автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Анализ и синтез измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем

004618527

На правах рукописи

ГРОМКОВ Николаи Валентинович

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 4 ОПТ 2010

ПЕНЗА 2010

004610527

Работа выполнена на кафедре «Нано- и микроэлектроника» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Васильев Валерий Анатольевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Батищев Виталий Иванович; доктор технических наук, профессор Шумилов Юрий Петрович; доктор технических наук, профессор Цыпин Борис Вульфович.

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро РАН» (ФГУП «ЭЗАН»), Черноголовка, Московская обл.

Защита диссертации состоится « Л* » рх-я^-сУг^ 2010 г., в «^» 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 можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет», автореферет размещен на сайте ВАК.

Автореферат разослан «» с 20Ю г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Технический прогресс и развитие различных отраслей промышленности связаны с созданием и внедрением информационно-измерительных систем (ИИС) и автоматизированных систем управления. Развитие измерительных систем контроля и управления характеризуется широким использованием измерительных преобразователей различных физических величин в электрические сигналы, удобные для последующей обработки и передачи на значительные расстояния. Измерительные преобразователи (первичные и вторичные) являются важной частью любой ИИС и в значительной степени определяют ее метрологические характеристики. Среди большого многообразия выпускаемых первичных измерительных преобразователей датчики резистивного типа (тензорезисторные, терморезистор-ные, пьезорезисторные и т.п.) занимают особое место в силу своей многофункциональности при измерении давлений, температур, механических деформаций и перемещений, ускорений и др., а также простоты схемной реализации измерительной цепи (ИЦ), высокой технологичности, надежности и возможности адаптации к преобразователям аналоговых сигналов в частоту или код. В датчиках резистивного 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, собранных по мостовой схеме, и может быть представлен в виде постоянного или переменного напряжения, тока.

Основные трудности при разработке ИИС с датчиками резистивного типа связаны с малыми приращениями информативного сигнала с выхода ИЦ первичных преобразователей (как правило, единицы милливольт, поскольку допустимая рассеиваемая мощность на резистив-ных элементах датчиков ограничена). При этом помехи, возникающие в тракте передачи сигнала к устройствам преобразования и обработки, могут во много раз превышать уровень полезного сигнала. Кроме того, сказываются погрешности от влияния неинформативных параметров. Например, при измерении давления неинформативным параметром является температура измеряемой и окружающей сред, а при измерении температуры - давление, влажность и т.п.

Для работы с датчиками резистивного типа широкое применение в ИИС получили вторичные измерительные преобразователи параметров датчиков в частоту. Интерес к данным измерительным преобразователям обусловлен рядом достоинств частотного представления информации: при использовании частотных преобразователей открывается возможность достижения более высокой точности измерения; частотный сигнал обладает значительно более высокой помехоустойчивостью и малой чувствительностью к изменению параметров линий связи; обработка частотных сигналов и их точное интегрирование по времени выполняются достаточно просто. Преобразование сигналов с выхода первичных измерительных преобразователей в частоту может осуществляться как на основе резонансных методов, так и с использованием современных микропроцессоров. Вместе с тем перспективным направлением создания частотных измерительных преобразователей параметров датчиков резистивного типа является построение их на основе метода интегрирующего развертывающего преобразования. Достоинствами таких преобразователей являются широкие функциональные возможности, относительная простота реализации и настройки схем, технологичность.

Результаты деятельности многих коллективов по разработке датчиков резистивного типа позволили значительно уменьшить погрешность преобразования первичных измерительных преобразователей (датчиков) физических величин путем использования конструктивно-технологических, схемотехнических и других методов. Однако многие задачи уменьшения погрешностей и устранения влияния дестабилизирующих факторов (широкого диапазона температур окружающей среды, изменения параметров линий связи, нестабильности источников питания и т.д.) остаются нерешенными и требуют дальнейших исследований.

Разработчики вторичных измерительных преобразователей сигналов с датчиков в унифицированные частотно-временные сигналы добились высоких результатов при разработке схем преобразователей сигналов с датчиков резистивного типа, но при этом не всегда учитываются изменения параметров выходных сигналов с первичных датчиков от воздействия дестабилизирующих факторов. Требуется комплексное исследование проблемы уменьшения погрешностей как первичных, так и вторичных измерительных преобразователей.

Теоретические основы проведенных исследований базируются на анализе и обобщении научных результатов в области создания измерительных преобразователей ИИС, структурных методов повышения точности измерения физических величин, обеспечивающих коррекцию погрешности за счет введения аппаратурной или временной избыточности измерения электрических величин. Значительный вклад в теорию и практику измерения пассивных электрических величин внесли научные коллективы, руководимые Л. И. Волгиным, Ф. Б. Гриневичем, К. Б. Карандеевым, В. Ю. Кнеллером, Л. Ф. Куликовским, Е. А. Ломте-вым, А. И. Мартяшиным, П. В. Новицким, П. П. Орнатским, Е. П. Осад-чим, Ю. А. Скрипником, Ю. М. Тузом, Э. К. Шаховым, В. М. Шлянди-ным, Г. А. Штамбергером и др.

В области разработки и производства измерительных преобразователей лидируют фирмы США, Японии, Германии, Швейцарии, Великобритании, Франции: «OMEGA», «Nagano Keiki», «ADZ Nagano», «Тга-fag AG», «Bell & Howell», «Setra Sistem», «METALLUX», «Gefran», «Wika», «GFS», «Datametrics», «Siemens AG», «Endress & Hauser», «Ro-semount», «Boeinq Co», «Meclec Co», «Fischer & Porter» и др.

В России измерительные преобразователи разрабатывают и серийно изготавливают ОАО «НИИ физических измерений», ОАО «Эн-гельское ОКБ "Сигнал" им. А. И. Глухарева», ОАО «НЛП "Темп" им. Ф. Короткова», ООО «Сенсор», НЛП «Элемер» и др.

Однако на сегодняшний день в измерительных преобразователях, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью, метод интегрирующего развертывающего преобразования не нашел широкого применения из-за недостаточных исследований его возможностей и путей практической реализации существующих частотных интегрирующих развертывающих преобразователей (ЧИРП), основанных на данном методе. Известные ранее ЧИРП не позволяют обеспечить необходимую точность преобразования сигналов при работе с датчиками резистивного типа при воздействии на них дестабилизирующих факторов, таких как нестационарная температура (термоудар), температура в широком диапазоне и т.п. Недостаточно исследованы методы и средства компенсации температурной погрешности и влияние шумов на результирующую погрешность измерительных преобразователей. Не изучены возможности совмещения функций элементов датчиков и ЧИРП для улучшения характеристик измерительных преобразо-

вателей в целом как частей информационно-измерительных и управляющих систем.

Исследование теоретических и практических проблем создания измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для ИИС является актуальным, так как частотное преобразование позволяет уменьшить погрешность преобразования, снизить энергопотребление, унифицировать аппаратуру обработки информации и повысить надежность информационно-измерительных и управляющих систем.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем, обладающих улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Задачи исследования:

1. Анализ систематических Погрешностей измерительных преобразователей физических величин для ИИС с целью установления закономерностей влияния собственных шумов элементов схем на аддитивную погрешность ЧИРП.

