 +0600

Традиционная элементная база датчиковой аппаратуры, применяемой при отработке РКТ – терморезистивные, термоэлектрические, емкостные, индуктивные и полупроводниковые датчики – уже не всегда удовлетворяет современным требованиям. Анализ характеристик различных типов датчиков показывает, что наиболее эффективным дополнением этой элементной базы может является применение кварцевых пьезорезонансных чувствительных элементов (ПРЧЭ) – высокоточных и многофункциональных сенсорных преобразователей внешних воздействий, совместимых с принципами микроэлектроники. Кварцевые пьезорезонансные сенсоры – один из наиболее перспективных способов измерения параметров. Также пьезорезонансные датчики можно использовать в качестве базы для создания перспективных телеметрических систем, в которых используется для измерения различных параметров только один принцип физического преобразования (смотри Принципы построения перспективных телеметрических систем).

В кварцевых пьезорезонаторах используются элементы, изготовленные из монокристаллов кварца, физические свойства которого позволяют создавать электронные преобразователи с высокой чувствительностью, низким гистерезисом, малой погрешностью, высокой стабильностью и повторяемостью характеристик.

Пьезоэлектрики широко применяют в технике, акустике, радиофизике и т.д. Их применение основано на преобразовании электрических сигналов в механические и наоборот. Пьезоэлектрики используются в резонаторах, входящих в состав генераторов, фильтров, различного рода преобразователей и датчиков.

Кварцевый генератор – маломощный генератор электрических колебаний высокой частоты, в котором роль резонансного контура играет кварцевый резонатор – механический вибратор, вырезанный определённым образом из кристаллического или поликристаллического пьезоэлектрического материала, выполняемый обычно в виде элемента правильной формы (прямоугольной пластины, диска, стержня и т. д.). При деформации кварцевой пластинки на её поверхностях появляются электрические заряды, величина и знак которых зависят от величины и направления деформации. В свою очередь, появление на поверхности пластины электрических зарядов вызывает её механическую деформацию. В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.

Пьезорезонансные датчики – одни из наиболее универсальных типов первичных измерительных преобразователей (ИП). Универсальность пьезорезонатора как преобразователя физических величин определяется возможностью варьировать в широких пределах его свойства и избирательность реакций на воздействия различной физической природы. Большие ресурсы для управления свойствами преобразователя заложены в анизотропии пьезоэлектриков и многообразии типов колебаний вибратора. Использование указанных факторов и создаёт предпосылки к применению ПРД для решения широкого круга задач.

Сегодня группа пьезорезонансных датчиков, по многообразию решаемых задач одна из наиболее обширных, включает большое число средств измерения механических параметров (усилий, давлений, ускорений, массы, угловых скоростей, моментов, деформаций и т. п.), тепловых приборов (термодатчиков, датчиков расхода, вакуума, измерителей электрических параметров, датчиков тепловых потоков), устройств для контроля составов, концентрированных газов, влажности, микромасс. Пьезорезонансные методы широко используются в экспериментальных исследованиях. По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят преобразователи, выполненные на других физических принципах. В первую очередь это относится к измерениям механических величин, температуры, микровзвешиванию.

Реализованы приборы с погрешностями в пределах сотых долей процента и порогом чувствительности 10^-6 – 10^-7 от верхнего предела измеряемой величины. Приборы с пьезорезонансными датчиками находят применение в качестве переносных вторичных эталонов.

Основные типы ПРД рассмотрены в таблице 1.

Таблица 1
Тип пьезо- резонатора	Управляемый элемент колебательной системы	Управляемый структурный элемент	Модулируемый параметр	Выходной сигнал ПРД	Тип рабочих колебаний	Материал вибратора	Измеряемые параметры
Тензочувст-вительный	Вибратор	Податливость	Частота резонатора, коэффициент связи для многополюсных пьезопреобразователей	Частота	Сдвиг по толщине, изгиб	Пьезокварц	Сила, масса, деформация, ускорение, давление
Термочувствительный	’’	’’	Частота	’’	Сдвиг по толщине	’’	Температура, вакуум, скорость потока, электрический ток, напряжение, мощность, состав газа
Геометрически чувствительный	Подвижный электрод	’’	Межэлектродная емкость	’’	То же	Пьезокварц, ниобат, танталат лития	Усилие, давление, ускорение
Масс-чувствительный	Плёночное покрытие вибратора	Масса	Частота	’’	’’	Пьезокварц	Влажность, химический состав микромассы, толщина плёнок, давление
Акусточувствительный	Плёночное покрытие, элементы крепления, окружающая среда	Потери	Импеданс резонатора, коэффициент связи для четырёхполюсника	Амплитуда	Продольные, поперечные	Пьезокварц, пьезокерамика, ниобат лития	Влажность, давление, сила, масса, микроперемещение
Гирочувствительный	Вибратор	Деформация вибратора	Коэффициент связи многополюсного преобразователя	’’	Комбинация продольных и поперечных колебаний	Пьезокерамика, пьезокварц	Угловая скорость

