автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Цифровые вторичные преобразователи для ёмкостных датчиков давления

094617906 На правах рукописи

ГОРБУНОВ Сергей Фёдорович

ЦИФРОВЫЕ ВТОРИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ЁМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2010

1 б ПС[{ 70]д

004617906

Работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная техника» в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и в ОАО «НИИФИ» (г. Пенза).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Цыпин Борис Вульфович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мясникова Нина Владимировна; кандидат технических наук, доцент Сёмочкина Ирина Юрьевна.

Ведущая организация - ФГУП «НИИЭМП» (г. Пенза).

Защита диссертации состоится 28 декабря 2010 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет». Автореферат размещен на сайте университета: www.pnzgu.ru

Автореферат разослан 27 ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем датчиковой аппаратуры является обеспечение временной стабильности. Со временем, в результате неизбежных процессов старения материалов, датчики изменяют свои характеристики, в частности, искажается градуировочная характеристика датчика и появляется дополнительная погрешность, обусловленная нестабильностью чувствительного элемента (ЧЭ).

Основной проблемой при разработке ёмкостных датчиков является относительная сложность преобразования ёмкости в активный электрический сигнал, легко поддающийся измерению. Абсолютные значения ёмкости и их приращения не превышают единиц пикофа-рад, существенно влияние температуры на значения ёмкости ЧЭ. Ранее разработанные преобразователи для ёмкостных датчиков отличаются сложностью схемотехнических решений и, как следствие, ограниченной точностью.

Вторичные преобразователи для ёмкостных ЧЭ постоянно совершенствуются. Разработкой и выпуском специализированных интегральных микросхем для обработки сигналов ёмкостных датчиков занимаются такие известные зарубежные фирмы, как «Analog Devices» (США), «Xemics» (Швейцария), «Freescale Semiconductors» (США), «Acam-Messelectronic GMBH» (Германия).

Примерно с 2006 г. особое место заняли цифровые преобразователи ёмкости в код, основанные на принципе сигма-дельта модуляции с разрешающей способностью до 24 разрядов.

В развитие теории построения вторичных преобразователей для ёмкостных датчиков внесли существенный вклад такие известные учёные, как Е. С. Левшина, А. М. Туричин, П. В. Новицкий, В. П. Арбузов, Д. В. Лебедев, В. Ю. Кнеллер, П. П. Чураков, Э. К. Шахов, С. Л. Эпштейн и др.

Вместе с тем задачи повышения точности и температурной стабильности ёмкостных датчиков остаются актуальными.

Применение современной микроэлектронной базы и, в особенности цифровых процессоров, позволяет добиться существенного улучшения технических характеристик ёмкостных датчиков путём линеаризации функции преобразования и автоматической компенсации температурной погрешности.

Цель работы состоит в совершенствовании вторичных преобразователей для ёмкостных датчиков давления путём уменьшения погрешностей измерения в широком диапазоне температур и линеаризации градуировочной характеристики цифровыми методами.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

- исследование характеристик ёмкостных датчиков давления, выбор и обоснование способов аппроксимации функции преобразования датчика давления и коррекции дополнительной температурной погрешности;

- исследование способов цифровой коррекции нелинейности функции преобразования датчика давления и дополнительной температурной погрешности;

- разработка алгоритмов цифровой автоматической коррекции погрешностей ёмкостных датчиков давления и их практическая реализация;

- разработка и внедрение вторичных преобразователей для ёмкостных датчиков давления, обеспечивающих коррекцию нелинейности функции преобразования датчика и компенсацию дополнительной температурной погрешности.

Методы исследований базируются на положениях теории погрешностей, теории математической статистики, методах математического анализа, численных методах, математическом моделировании в средах МаЙтСАБ и МАТЪАВ.

Основные теоретические положения и результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями и внедрением разработанных преобразователей в ракетно-космической и авиационной технике.

Научная новизна состоит в следующем:

1 Выбран и обоснован способ аппроксимации функции преобразования ёмкостного датчика давления кубическим сплайном.

2 Обоснован и использован метод вспомогательных измерений для автоматической цифровой коррекции дополнительной температурной погрешности ёмкостных датчиков давления.

3 Разработан алгоритм цифровой автоматической коррекции погрешности нелинейности функции преобразования ёмкостных датчиков давления.

4 Разработан алгоритм цифровой автоматической коррекции дополнительной температурной погрешности ёмкостных датчиков давления.

5 Разработаны методики расчета поправочных коэффициентов для цифровой коррекции нелинейности функции преобразования, используемые в процессе настройки датчиков при их производстве.

Практическая значимость. Основные теоретические положения диссертации использованы при разработке цифровых вторичных преобразователей, используемых в ёмкостных датчиках давления. За счёт применения автоматической цифровой коррекции снижены основная погрешность ёмкостных датчиков давления, обусловленная нелинейностью функции преобразования, и дополнительная температурная погрешность. Разработаны и реализованы в виде программного обеспечения методики расчета поправочных коэффициентов для цифровой коррекции нелинейности функции преобразования и дополнительной температурной погрешности, используемые в процессе настройки датчиков при их производстве.