2. Исследование влияния дестабилизирующих факторов (широкого диапазона температур окружающей среды, параметров линий связи, нестабильности источников питания и т.д.) на результирующую погрешность измерительных преобразователей.

3. Определение предельных точностных характеристик ЧИРП с целью выявления наиболее перспективных структур преобразователей сигналов датчиков резистивного типа.

4. Исследование методов уменьшения влияния собственных шумов элементов схем на порог чувствительности и разработка рекомендаций по рациональному использованию методов и средств коррекции случайной погрешности с целью минимизации порога чувствительности ЧИРП при сохранении всех положительных свойств интегрирующих развертывающих преобразователей и уменьшения результирующей погрешности измерительной системы.

5. Разработка моделей и структур частотных интегрирующих развертывающих преобразователей параметров датчиков резистивного типа, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов, для информационно-измерительных и управляющих систем.

6. Исследование возможностей совмещения функций элементов первичных и вторичных измерительных преобразователей и разработка новых технических решений измерительных преобразователей на основе датчиков резистивного типа и ЧИРП для информационно-измерительных и управляющих систем, устойчивых к воздействию широкого диапазона стационарных и нестационарных температур и нестабильности источников питания.

Объект исследования - измерительные преобразователи с частотным выходным сигналом на основе датчиков резистивного типа и ЧИРП для информационно-измерительных и управляющих систем.

Основные методы научных исследований.

Исследования базируются на дифференциальном и интегральном исчислениях, на классической теории электрических цепей, теории графов, теории чувствительности, теории погрешностей, теории функций комплексного переменного, на структурных методах повышения точности измерения активных величин и системном анализе.

В процессе исследований использовались методы математического анализа, натурных испытаний, компьютерного имитационного моделирования и численного анализа.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждена непротиворечивостью и сходимостью теоретических выводов с общепринятыми основами теории построения измерительных преобразователей и результатами экспериментальных исследований, полученными в рамках выполнения договорных и госбюджетных работ.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем.

1. Установлена закономерность влияния собственных шумов элементов схемы на аддитивную погрешность ЧИРП при различных методах ее коррекции с учетом распределения мощности шумов по спектру частот.

2. Выведены выражения для оценки случайной погрешности, обусловленной собственными шумами элементов схемы, с использованием предложенной математической модели усилителя постоянного тока с периодической коррекцией.

3. Получены передаточные функции частотных измерительных преобразователей и выработаны рекомендации для проектирования

частотных преобразователей сигналов датчиков давления резистив-ного типа, собранных по мостовой схеме, учитывающие влияние дестабилизирующих факторов: воздействия широкого диапазона температур окружающей среды, нестабильности источников питания и параметров линии связи.

4. Определены предельные точностные характеристики и получены условия минимизации порога чувствительности усилителей постоянного тока с периодической коррекцией погрешности нуля, реализация которых позволяет уменьшить порог чувствительности ЧИРП на два десятичных порядка.

5. Предложена математическая модель, учитывающая воздействие «фликкер-шумов», позволяющая аналитическим путем исследовать их влияние на случайную погрешность преобразования ЧИРП.

6. Предложен алгоритм эффективной коррекции случайной погрешности усилителей постоянного тока от воздействия «фликкер-шумов», предусматривающий определение конечных разностей высоких порядков от интегральных значений шумового сигнала.

7. Установлено оптимальное соотношение между постоянной времени корректирующего канала и параметрами схемы ЧИРП при заданной динамической погрешности для преобразователей с модуляцией выходного сигнала измерительной цепи датчиков резистивного типа, собранных по мостовой схеме, которые содержат каналы коррекции в виде звена обратной связи, состоящего из последовательно включенных амплитудного ограничителя и интегратора.

8. Разработаны модели и структуры ЧИРП параметров датчиков давления резистивного типа для ИИС, инвариантных к нестабильности источников питания и изменениям параметров линий связи.

9. Предложены новые технические решения измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом, реализующие совмещение функций элементов первичных и вторичных измерительных преобразователей на основе нано- и микроэлектромеханической системы и ЧИРП, обеспечивающие устойчивость к воздействию стационарных и нестационарных температур и инвариантность к нестабильности источников питания.

Практическая ценность работы.

1. Предложена классификация методов построения ЧИРП, обобщающая известные технические решения, разграничивающая области

их предпочтительного применения и позволяющая определять пути дальнейшего совершенствования измерительных преобразователей.

2. Разработана математическая модель для описания свойств «фликкер-шумов», которая удобна для аналитического исследования, позволяет учитывать влияние собственных шумов элементов схем на точность преобразования и может быть использована при разработке измерительных преобразователей.

3. Дана дисперсионная оценка порога чувствительности ЧИРП с периодической коррекцией и показано, что при использовании периодической коррекции инфранизкочастотных шумов порог чувствительности измерительных преобразователей уменьшается более чем в 100 раз.

4. Предложен метод конечных разностей высоких порядков от интегральных значений сигнала шума для коррекции аддитивных погрешностей ЧИРП, позволяющий на порядок уменьшить порог чувствительности в условиях флуктуации температуры.

5. Выявлены условия, при выполнении которых постоянная времени корректируемого канала не влияет на статические и динамические характеристики ЧИРП, что позволяет определить оптимальные параметры элементов измерительных преобразователей.

6. Определены условия минимизации порога чувствительности усилителя постоянного тока с периодической коррекцией погрешности нуля и даны оценки случайных погрешностей, которые позволяют повысить точность измерительных преобразователей, выполненных на операционных усилителях.

7. Разработана математическая модель ЧИРП с корректирующим каналом, учитывающая погрешности, обусловленные несимметрией напряжения питания измерительной цепи, дрейфом нуля операционного усилителя интегратора по току и по напряжению, т.е. факторами, ограничивающими порог чувствительности. Модель позволяет оценивать эффективность коррекции погрешности преобразования при разработке ЧИРП.

8. Разработаны новые структуры ЧИРП, совмещенные со структурами резистивных датчиков давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем, обеспечивающие минимизацию температурных погрешностей в широком диапазоне стационарных и нестационарных температур и устойчивые к нестабильности источников питания, которые могут быть использованы при создании измерительных

преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем.

Реализация и внедрение результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)».

Мероприятие 1. Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов. Регистрационный номер: 1.11.09.

Мероприятие 2. Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки. Наименование проекта: Проведение фундаментальных научных исследований свойств тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем при воздействии стационарных и нестационарных температур. Регистрационный номер: 2.1.2/4431.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы ОАО «НИИ физических измерений», г. Пенза; ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко», ЗАТО, г. Заречный; ФГУП «НИИАА», г. Москва.

Математические модели ЧИРП и другие результаты диссертационной работы используются ГОУ ВПО «Московский государственный институт электроники и автоматики (технический университет)» на факультете радиотехнических систем, ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» на кафедре «Нано- и микроэлектроника» в учебном процессе студентами старших курсов при выполнении курсового и дипломного проектирования.