Анализ данных таблицы 1 показывает, что в качестве основы большинства ПРД используются только два типа пьезоматериалов: кристаллический пьезокварц и пьезоэлектрическая керамика. Области применений этих материалов четко разграничены: пьезокварц применяется в основном в преобразователях с частотным выходом, а пьезокерамика – в преобразователях с амплитудным выходом. Нетрудно заметить и другой существенный момент: в датчиках, основанных на принципе модуляции параметров пьезовибратора, применяются, как правило, пьезокварцевые резонаторы. Причины, порождающие весьма чёткое разделение областей применения, следует искать в особенностях физических свойств пьезоэлектрических материалов. С точки зрения построения частотных преобразователей наиболее существенными из этих свойств являются механическая добротность и стабильность параметров пьезоэлектрика. Эти параметры характеризуют решающим образом качество пьезорезонатора как колебательной системы и определяют такие показатели измерительного преобразователя, как порог чувствительности и стабильность нуля.

Дополнительным преимуществом пьезокварца, особо важным с точки зрения использования его в измерительных преобразователях, является его безгистерезисность при механических, температурных и электрических воздействиях. Это выгодно отличает пьезокварц от пьезокерамических материалов, которые обладают настолько ярко выраженными гистерезисными свойствами, что в ряде случаев могут быть использованы для построения элементов запоминающих устройств.

Общая характеристика пьезорезонаторов, используемых в ПРД

Число разновидностей ПР, используемых в измерительных преобразователях, сравнительно невелико.

Наибольшее распространение получили высокочастотные пьезокварцевые резонаторы с колебаниями сдвига по толщине. Эти резонаторы реализуются на диапазон от сотен килогерц до нескольких сотен мегагерц.

За последние годы заметную конкуренцию применению этих резонаторов в датчиках начинают составлять кварцевые микроминиатюрные резонаторы низкочастотного диапазона (10-500 кГц), в первую очередь в виде одинарных и сдвоенных камертонов. С учетом того, что наиболее серьезны достижения в области ПРД на базе сдвиговых и камертонных ПР, ниже будет дана развернутая характеристика их свойств.

В отдельных типах датчиков находят применение и другие разновидности кварцевых резонаторов, в частности брусковые ПР с продольными и изгибными колебаниями (диапазон рабочих частот 10-500 кГц).

На основе пьезокерамики строятся как резонаторы и многоэлектродные селективные элементы (трансформаторы), так и составные преобразователи. В датчиках находят применение и пьезокерамические преобразователи с колебаниями сдвига по толщине и преобразователи с радиальными, изгибными и продольно-толщинными колебаниями.

Основные конструктивные разновидности пьезорезонаторов

Наиболее распространенными вариантами ПР являются приборы, в которых электроды возбуждения нанесены непосредственно на вибратор, выполненный из однородного по составу пьезоактивного материала – монокристалла или керамики. Наряду с этим применяются, хотя и в меньшей степени, другие конструкции.

В резонаторах с возбуждением через зазор электрод (или оба электрода) отделен от вибратора небольшим (обычно менее 1 мм) расстоянием. Как правило, пространство зазора заполнено нейтральным газом либо вакуумом.

Преимущества подобных конструкций – потенциально более высокая временная стабильность, обеспечиваемая благодаря отсутствию на поверхности вибратора инородных материалов (электродных покрытий), которые являются источником дестабилизирующих механических напряжений и временного дрейфа частоты резонатора из-за старения этих покрытий , изменения их химического состава и т.п. В настоящее время наиболее прецизионные резонаторы все чаще выполняются в виде конструкций с возбуждением через зазор. Подобные конструкции используются и в датчиках. Изменение расстояния между вибратором и электродом приводит к изменениям частоты, что позволяет реализовать большую группу пьезорезонансных датчиков механических параметров.