На защиту выносятся:

1 Результаты теоретических и экспериментальных исследований нелинейности функции преобразования ёмкостных датчиков давления и обоснование аппроксимации функции преобразования кубическим сплайном.

2 Способ автоматической цифровой коррекции нелинейности функции преобразования датчика, основанный на аппроксимации функции преобразования кубическим сплайном.

3 Способ автоматической цифровой коррекции дополнительной температурной погрешности ёмкостных датчиков давления с использованием метода вспомогательных измерений.

4 Алгоритм цифровой автоматической коррекции погрешности нелинейности функции преобразования ёмкостных датчиков давления.

5 Алгоритм цифровой автоматической коррекции дополнительной температурной погрешности ёмкостных датчиков давления.

6 Результаты разработки и внедрения вторичных преобразователей для ёмкостных датчиков давления с автоматической цифровой коррекцией нелинейности функции преобразования и дополнительной температурной погрешности.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в разработанных в ОАО «НИИФИ» цифровых ёмкостных датчиках давления ДДА, ДСЕ 121, ДСЕ 122, ДАЕ 002 - в ходе выполнения работ по договорам с ОАО «ОКБ Сухого», ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина» и работ, выполняемых по «Федеральной космической программе России на 2006-2015 гг.» и Федеральной целевой программе «Развитие оборонно-промышленного комплекса России на 2007-2015 гг.».

Опытные образцы цифровых ёмкостных датчиков давления ДЦА используются в составе системы контроля параметров шасси (СКПШ) изделия ОАО «ОКБ Сухого» при испытаниях в штатном режиме.

Опытные образцы цифровых ёмкостных датчиков абсолютного давления ДАЕ 002 предназначены для работы в составе телеметрической системы исследовательских спутников «Спектр-УФ» и «Луна-Ресурс» (ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина») при их эксплуатации в открытом космическом пространстве в течение всего жизненного цикла спутников.

Экспериментальные образцы вторичного преобразователя для ёмкостных датчиков давления ДСЕ 122 использовались в ОАО «НИИФИ» при отработке и испытаниях высокотемпературных датчиков давления.

Теоретические результаты работы внедрены в учебный процесс преподавания дисциплин «Датчиковая аппаратура» и «Интеллектуальные средства измерения» на кафедре «Информационно-измерительная техника» в Пензенском государственном университете, а также использованы студентами при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2008), «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации "Измерения-2008"» (г. Пенза, 2008), «Проблемы и перспективы развития двигателе-строения» (г. Самара, 2009); на всероссийских научно-технических конференциях: «Проектирование инженерных и научных приложений в среде МАТЬАВ» (г. Санкт-Петербург, 2007), «Перспективные системы и задачи управления» (г. Таганрог, 2008), «Инновационные технологии в экономике, информатике и медицине» (г. Пенза, 2008);

на отраслевой научно-технической конференции «Информационно-управляющие и измерительные системы-2007», (г. Королёв, 2007); на конференциях «Датчики и системы» в ОАО «НИИФИ» (г. Пенза, 2006, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе две работы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет 170 листов, включая три приложения на 58 листах. Список литературы состоит из 55 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи исследования, раскрыта научная и практическая ценность, приведены результаты реализации и апробации работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены структурные схемы вторичных преобразователей для ёмкостных датчиков, их основные погрешности и способы коррекции этих погрешностей.

Ёмкостные датчики широко используются для измерения различных физических величин, в первую очередь давления, благодаря высокой временной стабильности своих параметров. Работа их основана на изменении ёмкости за счёт изменения зазора между обкладками конденсатора, одна из которых жёстко соединена с мембраной датчика. Из-за этого функция преобразования ёмкостного ЧЭ имеет гиперболическую зависимость от измеряемого давления.

Обеспечить малое отличие реальной функции преобразования датчика от его номинальной характеристики преобразования при эксплуатации в различных условиях можно двумя путями: методами стабилизации функции преобразования и методами автоматической коррекции погрешностей.

Стабилизация функции преобразования достигается как конструктивными и технологическими методами (изготовлением измерительных устройств (ИУ) из точных, стабильных и малошумящих элементов, параметры которых мало подвержены различным влияниям; применением в ИУ стабильных материалов; термостатированием,

электрическим и магнитным экранированием датчика или его элементов; стабилизацией питания; точной технологией и т.п.), так и структурными методами.

Методы стабилизации применяются очень широко уже в течение десятков лет. Различным их модификациям посвящено большое количество теоретических исследований. Однако их главным недостатком является сравнительно высокая стоимость точных технологий и стабильных материалов. Поэтому в настоящее время наибольшее внимание уделяется методам автоматической цифровой коррекции. Данная работа основана на применении метода автоматической цифровой коррекции дня снижения погрешностей ёмкостных датчиков давления.

Во второй главе проведён анализ нелинейности и дополнительной температурной погрешности ёмкостного датчика давления на основании полученных экспериментальных данных. Отражён характер этих погрешностей.

На основе экспериментальных исследований оценены диапазоны изменения параметров выходных сигналов датчиков, в том числе при воздействии температуры в диапазоне от минус 60 до + 60 °С. Намечены основные пути улучшения метрологических характеристик ёмкостных датчиков давления.