На защиту выносятся:

1) принципы построения измерительных преобразователей параметров резистивных датчиков с частотным выходным сигналом, устойчивых к воздействию температур, нестабильности питающих напряжений, изменению параметров линий связи;

2) совокупность математических моделей, учитывающих собственные шумы элементов схем ЧИРП и позволяющих аналитическим путем исследовать влияние шумов на случайную погрешность преобразования;

3) алгоритм коррекции случайной погрешности от воздействия фликкер-шумов;- предусматривающий определение конечных разностей высоких порядков от интегральных значений шумового сигнала, обеспечивающий повышение точности преобразования ЧИРП;

4) методики исследований точностных характеристик ЧИРП, основанные на получении передаточных функций и дисперсионных оценок шумов, позволяющие определять предельные точностные характеристики ЧИРП и выявлять наиболее перспективные структуры преобразователей сигналов датчиков резистивного типа;

5) метод оценки случайной погрешности, обусловленной собственными шумами элементов схемы, основанный на предложенной математической модели усилителя постоянного тока с периодической коррекцией, позволяющий минимизировать порог чувствительности ЧИРП и уменьшать результирующую погрешность измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом;

6) структуры ЧИРП, совмещенные со структурами резистивных датчиков давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем, обеспечивающих минимизацию температурных погрешностей в широком диапазоне стационарных и нестационарных температур и устойчивых к нестабильности источников питания.

Апробация работы. Основные положения диссертации, результаты проведенных исследований, опыт практического применения разработок докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, всесоюзных, региональных и отраслевых научно-технических симпозиумах, конференциях и семинарах: «Надежность и качество» (Пенза, 2010, 2009, 2008 гг.), «Инновация в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» Инфо-2009, 2008 (Сочи,

2009, 2008 гг.), «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2009,

2008 гг.), «Современные информационные и электронные технологии» СИЭТ-2010, 2009, 2008 (Украина, Одесса, 2010, 2009, 2008 гг.), «Измерение, контроль, информатизация» ИКИ-2010, 2009, 2008 (Барнаул,

2010, 2009, 2008 гг.), «Методы создания, исследования микро-, нано-систем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники» (Пенза,

2009 г.), «Университетское образование» (Пенза, 2010, 2009, 2008 гг.), «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами САО/САМ/САЕ/РОМ» (Пенза, 2009 г.),

«Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2009, 2008, 2007 гг.), «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (Пенза, 2009 г.), «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2008 г.), «Инноватика-2008» (Ульяновск, 2008 г.), «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросхемы» (Ульяновск, 2010, 2008 гг.), CIT-CONFERENCE «Современные информационные технологии-2008» (Пенза, 2008 г.), «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (ИТ) (Н. Новгород, 2008 г.), «Аналитические и численные методы моделирования естественно-научных и социальных проблем» (Пенза, 2008, 2007 гг.), «Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем» (Пенза, 2008 г.), «Материалы, изделия и технологии пассивной электроники-материалы» (Пенза, 2007 г.), «Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов» (Уфа, 1989 г.), «Интегрирующие частотные времяимпульсные преобразователи и цифровые средства измерения на их основе» (Пенза, 1987 г.), «Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления» (Пенза, 1986 г.), «Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров неэлектрических сигналов и цепей» (Москва, 1981 г.), «Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве» (Кишинев, 1979 г.), «Методы и средства преобразования электрических величин в частотно-временные сигналы и их применение в цифровых средствах измерений» (Пенза, 1980 г.), «Коммутация и преобразование малых сигналов» (Ленинград, 1980 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 73 научных труда, в том числе монография, учебное пособие, получены 2 патента РФ, 5 положительных решений о выдаче патента РФ, 8 авторских свидетельств СССР на изобретения. Отдельные результаты отражены в отчетах по НИР. Основные положения диссертации полностью представлены в опубликованных работах.

Личный вклад. Диссертационная работа является обобщением исследований автора по проблемам создания измерительных преобразователей параметров тензорезисторных датчиков давления с частотным выходным сигналом, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов, для информационно-измерительных и управляющих систем

с 80-х гг. прошлого столетия по 2010 г. Эти работы автором выполнены лично, по инициативе его научного консультанта и по собственной инициативе, или совместно с сотрудниками, работающими с ним и под его руководством.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Она содержит 447 страниц основного текста, 183 иллюстрации, список литературы из 180 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении проведен краткий анализ предмета исследования, обоснованы актуальность работы, цель и задачи диссертационного исследования, указаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные концепции развития первичных и вторичных измерительных преобразователей ИИС, проведен анализ ИИС, приведены их классификация, анализ измерительных преобразователей и схемы их включения в ИИС. Определены место и роль датчиков резистивного типа, используемых для преобразования физических и механических величин, отмечены их достоинства и недостатки. Рассмотрены способы преобразования выходных сигналов малого уровня с резистивных датчиков в электрические сигналы, удобные для дальнейшей передачи, хранения и обработки в информационно-измерительных и управляющих системах. Отмечены достоинства частотных преобразователей для резистивных датчиков.

Применение системного подхода и системного анализа при исследовании и разработке ИИС с частотными преобразователями сигналов датчиков резистивного типа позволило рассмотреть ИИС как систему, состоящую из подсистем, провести анализ основных их элементов и узлов, выявить связи между подсистемами и отдельными элементами системы. На основании системного анализа определены основные факторы, влияющие на погрешность преобразования, как отдельных подсистем, так и системы в целом.

В соответствии с целью диссертационной работы сформулированы научные и практические задачи, решение которых позволило реализовать основную идею работы.

Во второй главе проведен аналитический обзор существующих методов и средств построения ЧИРП параметров резистивных датчиков. Показано, что одним из наиболее перспективных направлений создания частотных преобразователей параметров резистивных датчиков является построение их на основе метода интегрирующего развертывающего преобразования. Достоинствами преобразователей подобного типа являются широкие функциональные возможности, помехоустойчивость, простота реализации и настройки схем, технологичность. Рассматриваются свойства и особенности интегрирующего развертывающего преобразования, методические и инструментальные погрешности интегрирующих развертывающих преобразователей и способы их уменьшения.

Основные трудности при построении ЧИРП параметров резистивных датчиков связаны с решением задачи обеспечения минимальной аддитивной погрешности ввиду малых уровней выходного сигнала ИЦ, поскольку на точность преобразования сильное влияние оказывают дрейф нуля усилителей выходного сигнала ИЦ, собственные шумы элементов схемы и паразитные наводки во входных цепях.

Известные схемотехнические решения ЧИРП с переменным напряжением питания ИЦ отличаются наиболее простым схемным исполнением и относительно высокой точностью, но имеют ограниченную на практике область применения (только при коротких соединительных линиях с датчиком).

ЧИРП с постоянным напряжением (током) питания и модуляцией выходного сигнала ИЦ характеризуются ограниченным сверху диапазоном изменения выходной частоты и, как следствие, низким быстродействием, а также значительным числом источников погрешности (неидеальность коммутационных элементов, влияние изменений активных сопротивлений соединительных линий). Кроме того, обеспечение инвариантности относительно напряжения питания ИЦ сопровождается резким усложнением схемы с появлением дополнительных источников погрешности, что в ряде случаев сводит на нет получаемые преимущества.

Построение ЧИРП, удовлетворяющих необходимым требованиям в большинстве практических случаев, возможно в рамках подкласса преобразователей с постоянным напряжением (током) питания и без модуляции выходного сигнала ИЦ. Однако исследования и разработки

в этом направлении встречают наибольшие трудности, преодоление которых определило необходимость разработки принципиально новых технических решений и идей.