Другой распространенный тип приборов – составные пьезорезонаторы. Конструктивно они выполняются соединением в единый элемент непьезоэлектрического вибратора и пьезоэлектрического возбудителя колебаний. Обычно вибратор выполняется из высокодобротного металла, а пьезоэлемент – из материала с большим коэффициентом электромеханической связи.

Диапазон рабочих частот составных резонаторов с твердотельными пьезоэлементами ограничен сверху частотами, равными нескольким мегагерцам.

Решение задачи повышения рабочей частоты колебаний при сохранении технологичности и прочности вибратора связано с применением гармониковых составных резонаторов ОАВ. Вариант конструкции такого резонатора представляет собой слоистую структуру, состоящую из сравнительно толстой подложки и нанесенной на неё пьезоэлектрической системы возбуждения акустических колебаний. Последняя содержит пьезоэлектрическую пленку ZnO. Для возбуждения акустической волны используются тонкие электроды (нижний хром-золото и верхний хром-алюминий). Подслой SiO используется в качестве слоя, изолирующего полупроводник ZnO от электродов. Частотозадающим размером является толщина подложки. Осуществляется возбуждение на частотах высших гармоник. При толщине подложки 50,8 мкм и скорости волны 11,3∙10⁵ см/с рабочей частоте 3 ГГц соответствует возбуждение на 25 гармонике. При этом 24 и 26 гармоники отстоят от нее на 110 МГц. В качестве подложки используются высокодобротные материалы (сапфир, шпинель, рубин). В ряде случаев применяются двухвходовые системы. В этом случае второй пьезопреобразователь размещается на нижней поверхности подложки. Как правило, электроды возбуждения выполняются не сплошными, а в виде гребёнки проводящих штырей с постоянным расстоянием между ними. В этом случае обеспечиваются лучшие условия согласования импедансов. Важной особенностью подобных гармониковых резонаторов является локализованность области активных колебаний. Фактически вся энергия концентрируется под электродами, и периферия подложки оказывается развязанной от колебаний, что резко упрощает крепление подобных систем. В ряде случаев это оказывается удобным при построении датчиков.

Принципы построения измерительной аппаратуры на базе пьезорезонансных датчиков

Пьезорезонансные датчики гораздо чаще поставляются как неотъемлемая часть цифровой аппаратуры, нежели как самостоятельные изделия. В настоящее время накоплен значительный опыт в создании приборов с ПРД для самых различных применений: стационарного и переносного типа, лабораторных и для полевых условий, одно- и многоканальных, прецизионных и невысокой точности, с цифровой и стрелочной индикацией и т.д.

В подавляющем большинстве случаев ПРД являются датчиками с частотным выходом. Вопросам обработки частотных сигналов, построению измерительной аппаратуры с частотными датчиками посвящен ряд основополагающих работ. Давно известны принципы построения цифровых измерительных приборов с пьезорезонансными датчиками температуры. Многие из этих принципов не утратили своей актуальности и по сей день. Вместе с тем за последние годы произошли существенные сдвиги в подходах к организации приборов и средств обработки измерительной информации. В первую очередь это связано с широким внедрением в приборостроении ЭВМ и микропроцессорной техники. Благодаря этому резко расширились функциональные возможности цифровых приборов, повысились их точность, быстродействие, снизились габаритные размеры, масса и энергопотребление.

Структуры измерительных приборов с пьезорезонансными датчиками

Контрольно-измерительная аппаратура с ПРД в подавляющем большинстве является цифровой. Это естественное следствие двух обстоятельств: доминирующей роли цифровых методов обработки информации и удобства цифрового преобразования частотных сигналов. В общем случае структура цифрового прибора с ПРД содержит блок преобразования частоты в код, блок цифровой индикации, а также вспомогательные узлы – источники питания, схемы автоматики, генератор опорной частоты и т.д. В многоканальных устройствах предусматривается коммутатор для последовательного опроса датчиков.

При использовании ПРД в системах регулирования нередко оказывается более удобным работать с сигналами тока или напряжения, а не частоты. В этом случае вместо преобразователей частота – код в структуру прибора вводится преобразователь частота – напряжение (ток). Современные интегральные схемы этих устройств обеспечивают достаточно высокие точности преобразования. Преобразование частоты в напряжение может выполняться и с помощью кварцевых частотных дискриминаторов, имеющих высокую крутизну преобразования (до нескольких вольт на герц при питании схемы напряжением около 10 В). Недостатком дискриминаторов является большая нелинейность, которая может достигать 10-20 %.