Градуировочные характеристики реальных разработанных датчиков давления, полученные в результате предварительной настройки без компенсации погрешностей, позволили выявить ряд их характерных особенностей, рассмотренных ниже.

Изменения чувствительности измерительной ёмкости готовых ЧЭ датчиков составляют от 2,5 до 7,7 пФ, что определяется неточной технологией изготовления деталей и их сварки. При этом соответственно нелинейность градуировочной характеристики датчиков варьируется от 11 до 22 % от образца к образцу. Нелинейность улш определялась как разность между реальным и идеальными значениями измеряемой величины в предположении, что идеальная характеристика линейна:

АС

х шах ,лл„.

у ---100%,

'лин г „-г „ х В 0

где АС - максимальное отклонение реальной характеристики х шах

от идеальной линейной; [сх в~схо) ~ Диапазон изменения ёмкости

датчика при измерении давления во всём рабочем диапазоне от О до 49,03 МПа.

Таким образом, каждый датчик имеет собственное значение нелинейности.

Исходя из этого одной из задач при разработке цифрового датчика давления является автоматическая цифровая коррекция нелинейности его градуировочной характеристики.

При испытании датчиков воздействием температуры от минус 60 до +60 °С был выявлен характер температурной погрешности датчика, включающий как аддитивную, так и мультипликативную составляющие.

Значения приведённой дополнительной температурной аддитивной составляющей погрешности и мультипликативной составили

около ±0,42 ^ и ±0,86 соответственно. Закон изменения 10°С 10°С

этих составляющих имеет вид сложной функции (рисунок 1), определяемой свойствами ёмкостного ЧЭ.

У зад, % Умульт, %

а — аддитивная составляющая; б - мультипликативная составляющая

Рисунок 1 - Дополнительная температурная погрешность ёмкостного датчика давления

Анализ экспериментально полученных характеристик ёмкостных датчиков давления позволил выявить наиболее существенные источ-

ники их погрешностей, в том числе от воздействия температуры.

Для определения нелинейности градуировочной характеристики проводилось градуирование датчиков образцовым задатчиком давления МП 600, и в заданных точках измеряемого давления Р измерялось значение рабочей ёмкости Сх ЧЭ. На основе полученной зависимости Сх = /(Р) рассчитывалась максимальная нелинейность характеристики исходя из аппроксимации её прямой линией по крайним точкам реальной характеристики Сх = /(Р).

Для определения дополнительной температурной погрешности проводились градуировки датчиков при воздействии пяти значений температур, равномерно распределённых по всему рабочему температурному диапазону датчика: минус 60, минус 30, 0, +30 и +60 °С. Аддитивная дополнительная температурная погрешность рассчитывалась как температурное смещение «нуля» датчика по формуле

Галл (Т)= Л'"ОРМо(7)"Л'"ОРМо(+25°) -100%,

^норм в (+25°) - Л^норМ() (+25°) где А^ормо (Т) - нормированный выходной код датчика при давлении Р = 0 МПа при заданной температуре Г; АгК0рМ()(+25о) - нормированный выходной код датчика при давлении Р = 0 МПа при +25 °С; ЛгнорМв(+25°) - нормированный выходной код датчика при давлении

Р = 49,03 МПа при +25 °С.

Мультипликативная дополнительная температурная погрешность определялась как изменение чувствительности датчика как функции от воздействующей температуры и вычислялась согласно выражению

ДЛг (Г) - ЛМюпм (+25°)

Унульт(Г) =-"°рм --- -100 %,

Д^1Шрм(+25°)

где А/^норм (Т) - чувствительность датчика по выходному нормированному коду при заданной температуре Г; ДЛ^норм(+25°) - чувствительность датчика по выходному нормированному коду при +25 °С.

Значения этих погрешностей могут существенно отличаться от образца к образцу датчика, поэтому при реализации вторичного пре-

образователя необходимо учитывать индивидуальные характеристики каждого датчика. Для получения датчика, обладающего высокими метрологическими характеристиками, необходимо уменьшение его погрешностей, что может быть реализовано благодаря математической обработке измерительной информации в микропроцессоре датчика.

В результате была предложена структура цифрового ёмкостного датчика давления с использованием современной высокотехнологичной элементной базы. Датчик состоит из чувствительного элемента с встроенным датчиком температуры, преобразователей «ёмкость-код» и «температура-код» и цифрового микропроцессора.

В третьей главе предложены и рассмотрены реализованные в ёмкостных датчиках давления способы и алгоритмы цифровой автоматической коррекции погрешности от нелинейности характеристики и дополнительной температурной погрешности, позволившие значительно улучшить метрологические характеристики датчиков.

Для решения задачи коррекции нелинейности градуировочной характеристики ёмкостного датчика была применена аппроксимация промежуточной градуировочной характеристики №вых=/(Мнорм)

аналитической функцией.

Использование известных способов аппроксимации - гиперболической, экспоненциальной, логарифмической, полиномиальной -не давали удовлетворительных результатов ввиду невысокой точности аппроксимации. Например, полином 3—4 степени давал погрешность около 0,1-0,2 % в узловых точках.