В данной главе систематизированы методы построения ЧИРП, представленные в виде классификации (рис. 1).

Рис.1. Классификация частотных интегрирующих развертывающих преобразователей (ЧИРП)

В третьей главе исследованы методы снижения порога чувствительности ЧИРП без модуляции выходного сигнала ЙЦ с периодической коррекцией. При исследовании условий минимизации порога чувствительности преобразователей прежде всего приходится решать вопрос выбора корректной модели шумов элементов схемы, поскольку от вида модели существенно зависит не только адекватность описания исследуемых явлений, но и удобство ее использования, имеется в виду получение аналитического решения поставленной задачи. Описывается влияние «белого шума», обусловленного тепловым шумом за счет наличия в полупроводниках свободных электронов и дробовым шумом, вызываемым диффузией неосновных носителей, и «фликкер-шума», обусловленного поверхностными явлениями в полупроводниках. Зависимость спектральной плотности «белого шума» от частоты ш предлагается рассматривать в ограниченной полосе:

Сбш(о>) = —О)

где О0 - спектральная плотность реального «белого шума»; 1/ту -

полоса пропускания полупроводникового прибора, например, операционного усилителя.

Влияние «фликкер-шума» целесообразно исследовать в полосе частот от (й£ до сос(а>£ - либо наименьшая частотная составляющая шума, которую мы можем заметить за время наблюдения Г„, т.е. соI = 1 /Г„, либо верхняя граничная частота полосы скорректированного шума; сос - частота среза «фликкер-шума»). Учитывая, что реально гиперболическая зависимость спектральной плотности «фликкер-шума» простирается от единиц килогерц до инфранизких частот порядка Ю-5—10-45 Гц, т.е. охватывает диапазон в 9-10 декад, автор предлагает следующее приближенное описание спектральной плотности «фликкер-шума»:

= -22 -У103; 2 2(;. (2)

/=0 (1 + © т 10 111 + со т 10 ' ' I где т = 1/юс; Ь - коэффициент, полученный графоаналитическим методом из графика функции С(со, т) (2, = 0,15); С(со, т) - сумма функционального ряда. Пределы суммирования выбираются из условия, что реально «фликкер-шум» имеет смысл учитывать в частотном диапазоне, перекрывающем 10 декад. Соответственно выражение для корреляционной функции имеет вид

X X

л о т /=0

Юе тЮ1'-1 т10г

,(3)

где X - аргумент корреляционной функции.

Предложенная формула (2) для описания свойств «фликкер-шу-мов» удобна для аналитического исследования влияния собственных шумов элементов схемы на точность преобразования.

Физический смысл модели (2) заключается в том, что «фликкер-шум» формируется как результат суммирования выходных величин ряда параллельно включенных полосовых фильтров, на входы которых подается «белый шум» (рис. 2). При этом полосовые фильтры имеют примыкающие полосы пропускания. Гиперболический харак-

тер изменения «фликкер-шума» обеспечивается выполнением условия равенства дисперсий шумов на выходах полосовых фильтров. В данном случае при уменьшении полосы пропускания /-го полосового фильтра на декаду соответственно увеличивается в 10 раз размер спектральной плотности «белого шума», поступающего на вход данного фильтра. С использованием принятой модели (см. рис. 2) проведено исследование влияния «фликкер-шумов» на точность преобразования ЧИРП с периодической коррекцией. Дана дисперсионная оценка порога чувствительности и показано, что для инфранизкочастотных шумов периодическая коррекция позволяет на порядок уменьшить порог чувствительности ЧИРП.

Рис. 2. Модель описания спектральной плотности «фликкер-шума»

Предложено использовать для коррекции аддитивных погрешностей ЧИРП метод, предусматривающий определение конечных разностей высоких порядков от интегральных значений сигнала шума. Сущность метода можно пояснить на примере определения второй конечной разности.

В процессе периодической коррекции в первом цикле преобразования измеряется значение выходной частоты частотного преобразователя при отключенной ИЦ. Зафиксированный код будет равен

т

(К,(4)

о

где 51 - чувствительность преобразователя; Т - длительность частного цикла преобразования; Еш и 4(0 ~ соответственно систематическая и случайная составляющие сигнала шума.

Во втором цикле частотный преобразователь подключается к выходу ИЦ и выходной код берется с двойным весом:

"г^Ц-рх+Е^+т]*, (5)

т

где их - выходное напряжение ИЦ.

В третьем цикле преобразования ИЦ отключается от входа преобразователя и выходной код будет равен

ът

ЛзНрД*«+«'>]*. (6)

т

1 г т

Результат преобразования получается следующим образом:

Гг 2Г 3Т

(7)

_0 Т 2 Т

Как видно из выражения (7), порог чувствительности определяется второй конечной разностью интегральных значений собственных шумов элементов схемы, поскольку примыкающие интегральные значения сигнала шума берутся с весами +1, -2, +1.

Для оценки порога чувствительности и эффективности коррекции шумов ЧИРП предложена модель, представленная на рис. 3,а, которая отображает процесс интегрирования и процесс получения второй конечной разности, т.е. реализации весовой функции, представленной на рис. 3,6. Передаточная функция рассматриваемой системы имеет вид

Н2(Р)= т } • (8)

рт

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), соответствующая данной передаточной функции, определяется выражением

1Я2 0Щ=

зт3П/2

(9)

(на рис. 3,в пунктиром показан график АЧХ для первой конечной раз ности |#1 (Д2)|).

Применение данного метода коррекции позволяет существенно (на порядок) уменьшить порог чувствительности по сравнению с обычным методом периодической коррекции, особенно в условиях флуктуаций температуры.

Полученные аналитические выражения показывают, что для эффективного уменьшения порога чувствительно- а _ модель; б - весовая функция; в - АЧХ ста первую конечную разность наиболее рационально использовать в том случае, когда ЧИРП находятся в условиях постоянной температуры окружающей среды и порог чувствительности ограничивается только влиянием собственных шумов элементов схемы. Применение конечных разностей более высоких порядков для данного случая не дает ощутимого эффекта. При коррекции шумов ЧИРП, обусловленных флуктуациями температуры, применение конечных разностей более высокого порядка оказывается более эффективным для снижения порога чувствительности по сравнению с использованием конечной разности первого порядка.

Следует отметить, что результаты проведенного исследования применимы не только к анализу соответствующих характеристик ЧИРП параметров пассивных электрических величин, но и к анализу таких средств измерений, как преобразователи напряжения в частоту, преобразователи напряжения в интервал времени и другие преобразователи, в которых используется метод периодической коррекции аддитивной погрешности. Это связано с тем, что механизм влияния собственных шумов элементов схемы на точность преобразования указанных средств измерения носит аналогичный характер.

В четвертой главе исследованы методы снижения порога чувствительности ЧИРП без модуляции выходного сигнала ИЦ с непрерывной коррекцией. Рассматриваются вопросы оптимального выбора параметров корректирующего канала, влияние их на точность операции интегрирования в ЧИРП. Основным фактором, ограничивающим точ-

щ

У, R -э-О-

"в"

игш

ность, является наличие собственных шумов операционного усилителя (ОУ) интегратора, а также температурный дрейф нуля интегратора. Введение корректирующего канала позволяет уменьшить порог чувствительности ЧИРП, однако для достижения предельных точностных характеристик необходимо специальным образом организовывать связь между ИЦ и интегратором.