Блоки обработки информации с частотных ПРД ничем принципиально не отличаются от блоков, используемых в других датчиках с частотным выходом. Высокая линейность, присущая многим типам ПРД, позволяет в ряде случаев упростить схемы измерительных приборов за счет исключения линеаризаторов.

При написании данной статьи были использованы следующие источники:

1) Малов В.В. Пьезорезонансные датчики, 1989;

2) Тимина Л.В. Дипломная работа «Разработка помехозащищенных датчиков с пьезорезонансным чувствительным элементом».

Принципы построения перспективных телеметрических систем

noreply@blogger.com (Юрий) — Wed, 31 Aug 2011 18:19:00 +0600

В отечественном ракетостроении основные принципы построения телеметрических систем были сформулированы и реализованы в 60-х годах. В последующие годы изменялась только элементная база (датчики, преобразователи, регистраторы передающе-принимающие устройства, средства обработки и хранения информации), при этом значительно отставая от темпов мирового развития.

Несомненно, что отставание в вопросах телеметрии связано с общим низким техническим и технологическим уровнем страны в микроэлектронной и компьютерной технике. Но это отставание можно компенсировать перспективными принципами построения систем телеметрии.

Необходимость изменений в вопросе принципов построения обусловлено ужесточающимися требованиями к телеметрическим системам по габаритно-массовым характеристикам, точности, информативности, помехозащищенности, надёжности, стоимости.

I. Действующие принципы построения телеметрических систем:

a.         один параметр – один датчик (не обязательно);
b.         множество различных типов датчиков (по физическому принципу преобразования);
c.          различные диапазоны измерения – различные модификации датчика;
d.         несколько датчиков – один вторичный преобразователь;
e.          линейная функция преобразования (линейная градуировочная характеристика) для всего измерительного тракта;
f.           проводные соединения;
g.         аналоговый сигнал;
h.         двоичная система передачи данных;
i.           передача всей информации на землю «в прямом эфире».

Попробую обрисовать идеальную телеметрическую систему

Основой идеальной телеметрической системы является идеальный датчик.

Характеристики идеального датчика:

- измеряет несколько типов физических воздействий одновременно (последовательно), например давление и температура, угловые и линейные ускорения и т.д.;

- большой диапазон измерения, охватывающий все возможные значения измеряемой величины;

- минимальное разрешение измеряемой величины во всём диапазоне измерения и минимальная погрешность, не зависящая от диапазона измерения;

- минимальные габариты и масса;

- не требует питания;

- не имеет проводных связей (имеет связь по одному проводу);

- помехозащищённый выходной сигнал;

- не требуется промежуточный преобразователь;

- взаимозаменяемость;

- выдача служебных параметров.

Малогабаритный датчик, не требующий питания и проводных соединений, способный измерять несколько параметров, не является фантастикой. Примером измерительной системы, построенной на данных датчиках, является бесконтактная система измерения давления и температуры в автомобильных колёсах.

Характерной чертой современных телеметрических систем является огромное разнообразие датчиков, построенных на различных физических принципах и, соответственно, требующих строго индивидуального подхода к каждому типу датчика. Разнообразие датчиков требует использования не менее огромного количества согласующих устройств (как по питанию на входе, так и для согласования сигнала на выходе), индивидуальных кабельных сборок (каждый датчик имеет разное количество соединительных линий и самих срединителей). Кроме того, все датчики имеют индивидуальные габариты и способы крепления.

Всё вышесказанное приводит к запутанному строению телеметрической системы, большому объёму работ по проектированию, высокой вероятности ошибки, большим затратам нервных клеток и времени при поиске данной ошибки.

Идеальный преобразователь, регистратор, передатчик, антенна, радиоканал

Идеальный преобразователь – это отсутствие преобразователя (или микропреобразователь в составе датчика, соединителя, кабеля).

Идеальный регистратор – отсутствие регистратора (или один вход с одновременной регистрацией /и разделением/ всех параметров).

Идеальный передатчик – отсутствие передатчика ().

Идеальная антенна – отсутствие антенны (или антенна с идеальными характеристиками).

Идеальный радиоканал –широкий по информативности канал (в принципе возможно и отсутствие радиоканала /присутствие узкого радиоканала/ при использовании спасаемых ЗУ).