Проработка возможных способов аппроксимации экспериментальных данных, наиболее полно и точно аналитически описывающих характерные для ёмкостных ЧЭ зависимости (рисунок 2), определила выбор аппроксимации кубическим сплайном.

Аналитическое выражение, описывающее кубическим сплайном экспериментально полученные данные по промежуточной градуировочной характеристике датчика (см. рисунок 2), имеет вид

= с„з+(ынорм -лд- с,,2 + (лгнорм -Ni)2 • С,.д+(ЛГнорм - Л^)3 • Сф, (1)

где Мвых - выходной линеаризованный цифровой код датчика, прямо пропорциональный измеряемому давлению Р; Л^норм - нормирован-

ный выходной цифровой код преобразователя «ёмкость-код» (в общем случае определяемый сложной зависимостью);(/ = 0...10)-узловая точка сплайна - значение кода Л^норм, соответствующее заданному значению измеряемого давления ; / = 0... 10,} = = 0...3) - коэффициенты сплайна, однозначно определяющие функцию аппроксимации на участке аппроксимации от А^ до .

Рисунок 2 - Градуировочная характеристика ёмкостного датчика без коррекции линейности

Процедура расчёта коэффициентов сплайна для всей области определения рабочей характеристики датчика является трудоёмкой задачей, которая решалась с использованием средств МаШСАБ и МАТЬАВ.

Для характеристики, состоящей из 11 узловых точек (т.е. 10 участков аппроксимации), описание сплайном включает 40 индивидуальных коэффициентов Сц.

Полученной в ходе градуировки датчика характеристике вида •^норм,- = /(/у) ставится в соответствие характеристика вида

^вых, =/(ЛГнорм/)- Причём значения Л^х, для датчиков типа ДЦА

рассчитываются по их номинальной линейной характеристике, которая имеет вид

ЛГВЬ1Х -к-Р + Ь = 20,\92-Р + 10, где Р = 0,00-49,03 МПа - измеряемое датчиком давление.

Коэффициенты номинальной характеристики рассчитываются исходя из решения системы уравнений

ПО = А;-0 + 6; [1000 = А:-49,03+ 6, где первое уравнение системы - выражение для Мвых в начальной точке градуировочной характеристики (при Р = 0,00 МПа); второе уравнение системы - выражение для уУвых в конечной точке градуировочной характеристики (при Р - 49,30 МПа).

Всё множество значений Лгвых по отдельно взятым экспериментально полученным точкам Л^норм.(^) вычисляется исходя из

аппроксимации зависимости //ВЬ[Х( = /(№три.) (см. рисунок 2) кубическим сплайном на участке [Ы0;

Аналитическое описание экспериментально полученной функции •^вых = /С^норм)= /СО в виде двумерной матрицы коэффициентов сплайна

с0,0 с0,1 с0,2 с0,3

с9,0 • • с9,3.

записывается в ПЗУ микропроцессора каждого датчика.

Зависимость Л^вых = /(Мнорм) так же> как и коэффициенты сплайна, являются индивидуальными для каждого датчика и рассчитываются отдельно для каждого датчика. Благодаря этому достигается высокая точность аппроксимации за счёт учёта индивидуальных особенностей градуировочной характеристики датчика.

В ходе работы датчика выходной код Л^норч преобразователя «ёмкость-код» считывается микропроцессором, подставляется в выражение (1), и в результате вычисляется выходной код датчика , имеющий линейную зависимость от измеряемого давления Р.

Аппроксимация кубическим сплайном показала погрешность аппроксимации не более 10Ч1-10~12 % в узловых точках. Немногим

уступающие по точности результаты были получены и в промежуточных точках, что было подтверждено результатами экспериментов. Это позволило существенно уменьшить число узловых точек аппроксимации до 11 шт., необходимых для точного описания реальной характеристики датчика при нелинейности менее 25 % с погрешностью не более 0,01 %.

В результате применения аппроксимации промежуточной градуи-ровочной характеристики датчика кубическим сплайном были получены датчики давления с основной погрешностью 0,12 % (в том числе учитывалась погрешность от механического гистерезиса ёмкостного ЧЭ, которая в данной реализации датчика не корректировалась).

Реализация способа коррекции дополнительной температурной погрешности - более сложная комплексная задача, так как является функцией воздействующей температуры и измеряемого давления одновременно. Для этого необходимо введение в состав датчика термозависимого элемента (датчика температуры) либо наличие сигнала, косвенно связанного с температурой ЧЭ. С этой целью в корпус ЧЭ был установлен датчик температуры, питание которого осуществляется стабилизированным напряжением. Напряжение с датчика температуры оцифровывается с помощью АЦП, входящего в состав преобразователя «ёмкость-код», и считывается каждый раз микропроцессором одновременно с кодом А^норм .