На рис. 4 изображено соединение интегратора, содержащего корректирующий канал, с измерительной цепью, где Uo - источник питания ИЦ, содержащей резистивный датчик; Rh С - сопротивление и

емкость времязадающей цепи интегратора. Корректирующий канал КК выполнен в виде последовательно соединенных усилителя постоянного тока с коэффициентом передачи Кк и фильтра нижних частот (интегрирующей RC-цепочки с постоянной времени ЯфСф). Напряжения смещения нуля ОУ интегратора и корректирующего канала обозначены в виде источников напряжения соответственно Еш и Ек. Выходные потенциалы измерительной цепи обозначены Ui и Uг. Исследование данной схемы проводилось топологическим методом расчета с использованием обобщенных сигнальных графов.

Для оценки эффективности коррекции низкочастотных шумов получены передаточные функции трактов преобразования от точки приложения эквивалентных шумовых напряжений Еш ОУ интегратора и Ек корректирующего канала до выхода интегратора:

сф

Рис. 4. Схема включения корректирующего канала (КК)

НЕ(р) =

RCp(KK +1)

KK{l + RCp)

1

1 + —■ 4 р К„+ V

RCp(KK+1)

1 + -

RfoC,

(10)

(И)

ф^ф

где ЯС = х- постоянная времени интегратора; ЛфСф =тф - постоянная времени корректирующего канала; Кк - коэффициент передачи

корректирующего канала.

Анализ выражений (10) и (11) и соответствующих логарифмических АЧХ показывает, что для эффективной коррекции шумов ОУ следует выполнять неравенство

т.е. минимального порога чувствительности можно добиться путем увеличения коэффициента передачи корректирующего канала и минимизации собственных шумов корректирующего канала.

Показано, что для устранения влияния постоянной времени корректирующего канала на статические и динамические характеристики ЧИРП следует уменьшать до нуля синфазную составляющую выходного сигнала ИЦ и по возможности увеличивать коэффициент передачи Кк корректирующего канала. Альтернативным решением может служить стабилизация коэффициента Кк и входного синфазного напряжения интегратора. Последнее может быть достигнуто стабилизацией напряжения питания ИЦ.

Как показали исследования, наиболее перспективным является использование в качестве корректирующего канала усилителей с коррекцией напряжения смещения нуля.

Разработаны математическая модель и методика анализа влияния собственных шумов корректирующего канала, выполненного в виде усилителя постоянного тока (УПТ) с периодической коррекцией погрешности нуля.

Исследованы схемы коррекции собственных шумов элементов схемы на базе одного и двух ОУ. При анализе условий достижения минимума порога чувствительности было учтено, что дрейф ОУ - изменяющаяся во времени величина, которая обусловлена как дрейфом по напряжению, так и дрейфом входных токов с учетом динамики происходящих процессов.

На рис. 5 приведена функциональная схема усилителя постоянного тока с коррекцией собственных шумов элементов схемы на базе одного операционного усилителя. Найдены условия минимизации порога чувствительности усилителя постоянного тока данного типа. Показа-

но, что возможно снижение порога чувствительности примерно в 100 раз (по сравнению со схемой без коррекции) при выполнении полученных оптимальных соотношений между параметрами схемы:

(13)

71 убоЯ^ '

где Т\мТ2- соответственно длительности циклов запоминания и коррекции сигнал-шума; о - коэффициент, равный 104 Гц; Я - токоза-дающее сопротивление заряда запоминающей емкости; С1- спектральная плотность шумовой составляющей от входного тока усилителя постоянного тока.

Л2

ивх2

Кл1> ■Юй.

ОУ

и,

ЕЫХ

_>'

-ГЦ;

ги

гл

ВЫХ ¿С

ш

ихк*

а б

Рис. 5. УПТ с коррекцией собственных шумов на одном ОУ : а — функциональная схема; б - временные диаграммы

Показано, что наиболее перспективным с точки зрения достижения минимума порога чувствительности является корректирующий канал в виде поочередно корректируемых усилителей постоянного тока (рис. 6), для которых определено условие минимизации влияния собственных шумов элементов схемы в виде следующего соотношения:

и в,

АС2иУк

(14)

где ^ - частота задающего генератора управляющих импульсов; С - запоминающая емкость; С/к - амплитуда управляющих импульсов; тк - постоянная времени цепи управляющих импульсов, которая в основном зависит от размеров проходных и переходных емкостей

электронных ключей. Практически диапазон оптимальных значений Гп лежит между частотами от 0,1 до 10 Гц, что следует из подстановки

с коррекцией собственных шумов элементов схемы на базе двух операционных усилителей

На основании схем замещения УПТ с коррекцией собственных шумов в режиме запоминания дрейфа и в режиме его компенсации с использованием потенциально-токовых и обобщенных сигнальных графов были получены передаточные функции, разработаны структурная схема УПТ (рис. 7) и математическая модель, учитывающая коррекцию шумов в рассматриваемом УПТ. На рис. 7 условно изображено формирование выходного напряжения с учетом входного напряжения {7ВХ, усиленного в (1 + раз, и влияния соответствующих источников шума. На основании исследований математической модели получены формулы дисперсий составляющих шума (для белого и «фликкер-шума»).

Показано, что для минимизации случайной погрешности, обусловленной шумовым напряжением операционного усилителя, достаточно ограничить его полосу пропускания на уровне 1 кГц, т.е. выполнить условие т > 10"4 с. Кроме того, указанную погрешность можно уменьшать выбором параметров Т\ и Т2 генератора импульсов. Как показали расчеты, оптимальный размер скважности лежит в диапазоне от 100 до 1000, порог чувствительности УПТ с периодической коррекцией мало зависит от частоты управляющих импульсов ГИ. При выполнении всех приведенных выше рекомендаций удается снизить порог

чувствительности УПТ с коррекцией собственных шумов на одном ОУ в 100 раз.

4«.

Рис. 7. Структурная схема УПТ, учитывающая коррекцию шумов

Как показал анализ, для уменьшения влияния собственных шумов на порог чувствительности требуется, по возможности, увеличивать частоту генератора импульсов. Однако практически существует некоторый оптимум (14) частоты наличие которого объясняется тем, что с увеличением частоты все большее влияние начинают оказывать выбросы напряжения, поступающие на вход усилителя по цепям управления ключами.

Экспериментальные исследования разработанных структур ЧИРП без модуляции выходного сигнала ИЦ показали, что преобразователи с постоянным напряжением питания ИЦ и периодической коррекцией упрощают схемную реализацию.

Преобразователи с постоянным напряжением питания ИЦ и непрерывной коррекцией обладают достоинствами, позволяющими работать с длинной кабельной линией в условиях значительных изменений ее параметров, температуры окружающей среды, а также обладают возможностью расширения диапазона выходных частот в сторону высоких значений.