Идеальная телеметрическая система РКТ

Идеальная телеметрическая система РКТ это система с:

- полным отсутствием (минимальным количеством) составных элементов;

- высокой надёжностью;

- минимальной погрешностью;

- максимальной простотой и взаимозаменяемостью составных элементов;

- высокой информативностью (в том числе по служебным параметрам);

- отсутствием предобработки информации (архивированием, БПФ, переменной частотой регистрации, записью в память для последующей трансляции /кроме спецслучаев/, и т.д.).

Первые пять лозунгов красивы и понятны, поэтому подробно остановимся только на последнем.

Заявление: - «Полная передача информации на землю, отказ от переменной частоты регистрации и других методов сжатия данных – это подход 70^х годов» - абсолютно неправильное заявление. И даже наоборот, верно обратное заявление – сжатие данных в полёте - это подход 70^х годов. Отсутствие ЭВМ и прочей техники для обработки данных на земле могли вызвать естественное желание проводить предобработку информации на борту с помощью имевшихся там приборов. В наше время, когда вычислительные мощности на земле огромны, математический аппарат насчитывает сотни методов вторичной обработки, пытливый мозг теоретика не знает границ, то искажать информацию в полёте крайне нежелательно. Искажённую информацию не восстановить. Записанные в ЗУ данные будут безвозвратно потеряны в случае взрыва, а ведь эти данные должны были бы помочь установить причины нештатной ситуации.

Информативность надо увеличивать другими способами. При этом никто не против сжатия данных без потери качества. Никто не против СЗУ, гарантированно спасаемого при любых ситуациях. Никто не против записи информации в ЗУ для последующей трансляции, если прямой эфир в данный момент невозможен.

Лежащий на поверхности способ увеличения информативности – переход с двоичной системы передачи данных на троичную, а ещё лучше на е-ричную (нецелочисленная показательная позиционная система счисления с основанием b=е=2,718281828…, равным числу Эйлера). В десятичной системе счисления, чтобы представить числа от 0 до 999 требуется 30 знаков, в двоичной системе с помощью 30 знаков можно закодировать числа от 0 до 32767, а в троичной – от 0 до 59048. Чем ближе система счисления к числу Эйлера, тем она экономичнее.

Принципы построения перспективных телеметрических систем

a. несколько параметров (по физическим воздействиям) – один датчик;

b. один тип датчиков (по физическому принципу преобразования) для измерения всех физических воздействий, например оптические датчики или пьезорезонансные датчики;

c. один диапазон измерения для одного физического воздействия;

d. отсутствие вторичных преобразователей;

e. безразличный вид функции преобразования;

f. отсутствие проводных соединений (минимальное количество проводных соединений);

g. цифровой, частотный или кодированный сигнал;

h. е-ричная система передачи данных (троичная система);

i. передача информации на землю в прямом эфире, в записи, с помощью СЗУ.

Предлагаю обсудить эти принципы и высказать своё мнение.

noreply@blogger.com (Юрий) — Wed, 24 Aug 2011 14:43:00 +0600

«Телеметрия: настоящее и будущее»

С 3 по 5 августа в ОАО "ГРЦ Макеева" прошла конференция "Телеметрия: настоящее и будущее".
Конференция оставила двоякое впечатление. Мысли о будущем облике телеметрических систем прозвучали только в докладе М.П. Ананьева из ФГУП «ГКНПЦ им. Хруничева». Бравурные доклады представителей ОАО НИИФИ и ОКБ МЭИ просто вогнали в тоску из-за бесперспективности нашей телеметрии. Заявление о том, что НИИФИ требуется 5 лет на внедрение нового датчика в производство, при наличии собственной базы, выглядит в наше время просто смешно. "Современные" телеметрические системы ОКБ МЭИ устарели ещё в восьмидесятые годы.
При этом, ГРЦ продемонстрировала, что могут сделать десяток человек за пару лет - телеметрическая система "Барракуда". Возможности системы приятно удивили. Это однозначно лучшая телеметрическая система в нашей стране. И пока специализированные конторы впаривали своё старьё и выпрашивали денег на его модернизацию - ГРЦ сделало реальную работу. "Барракуда" удачно отлетала на нескольких изделиях. Вопросов к её работе не возникло.

Сейчас нахожусь в командировке. После возвращения домой напишу про эту конференцию подробнее.