Полученные в ходе экспериментальных испытаний датчиков гра-дуировочные характеристики при различных температурах во всём диапазоне рабочих температур заносятся в ЭВМ для обсчёта индивидуальных характеристик влияния температуры. В итоге вычисляются две функции:

- абсолютное смещение нуля датчика от температуры:

- относительный коэффициент изменения чувствительности датчика от температуры:

А^о-^нормп(Г)-^нормГ+25°);

(2)

N

N

где //иор„0(Г) - значение «нуля» датчика (при Р = 0,00 МПа) на выходе преобразователя «ёмкость-код» при воздействии температуры от минус 60 до +60 °С; ЛгнорМ()(+25 °) - значение «нуля» датчика

(при Р = 0,00 МПа) на выходе преобразователя «ёмкость-код» при температуре +25 °С; ЫнорМв(Т) - номинальный выходной код датчика (при Р = 49,03 МПа) на выходе преобразователя «ёмкость-код» при воздействии температуры от минус 60 до +60 °С; ^норм (+25 °) -

номинальный выходной код датчика (при Р ~ 49,03 МПа) на выходе преобразователя «ёмкость-код» при температуре +25 °С; Т = минус 60, минус 30, 0, +30, +60 °С - значения температуры, при которых снимаются градуировочные характеристики датчика.

Значения аргументов, входящих в выражения (2) и (3), получаются экспериментальным путём при настройке датчиков.

Полученные зависимости ЛЛГ0(А^() и 8К(Ы,) (где Ы, - код температуры, полученный при оцифровке напряжения с датчика температуры) по той же методике, что и градуировочная характеристика датчика при +25 °С, аппроксимируются кубическим сплайном. Коэффициенты сплайна рассчитываются в среде МаШСАБ с использованием функций МАТЬАВ. Эти коэффициенты, а также значения Л/, в заданных точках температуры записываются в ПЗУ микропроцессора датчика. Во время работы микропроцессор по заданной программе вычисляет текущие корректирующие значения Л/У0(Л^) и 5 К (И,). На их основе вводится поправка в значение кода А^ормСА^), полученное в рабочих условиях. Выражение, согласно

которому происходит ввод поправки на дополнительную температурную погрешность (коррекция дополнительной температурной погрешности), имеет вид

NHwA^-SWt)ЯN^(Nl)-W0(Nl)]+Ж(Nl)^Nв^(N+25). (4)

Алгоритм цифровой коррекции погрешностей, реализованный в программе для микропроцессора датчика, в общем виде представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Алгоритм коррекции погрешностей датчика

Полученные в результате применения разработанного способа коррекции дополнительной температурной погрешности её значения не превысили ±0,4 % на весь диапазон рабочих температур от минус 60 до +60 °С. Таким образом, дополнительную температурную погрешность удалось снизить примерно в 40 раз.

Достоинство представленных способов коррекции погрешностей заключается ещё и в том, что сразу учитываются суммарные погрешности всех узлов датчика: и чувствительного элемента, и преобразователя «ёмкость-код».

В четвертой главе приведены фотографии, функциональные схемы, алгоритмы работы микропроцессора и результаты испытаний макетных и опытных образцов цифрового ёмкостного датчика давления ДДА, разработанных в ОАО «НИИФИ» для ОАО «ОКБ Сухого». Также представлены опытные образцы цифрового интеллектуального функционального модуля МИФ 3 нормализации сигналов ёмкостных датчиков давления, разработанного по Федеральной космической программе России на 2006-2015 гг.

В датчиках ДДА ёмкостный ЧЭ конструктивно объединён с цифровым вторичным преобразователем, который состоит из двух плат с электрически перепрограммируемым преобразователем «ёмкость-код» (ПЕК) AD7746 (Analog Devices, США) и микроконтроллером (МК) C8051F007 (Silicon Laboratories, США). Структурная схема датчика ДДА приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структурная схема датчика ДДА

ПЕК реализует преобразование значения измерительной ёмкости Сх в эквивалентный ей код методом сигма-дельта преобразования с последующей фильтрацией полученного результата. Настройка параметров ПЕК (коэффициент усиления, время преобразования, уровень начального смещения выходного кода, частота внутреннего генератора и т.д.) осуществляется программно путём записи цифрового кода регулируемого параметра в соответствующие регистры микросхемы ПЕК по последовательному цифровому интерфейсу 12С.

МК предназначен для программирования микросхемы ПЕК и цифровой обработки полученной измерительной информации. Циф-

ровая обработка включает в себя цифровую фильтрацию измерительного сигнала, корректировку аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности датчика, линеаризацию градуировочной характеристики датчика и нормирование диапазона выходного кода.

Линеаризация и нормирование градуировочной характеристики датчика проводятся путём её описания кубическим сплайном, постоянные коэффициенты которого записываются в память МК.

Благодаря цифровой обработке измерительного сигнала с помощью МК удалось добиться величины дополнительной температурной погрешности не более ±0,4 % во всём диапазоне рабочих температур датчика от минус 60 до +60 °С. Основная приведённая погрешность опытных образцов ДЦА составляет ±0,12 %.

Также был разработан унифицированный преобразователь МИФ 3 нормализации сигналов ёмкостных датчиков, способный работать не только с ЧЭ, состоящими из одной ёмкости, но и с квазидифференциальными ёмкостными чувствительными элементами.

В модуле также реализован температурный канал, позволяющий производить автоматическую цифровую температурную коррекцию сигналов ЧЭ.