При испытании макетного образца рассмотренного преобразователя разбаланса тензометрического моста в частоту с параллельным МДМ-каналом выборки дрейфа нуля (рис. 8) были получены следующие технические характеристики: диапазон изменения выходной частоты преобразователя от 10 до 20 кГц при изменении относительного разбаланса тензомоста е от 0 до 2,8-103; относительная приведенная погрешность от нестабильности функции преобразования во времени не превышает 0,02 % за 3 ч работы преобразователя; относительная приведенная погрешность от изменения температуры окружающей среды от 20 до 70 °С не превышает 0,02 % на 10 °С по аддитивной составляющей и 0,01 % на 10 °С по мультипликативной составляющей; относительная приведенная погрешность нелинейности не превышает 0,08 %.

Рис. 8. Схема частотного преобразователя с параллельным МДМ-каналом выборки дрейфа нуля

В пятой главе проводятся исследования методов снижения порога чувствительности ЧИРП с модуляцией выходного сигнала ИЦ. Им свойствен общий недостаток: они принципиально не могут функционировать, если выходное напряжение ИЦ меньше приведенного ко входу интегратора напряжения смещения нуля £/см, определяемого свойствами ОУ и имеющего величину в некоторых случаях единицы милливольт. Устранить этот недостаток можно с помощью двух методов: путем включения разделительной емкости на входе интегратора и путем применения в структуре ЧИРП специального корректирующего канала. Первый метод в реальных схемах предполагает необходимость охвата интегратора отрицательной обратной связью по постоянному току и применение синхронизирующего мультивибратора,

предотвращающего эффект «засыпания» схемы в момент включения питания. Данное обстоятельство приводит к усложнению схемотехнического решения. Второй метод предложен автором и предполагает введение в структуру ЧИРП специального корректирующего канала, включенного между выходом преобразователя и входом интегратора и представляющего собой последовательно соединенные преобразователь скважности импульсов в напряжение и фильтр нижних частот.

В реальных схемах при построении интегратора на операционном усилителе всегда присутствует погрешность, обусловленная наличием напряжения смещения и входных токов операционного усилителя. Напряжение смещения С/см в процессе преобразования не изменяет своего знака, поэтому в одном полуцикле Т\ оно складывается с Ux, а в другом полуцикле Т2 - вычитается из Ux.

Результаты исследований показали следующее:

1. Погрешность от наличия напряжения смещения Еш имеет нелинейный характер.

2. Предельное минимальное значение входной величины Ux, при котором преобразователь прекращает функционировать, равно Ем.

3. Наличие Еш приводит к изменению скважности выходных импульсов.

Это подтверждается формулами (15)-(17), в которых относительная погрешность преобразования схемы без коррекции, обусловленная наличием Есы, определяется выражением

Е2

5 (15)

ЛСМ тт2 ' v '

их

скважность выходных импульсов -

0=ZL^2=^cm (16)

Т1+Т2 их

а погрешность преобразования от неравенства входных токов ОУ интегратора описывается следующим выражением:

8 (17)

'вх тт2 4 '

их

где /вх 1 и /ВХ2 - размеры входных токов по инвертирующему и неинвер-тирующему входам соответственно; и /?2 - сопротивления для соответствующих входных токов ОУ.

Кроме того, преобразователям пассивных величин в частоту свойственна погрешность, обусловленная неравенством опорных напряжений на выходе сравнивающего устройства (|+£/о| Ф |-С/о|). которая также проявляется в изменении частоты и скважности выходных импульсов.

Поскольку все три источника погрешности проявляются в виде изменения скважности выходного сигнала преобразователя, данный признак может быть использован для получения информации о размере эквивалентного напряжения смещения, вызывающего изменение скважности, и введения соответствующей коррекции на вход интегратора.

Предложенная струюурная схема коррекции показана на рис. 9, где звено обратной связи представляет собой преобразователь скважности выходных импульсов 0 в напряжение ЕЛ Эффективность работы подобной коррекции может быть оценена с помощью модели, составленной из типовых динамических

звеньев (рис. 10), где Е/см - эквивалентное напряжение смещения нуля интегратора, учитывающее влияние перечисленных выше факторов.

Скорректированный размер скважности 9К на выходе преобразователя в операторной форме описывается выражением

Рис. 9. Структурная схема ЧИРП с непрерывной коррекцией

йш{\ + рхк)_

(их+ки0)

1+-

*ких

(18)

их+кщ

и в статике (при О = сопв!)

0к =

и,

см

их+кщ

(19)

Как показывает выражение (19), уменьшение влияния эквивалентного напряжения С/см достигается увеличением величины К.

Формула погрешности преобразования при введении корректирующего канала имеет вид

т

(ких)2

(20)

где К - коэффициент передачи усилителя, используемого в звене обратной связи, увеличение которого является эффективным средством уменьшения погрешности, обусловленной наличием напряжения смещения и входных токов ОУ интегратора, а также неравенством

модулей опорных напряжений

иск (р)

й!

~ШГВ

Рис. 10. Модель ЧИРП с непрерывной коррекцией, составленная из типовых динамических звеньев

сравнивающего устройства.

Для низкочастотных шумов относительную погрешность ЧИРП логично представить в виде

5 = --

и!

(21)

где £>{ик} - дисперсия не-скомпенсированной составляющей дрейфа нуля интегратора, обусловленной собственными шумами элементов схемы. С учетом 0{ик] выражение (21) приобретает следующий вид:

6 = —

<?0юс

1 юс 1

ЬЕ-+ -<аь 2

Т-1

\ 1 + 1о8Г2

1 + Т1(Вь

(22)

я (их+Ки0У

где С/о - опорное напряжение; тк - постоянная времени звена обратной связи, Т] = ихтк /(их + Ки0). Из выражения (22) следует, что увеличение коэффициента К оказывается эффективным не только для коррекции дрейфа нуля, но и для уменьшения влияния собственных шумов элементов схемы.

Таким образом, для указанной схемы коррекции с целью уменьшения порога чувствительности следует увеличивать коэффициент К передачи корректирующего канала.

Приведенные выше рассуждения и рекомендации справедливы лишь в статике при постоянном 17х. Но, поскольку рассматриваемая система является с точки зрения динамики системой с переменным параметром, в качестве которого выступает входная величина их , исследовано влияние изменения ее на работу корректирующего канала и влияние корректирующего канала на динамику тракта преобразования напряжения их в частоту. В целях исследования динамики ЧИРП с корректирующим каналом разработана компьютерная имитационная модель, анализ которой проводился при различных исходных данных. Учитывалось влияние напряжения смещения ОУ интегратора на погрешность преобразования ЧИРП при различных значениях входной величины их, при ее скачкообразном изменении, при различных соотношениях постоянной времени корректирующего канала тк и параметров схемы ЧИРП. Указанная схема коррекции погрешности ЧИРП, как показали исследования, является весьма эффективным средством уменьшения влияния напряжения смещения и дрейфа нуля ОУ интегратора особенно в тех случаях, когда частотный преобразователь имеет функцию преобразования, исходящую из нуля.

Изменение относительной погрешности преобразования в зависимости от номера периода преобразования [я] иллюстрирует рис. 11. Для п = 0 напряжение на выходе корректирующего канала равно нулю, а погрешность, независимо от отношения постоянных времени корректирующего канала и интегратора, принимает максимальное значение. По мере компенсации выходным напряжением корректирующего канала напряжения смещения Еш ОУ интегратора погрешность убывает практически до нуля, причем, чем меньше постоянная времени корректирующего канала тк, тем быстрее осуществляется компенсация напряжения смещения Есы.

