ДАТЧИК-ИЗМЕРИТЕЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 2011 года по МПК G01D5/14 

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.

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_S - напряжение на входном электроде преобразователя, I_S - ток через преобразователь, т.т. А, В, С - точки переключения преобразователя из закрытого состояния в открытое при различных уровнях воздействия физической величины θ_A,θ_B,θ_C,; в) строб-импульсы на выходе преобразователя, снимаемые с нагрузочного резистора Rн; г) оцифрованные значения N_A, N_B, N_С напряжений переключения преобразователя.

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_A, U_B, U_C на фиг.3, б) между последовательно соединенными цепью S-двухполюсника и нагрузочным резистором Rн, которое вызывает на этом резисторе скачок напряжения U_R (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_RA, U_RB, U_RC). 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.

Изобретение относится к измерительным устройствам, предназначенным для измерения физических величин средствами полупроводниковой электроники. Датчик-измеритель содержит полупроводниковый преобразователь, токоограничительный нагрузочный резистор, генератор импульсного напряжения питания преобразователя, цифровой измеритель пиковых напряжений импульсов, цифровое устройство запоминания координат градуировочной характеристики преобразователя, цифровой индикатор измеренной физической величины. Особенностью данного датчика-измерителя является то, что преобразователь физической величины выполнен в виде блока, состоящего из двух электрически соединенных преобразователей. Первичный преобразователь выполнен в виде чувствительного к физической величине резистивного элемента, вторичный преобразователь выполнен в виде транзисторно-резисторной схемы S-двухполюсника. Генератор импульсного напряжения выполнен в виде управляемого генератора пилообразных импульсов. Техническим результатом изобретения является повышение точности и надежности результатов измерений за счет повышения стабильности градуировочной характеристики датчика-измерителя при расширении спектра измеряемых им физических величин. 3 ил.

Датчик-измеритель физических величин, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.