Таким образом, применение высокотехнологичной элементной базы и реализованные с её использованием способы коррекции погрешности от нелинейности ЧЭ датчика и его дополнительной температурной погрешности позволили снизить эти составляющие погрешности более чем в 100 и 40 раз соответственно.

Разработанные способы цифровой автоматической коррекции погрешностей могут быть использованы и в других типах датчиков. Например, способ линеаризации градуировочной характеристики датчика, основанный на аппроксимации его функции преобразования кубическим сплайном, был использован в индуктивных дифференциально-трансформаторных датчиках угловых перемещений ПУИ 066, также разработанных в ОАО «НИИФИ» при участии автора.

В приложении приведены программы, методики, протоколы испытаний цифрового ёмкостного датчика ДЦА, листинг программы для микропроцессора С8051Р007 и акты внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Проведены теоретические и экспериментальные исследования характеристик ёмкостных датчиков давления. Показано, что наиболее существенными составляющими погрешности датчика являются погрешность нелинейности и дополнительная температурная погрешность.

2 Выбран и обоснован способ аппроксимации градуировочной характеристики кубическим сплайном как наиболее точный из всех рассмотренных. Разработано программное обеспечение для расчета коэффициентов аппроксимации по полученным экспериментальным данным. Значения коэффициентов используются при цифровой линеаризации градуировочной характеристики датчика в микропроцессоре, входящем в состав вторичного преобразователя.

3 Обоснованы и применены способ цифровой автоматической коррекции дополнительной температурной погрешности ёмкостного датчика давления, основанный на аппроксимации функции влияния температуры кубическим сплайном, и метод вспомогательных измерений. Методика расчёта коэффициентов сплайна реализована в виде программного обеспечения в среде МаШСАЕ) с использованием функций МАТЬАВ.

4 Разработаны и реализованы алгоритм цифровой коррекции погрешностей ёмкостного датчика давления и программный модуль для встроенного программного обеспечения (ПО) микропроцессора датчика. Применение данного алгоритма цифровой коррекции позволило примерно в 40 раз снизить дополнительную температурную погрешность и более чем в 100 раз - основную приведённую.

5 ПО микропроцессора датчика с использованием этих программных модулей внедрено в макетных и опытных образцах цифровых ёмкостных датчиков давления ДДА, ДСЕ 121, ДСЕ 122, ДАЕ 002. В процессе работы по алгоритму, реализованному в ПО датчика, осуществляется коррекция нелинейности и дополнительной температурной погрешности. Результаты испытаний и внедрений подтвердили теоретические выводы работы.

6 Разработаны и внедрены ёмкостные датчики давления типа ДДА (СДАЙ. 406239.132) и ДАЕ 002 (СДАЙ. 406239.146). Опытные образцы цифровых ёмкостных датчиков избыточного давления ДДА применяются в составе системы контроля параметров шасси (СКПШ)

изделия ОАО «ОКБ Сухого». Опытные образцы цифровых ёмкостных датчиков абсолютного давления ДАЕ 002 предназначены для телеметрической системы исследовательских спутников «Спектр-УФ» и «Луна-Ресурс» (ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина») при их эксплуатации в открытом космическом пространстве.

7 Разработанные вторичные преобразователи и способы коррекции нелинейности функции преобразования и температурной погрешности с использованием кубических сплайнов использованы для работы с датчиками других типов, например, дифференциально-трансформаторных датчиков угловых перемещений.

8 Теоретические результаты работы используются в учебном процессе преподавания дисциплин «Датчиковая аппаратура» и «Интеллектуальные средства измерения» на кафедре «Информационно-измерительная техника» в Пензенском государственном университете.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1 Горбунов, С. Ф. Датчик угловых перемещений для системы контроля параметров шасси / А. А. Трофимов, В. Н. Новиков, С. Ф. Горбунов // Датчики и системы. - 2008. - № 7. _ с. 55-58.

2 Горбунов, С. Ф. Линеаризация градуировочных характеристик ёмкостных датчиков давления / С. Ф. Горбунов, Б. В. Цыпин // Измерительная техника. - 2010. - № 10. - С. 23-25.

Публикации в других изданиях

3 Горбунов, С. Ф. Малогабаритный цифровой ёмкостный датчик давления / С. Ф. Горбунов, И. В. Головин // Датчики и Системы-2006 : сб. тр. конф. молодых учёных и специалистов.- Пенза : ФГУП «НИИФИ», 2006. - С. 3-5.

4 Горбунов, С. Ф. Разработки микроэлектронных микропроцессорных датчиков давления / В. П. Елизаров, С. Ф. Горбунов, С. А. Козин, В. А. Тихоненков, П. А. Удалов П Информационно-управляющие и измерительные системы-2007 : тез. докл. отрасл. науч.-техн. конф. - Королёв : НПО ИТ, 2007. - С. 57.

5 Горбунов, С. Ф. Коррекция температурной погрешности и нелинейности ёмкостных датчиков давления / С. Ф. Горбунов, В. Н. Новиков // Мир измерений. - 2007. - № 11. - С. 50-52.

6 Горбунов, С. Ф. Модель преобразователя «ёмкость - напряжение» в среде МАТЬАВ/81шиНпк / С. Ф. Горбунов // Проектирование инженерных и научных приложений в среде МАТЬАВ : сб. тр. III Всерос. науч. конф. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2007. - С. 572-582.