Показано, что при заданной динамической погрешности существует оптимальное соотношение между постоянной времени корректирующего канала тк и параметрами схемы ЧИРП, например, при динамической погрешности менее 0,02 % имеет место соотношение

тк =160-^^ = 1607^, (23)

где т1 - постоянная времени интегратора; £/п - напряжение порога срабатывания сравнивающего устройства; Тт[п - минимальное значение периода выходных колебаний.

Проведенные исследования позволили создать новые структуры ЧИРП, отличающиеся простотой схемной реализации и технологичностью, способные работать с различными линиями связи, с различной

чувствительностью, регулировкой начальной частоты, с исключением аддитивной погрешности от дрейфа нуля усилителя постоянного тока интегратора для работы в широком диапазоне температур при нестабильности источников питания.

Шестая глава посвящена исследованию возможностей совмещения функций элементов первичных и вторичных измерительных преобразователей и разработке новых технических решений измерительных преобразователей на основе датчиков резистивного типа и ЧИРП для информационно-измерительных и управляющих систем, устойчивых к воздействию широкого диапазона стационарных и нестационарных температур и нестабильности источников питания.

Исследование влияния топологии тензорезисторов первичных преобразователей (датчиков), являющихся неотъемлемой частью информационно-измерительных систем, на температурную погрешность и нелинейность выходного сигнала измерительных цепей позволило разработать и запатентовать термоустойчивые тонкопленочные тензо-резисторные датчики давления, предназначенные для измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур (термоудара) измеряемой среды, обладающие повышенной точностью измерения. Относительная погрешность измерения при воздействии нестационарных

преобразования § в зависимости от номера периода преобразования и

температур от 20 до минус 196 градусов по сравнению с погрешностью серийно выпускаемых промышленностью датчиков уменьшена более чем на порядок.

Измерительные цепи разработанных датчиков совместимы с разработанными автором ЧИРП, которые могут быть выполнены в интегральном исполнении и размещены в корпусе датчика. Применение ЧИРП, в отличие от микропроцессорных преобразователей, позволяет улучшить динамические характеристики в несколько раз.

Исследование возможностей совмещения функций элементов НиМЭМС и ЧИРП позволило разработать устройства для измерения давления с частотным выходным сигналом, обладающие повышенной точностью, пониженным энергопотреблением, уменьшенной погрешностью от нестабильности источников питания, которые позволяют создавать датчики дифференциального давления с установкой начальной частоты выходного сигнала при нулевом разбалансе тензомоста.

Особенность разработанных измерительных преобразователей заключается в том, что путем введения в схемы частотных преобразователей дополнительных элементов (резисторов), включенных последовательно с диагональю питания или измерительной диагональю тензомоста и выполненных из того же материала, что и тензорезисторы датчика давления, удалось скомпенсировать температурную погрешность преобразования. Дополнительные резисторы формируются на упругом элементе датчика в зоне, нечувствительной к механическим деформациям, но чувствительной к изменению температуры измеряемой среды.

Инвариантность измерительных преобразователей к нестабильности источников питания и изменениям параметров линий связи достигается наличием отрицательных обратных связей ЧИРП, которые исключают напряжение питания и сопротивление проводов линий связи из функций преобразования измерительных преобразователей.

В качестве примера на рис. 12 представлена функциональная электрическая схема одного из измерительных преобразователей для измерения давления с частотным выходом на основе НиМЭМС, гетерогенная структура которой изображена на рис. 13.

Резисторы /?1 и В2 гетерогенной структуры НиМЭМС (см. рис. 13) выполнены из того же материала, что и тензорезисторы (тензо-элементы 4) тензомоста датчика, их сопротивления равны между собой (по номиналу), могут быть кратными сопротивлению тензомоста,

сформированы на основании упругого элемента за границей мембраны в зоне, нечувствительной к механическим деформациям от давления. Введение в схему резисторов R\ и R2 уменьшает напряжение питания тензомоста ТМ, снижает мощность, выделяемую тензорезисторами, и не сказывается на чувствительности устройства, поскольку функция преобразования не зависит от напряжения питания. Снижение мощности, выделяемой тензорезисторами, позволяет снизить температуру разогрева тензорезисторов от протекающего через них тока. При этом снижается энергопотребление датчика давления. Относительная температурная погрешность на краях температурного диапазона (-150 и +150 °С) при сопротивлении тензомоста 700 Ом и при сопротивлениях резисторов RI и R2 в цепи диагонали питания тензомоста, равных 2800 Ом, составила не более 1 % при разбалансе тензомоста, равном -0,01, и менее 0,34 % - при разбалансе +0,01.

для измерения давления с частотным выходом на основе НиМЭМС

Схемы принципиальные электрические разработанных измерительных преобразователей синтезировались с помощью компьютерной программы «Micro-Сар». Результаты компьютерного моделирования разработанных схем тензорезисторных датчиков давления с частотным выходом подтвердили результаты теоретических исследований по снижению температурных погрешностей и погрешностей от нестабильности источников питания.

3

Рис. 12. Функциональная электрическая схема измерительного преобразователя

Рис. 13. Гетерогенная структура НиМЭМС

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В ходе проведенных исследований оценены возможности и определены пути совершенствования и создания новых измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем, разработаны измерительные преобразователи с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками. Основные результаты и выводы по работе заключаются в следующем:

1. Из анализа систематических погрешностей измерительных преобразователей физических величин для информационно-измерительных систем установлена закономерность влияния собственных шумов элементов схем на аддитивную погрешность частотных интегрирующих развертывающих преобразователей при различных методах ее коррекции с учетом распределения мощности шумов по спектру частот. Выведены выражения для оценки случайной погрешности, обусловленной собственными шумами элементов схемы, с использованием предложенной математической модели усилителя постоянного тока с периодической коррекцией.

2. Предложена классификация методов построения частотных интегрирующих развертывающих преобразователей, обобщающая известные технические решения, разграничивающая области их предпочтительного применения и позволяющая определять пути дальнейшего совершенствования измерительных преобразователей.

3. Исследовано влияние дестабилизирующих факторов на результирующую погрешность измерительных преобразователей. Получены передаточные функции частотных измерительных преобразователей и выработаны рекомендации для проектирования частотных преобразователей сигналов датчиков давления резистивного типа, собранных по мостовой схеме, учитывающие влияние дестабилизирующих факторов: воздействия широкого диапазона температур окружающей среды, нестабильности источников питания и параметров линий связи.

4. Изложены принципы построения измерительных преобразователей параметров резистивных датчиков с частотным выходным сигналом, устойчивых к воздействию температур, нестабильности питающих напряжений, изменению параметров линий связи, заключающиеся во введении в схемы ЧИРП корректирующих каналов в виде усилителей постоянного тока с периодической или непрерывной коррекци-

ей нуля; корректирующего канала из последовательно включенных амплитудного ограничителя и интегратора; параллельного МДМ-канала выборки нуля; звена обратной связи, состоящего из преобразователя скважности импульсов выходного сигнала в напряжение и ЯС-фильтра; отрицательной емкостной обратной связи; в совмещении функций элементов первичных и вторичных измерительных преобразователей.

5. Разработаны методики исследования характеристик ЧИРП, основанные на получении передаточных функций и дисперсионных оценок шумов, позволяющие определять предельные точностные характеристики измерительных преобразователей.