7 Горбунов, С. Ф. Малогабаритный цифровой ёмкостный датчик давления / С. Ф. Горбунов, В. Н. Новиков, Б. В. Цыпин // Информационно-измерительная техника : межвуз, сб. науч. тр. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - Вып. 32. - С. 153-159.

8 Горбунов, С. Ф. Прецизионный преобразователь сигналов ёмкостных датчиков с цифровой обработкой / С. Ф. Горбунов // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. -С. 88-91.

9 Горбунов, С. Ф. Разработки микроэлектронных микропроцессорных датчиков давления / С. А. Козин, В. Н. Новиков, С. Ф. Горбунов, В. А. Тихоненков, П. А. Удалов, И. Г. Акимов // Перспективные системы и задачи управления : сб. материалов III Всерос. науч.-практ. конф.: в 2 т. - Таганрог : Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. - С. 63-65.

10 Горбунов, С. Ф. Сигма-дельта модулятор в датчиках давления. Реализация и оценка потенциальной точности / С. Ф. Горбунов,

B. Н. Новиков, Н. С. Ульянин // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации «Измерения-2008» : сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Информационно-измерительный центр ПензГУ, 2008. - С. 143-144.

11 Горбунов, С. Ф. Вопросы сопряжения ёмкостных чувствительных элементов с электронным преобразователем / С. Ф. Горбунов, В. Н. Новиков // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр.- Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Вып. 34. -

C.135-140.

12 Горбунов, С. Ф. Сигма-дельта модулятор в измерительных преобразователях ёмкостных датчиков давления / С. Ф. Горбунов, В. Н. Новиков, Н. С. Ульянин // Инновационные технологии в экономике, информатике и медицине : сб. тр. межрегион, науч.-практ. конф. - Пенза : Изд-во ПГТА, 2008. - С. 36-38.

Научное издание

Горбунов Сергей Фёдорович

Цифровые вторичные преобразователи для ёмкостных датчиков давления

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Подписано в печать 26.11.2010. Формат 60x84Vi6. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ X» 734.

Издательство ПГУ 440026, Пенза, Красная, 40.

1 Цель испытаний.

2 Объект испытаний.

3 Общие положения.

4 Объем испытаний.

5 Условия и порядок проведения испытаний.

6 Метрологическое обеспечение испытаний.

7 Материально-техническое обеспечение испытаний.

8 Методики испытаний.

9 Отчетность.

6 Выводы

6.1 Технические характеристики опытных образцов датчика ДДА при проведении предварительных испытаний соответствуют требованиям Технического задания № 17709 ТЗ на составную часть опытно-конструкторской работы "Разработка системы контроля параметров шасси объекта Т-50", с дополнениями 1, 2, 3, письмам исх. ЖС18/5056 от 05.06.07, исх. №300/128-ф от 18.04.07.

6.2 Программа предварительных испытаний СДАИ.406239.132 ПМ 2 выполнена в полном объеме.

6.3 Применяемые при проведении испытаний методики измерений и контроля параметров, стандартные и нестандартные средства измерений обеспечивают требуемую точность измерений и контроля параметров. N

14

7 Заключение

7.1 По результатам предварительных испытаний опытного образца датчика ДЦА откорректировать конструкторскую документацию по присвоению литеры "О". л»

1. Горбунов С.Ф., Новиков В.Н. Коррекция температурной погрешности и нелинейности ёмкостных датчиков давления // Мир измерений. 2007. -№11. -С. 50-52

2. Горбунов С.Ф., Цыпин Б.В. Линеаризация градуировочных характеристик емкостных датчиков давления // Измерительная техника. 2010. -№10. - С. 23 - 25.

3. Горбунов С. Ф. Датчик угловых перемещений для системы контроля параметров шасси / А. А. Трофимов, В. Н. Новиков, С. Ф. Горбунов // Датчики и системы. 2008: - № 7. - С. 55-58.

4. Горбунов С. Ф. Малогабаритный цифровой ёмкостный датчик давления / С. Ф. Горбунов, И. В. Головин // Датчики и Системы-2006:. сб. тр. конф. молодых учёных и специалистов. Пенза : ФГУП «НИИФИ», 2006. -С. 3-5.

5. Горбунов С. Ф. Модель преобразователя «ёмкость напряжение» в среде МАТЬАВ/БтиНпк / С. Ф. Горбунов // Проектирование инженерных и научных приложений в среде МАТЬАВ : сб. тр. Ш Всерос. науч. конф.110

6. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2007. С. 572-582.

7. Горбунов С. Ф. Малогабаритный цифровой ёмкостный датчик давления / С. Ф. Горбунов, В. Н. Новиков, Б. В. Цыпин // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. Пенза : Изд-во Пенз. гос. унта, 2008. - Вып. 32. - С. 153-159.

8. ГОСТ 19.701 90 (ИСО 5807-85). Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения.

9. ГОСТ РВ 20.57.306-98. Аппаратура, приборы, устройства, оборудование военной техники (АПУОВТ). Методы испытаний на воздействие климатических факторов.

10. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980. - 248 с.

11. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. М.: Техносфера, 2007. - 380 с.

12. Дьяконов В. П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ: Справочник. М.: Наука, 1989. - 240 с.

13. Дьяконов В.П. МАТЬАВ 6/6.1/6.5 + втиНпк 4/5. Основы применения. -М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 800 с.

14. Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. М.: Издательство стандартов, 1972. - 199 с.

15. Завьялов Ю. С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. М.: Наука, 1980. - 342 с.

16. Ицкович Э. Современные датчики и тенденции их развития // Электронные компоненты. 2003. - №2. - С. 23-26."

17. Каталог «Датчики. Преобразователи. Системы». Пенза: ФГУП «НИИ физических измерений», 2008.

18. Лебедев Д.В. О выборе физических принципов измерения давления. //Датчики и системы, 2007. № 6 - С. 25-27.

19. Лебедев Д. В., Селифанова В. В. О глубине модуляции и нелинейно112сти емкостных тонкопленочных квазидифференциальных датчиков давления //Датчики и системы, 2007. № 7 - С. 29-31.

20. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические 'измерения физических величин- (измерительные преобразователи) Л.: Энергоатомиздат, 1983. -320 с.

21. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля pi измерения. М.: Энергия, 1976. -392 с.

22. Михаль Брихта. Преобразователи емкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора // Компоненты и технологии. 2006. - №1 - С. 3436.

23. Мокров Е.А. Интеллектуальные измерительные системы в ракетно-космической технике / Е.А. Мокров, В.Н. Новиков, Б.В, Чувыкин, С.А. Исаков // Материалы Международной научной конференции. Т.1-Таганрог: Изд-во ТРТУ,2005.- С. 121-122.

24. Носенко Ю.И. Вступительное слово // «Датчики и системы»: сборник трудов ВНПК (Россия, Москва, 30-31 мая 2006 г.). Пенза: ФНПЦ ФГУП «НИИ физических измерений», 2006. - С. 4.

25. Осадчий ЕЛ., Строганов М.П., Шкодырев В.П. Методы коррекции сигналов датчиков с применением ЦВМ: Учебное пособие Пенза: изд-во ППИ, 1987.-48 с.

26. ОСТ 92-4279-80. Отраслевая система метрологического обеспечения качества. Преобразователи измерительные. Методика определения метрологических характеристик.

27. Патент 2 247 325. Российская Федерация, МПК G01D3/028. Способ температурной корректировки передающей функции датчика физической величины //КоровинК.В. заявл. 08.01.2003, опубл. 27.02.2005Бюл. №6.113

28. Патент 2128 781. Российская Федерация, МПК G01D18/00, 3/02, 3/028. Датчик с улучшенной компенсацией // Джогеш Варриор, Скотт Е. Бригхам, Гари А. Ленз. заявл. 17.01.1995, опубл. 27.09.1999:

29. Патент 2 145 703. Российская Федерация, МПК G01L19/04. Преобразователь давления с вынесенной герметичной диафрагмой и контуром коррекции и способ измерения давления // Гетшоу Роберт А. заявл. 28.02.1995, опубл. 20.02.2000.

30. Пащенко В.В., Маланин В.П. Анализ схем коррекции температурных погрешностей параметрических датчиков // Приборы и системы управления, 1991. -№2-С. 19-20.

31. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под. редакциейЕ.П. Осадчего. -М.: Машиностроение, 1979. 480 с.

32. Рахманов A.A. Вступительное слово // «Датчики и системы»: сборник трудов ВНПК (Россия, Москва, 30-31 мая 2006 г.). Пенза: ФНПЦ ФГУП «НИИ физических измерений», 2006. - С. 5.

33. РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.

34. Сайг ЗАО «ПГ «Метран» Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.metran.ru.

35. Сайт ОАО «НИИФИ» Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.niifi.ru.

36. Сайт компании Acam-Messelectronic GMBH Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.acam.de, http://www.acam-usa.com.

37. Сайт компании Analog Devices Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.analog.com.

38. Сайт компании Freescale Semiconductor Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.freescale.com.

39. Сайт компании Honeywell Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.honeywell.com.

40. Сайт компании Rosemount Inc. Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.emersonprocess.ru.

41. Сайт компании Silicon Laboratories Inc. Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.silabs.com.

42. Туричин М.А. Электрические измерения неэлектрических величин /под ред. П.В. Новицкого. М. - JL: Энергия, 1966. - 690 с.

43. Фрайден Дж. Современные датчики: Справочник М.: Техносфера, 2005. - .592 с.

44. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1986.704 с.

45. Эпштейн С.Л. Измерение характеристик конденсаторов. Л.: Энергия, 1971.-325 с.

46. Prudenziati М. Handbook of Sensors and Actuators (vol. 1). Thick Film Sensors / University of Modena, Modena, Italy ELSEVIER, 1994.

47. Steven W. Smith. The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing / San Diego, California, California Technical Publishing 1999.

48. Yamasaki H. Handbook of Sensors and Actuators (vol. 3). Intelligent Sensors / Yokogawa Research Institute Corporation, Tokyo, Japan ELSEVIER, 1996.