6. Определены предельные точностные характеристик ЧИРП и получены условия минимизации порога чувствительности усилителей постоянного тока с периодической коррекцией погрешности нуля, реализация которых позволяет уменьшить порог чувствительности ЧИРП на два десятичных порядка.

7. Выявлены наиболее перспективные структуры измерительных преобразователей сигналов датчиков резистивного типа с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем, способные работать при различных параметрах измерительных цепей и линий связи в широком диапазоне рабочих температур и нестабильности источников питания.

8. Разработана математическая модель, учитывающая влияние «фликкер-шумов», позволяющая аналитическим путем исследовать их влияние на случайную погрешность преобразования ЧИРП.

9. Показано, что известные алгоритмы периодической коррекции случайной погрешности позволяют существенно уменьшить составляющую этой погрешности от дрейфа нуля, но имеют малую эффективность снижения составляющей погрешности от «фликкер-шумов».

Предложен алгоритм эффективной коррекции случайной погрешности от «фликкер-шумов», предусматривающий определение конечных разностей высоких порядков от интегральных значений шумового сигнала. Такая коррекция особенно эффективна в условиях флуктуации температуры окружающей среды, а также в переходном режиме установления температурного баланса в схеме ЧИРП и при включении.

10. Исследованы методы уменьшения влияния собственных шумов элементов схем на порог чувствительности и разработаны рекоменда-

ции по рациональному использованию методов и средств коррекции случайной погрешности. Разработан метод оценки случайной погрешности, обусловленной собственными шумами элементов схемы, основанный на предложенной математической модели усилителя постоянного тока с периодической коррекцией, позволяющий минимизировать порог чувствительности ЧИРП и уменьшать результирующую погрешность измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом.

11. Обоснованы преимущества построения корректирующего канала в виде усилителя постоянного тока с периодической коррекцией погрешности нуля. Определены условия минимизации порога чувствительности усилителя постоянного тока и даны оценки случайных погрешностей. Полученные условия минимизации порога чувствительности позволяют уменьшить погрешность измерительных преобразователей, выполненных на операционных усилителях, на два десятичных порядка.

12. Выявлены легко реализуемые на практике условия, при которых динамика корректирующего канала не влияет на статические и динамические характеристики ЧИРП с непрерывной коррекцией. Показано, что при выборе надлежащего коэффициента передачи корректирующего канала порог чувствительности схемы в целом определяется лишь уровнем собственных шумов корректирующего канала.

Найдено оптимальное соотношение между постоянной времени корректирующего канала и параметрами схемы ЧИРП при заданной динамической погрешности для преобразователей с модуляцией выходного сигнала измерительной цепи датчиков резистивного типа, собранных по мостовой схеме, которые содержат каналы коррекции в виде звена обратной связи, состоящего из последовательно включенных амплитудного ограничителя и интегратора. Установлены характер и длительность переходных процессов в зависимости от параметров схемы ЧИРП и канала коррекции.

13. Разработаны модели и структуры ЧИРП параметров датчиков давления резистивного типа для информационно-измерительных и управляющих систем, инвариантных к нестабильности источников питания и изменениям параметров линий связи. Инвариантность достигается наличием отрицательных обратных связей ЧИРП, которые ис-

ключают напряжение питания и сопротивление проводов линий связи из функций преобразования измерительных преобразователей.

14. Совмещение функций элементов схем ЧИРП и измерительных цепей резистивных датчиков позволяет уменьшать или полностью компенсировать температурные погрешности измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом.

15. Разработаны новые технические решения измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом на основе датчиков ре-зистивного типа и ЧИРП, обеспечивающие устойчивость к воздействию стационарных и нестационарных температур и инвариантность к нестабильности источников питания, которые могут быть использованы при создании измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем. Относительная погрешность разработанных измерительных преобразователей при воздействии нестационарных температур по сравнению с погрешностью преобразователей, серийно выпускаемых промышленностью, уменьшена более чем на порядок.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Громков, Н. В. Частотные тензопреобразователи с постоянным напряжением питания измерительной цепи / Н. В. Громков II Измерительная техника. - 2008. - № 5. - С. 22-26.

2. Громков, Н. В. Частотные тензопреобразователи с переменным напряжением питания измерительной цепи / Н. В. Громков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2008. - № 5. - С. 16-22.

3. Громков, Н. В. Уменьшение порога чувствительности частотных интегрирующих тензопреобразователей / Н. В. Громков // Датчики и системы. - 2008. - № 10. - С. 38-41.

4. Gromkov, N. V. Frequency strain gage transducers with constant supply voltage of the measuring circuit / N. V. Gromkov // Measurement Techniques. - New York : Springer. - 2008. - Vol. 51. - № 5. - P. 490-497.

5. Громков, H. В. Влияние параметров корректирующего канала на точность операции интегрирования в частотных интегрирующих развертывающих преобразователях / Н. В. Громков II Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2009. - № 3. - С. 46-49.

6. Громкое, Н. В. Преобразователи параметров резистивных датчиков в частотные сигналы / Н. В. Громков // Датчики и системы. -2009. -№1,- С. 32-36.

7. Громков, Н. В. Минимизация порога чувствительности усилителей постоянного тока с периодической коррекцией / Н. В. Громков // Метрология. - 2009. - № 2. - С. 35-50.

8. Громков, Н. В. Тонкопленочные нано- и микроэлектромеханические системы - основа современных и перспективных датчиков давления для ракетной и авиационной техники / Н. В. Громков, Е. М. Белозубое, В. А. Васильев // Измерительная техника. - 2009. - № 7. -С. 35-38.

9. Громков, Н. В. Системный подход к совершенствованию измерительных преобразователей / Н. В. Громков, В. А. Васильев // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2010. -№ 4. - С. 2-7.

10. Belozubov, Е. М. Minimization of the effect of temperature on thin-film nano- and microelectromechanical systems and pressure sensors based on them / E. M. Belozubov, V. A. Vasil'ev, N. V. Gromkov // Measurement Techniques. - New York : Springer. - 2009. - Vol. 52. - № 8. -P. 853-858.

11. Громков, H. В. Условия минимизации порога чувствительности УПТ с периодической коррекцией / Н. В. Громков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - Пенза : Информационно-издательсктй центр ИГУ, 2008. - № 2. - С. 97-105.

12. Громков, Н. В. Проблемы и основные направления исследований тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем датчиков давления / Н. В. Громков, Е. М. Белозубов, В. А. Васильев // Датчики и системы. - 2009. -№ 8. - С. 54-58.

13. Belozubov, Е. М. Thin-film nano- and micro-electromechanical systems - the basis of contemporary and future pressure sensors for rocket and aviation engineering / E. M. Belozubov, V. A. Vasil'ev, N. V. Gromkov // Measurement Techniques. - New York : Springer. - 2009. - Vol. 52. -№ 7. - P. 739-744.

14. Громков, H. В. Частотные преобразователи параметров резистивных датчиков для автоматизированных систем контроля / Н. В. Громков, В. А. Васильев, И. Р. Вергазов, С. А. Москалёв // Новые промышленные технологии. - 2010. - № 1. - С. 33-38.

15. Громков, Н. В. Математическая модель и анализ влияния собственных шумов элементов схемы корректирующего канала на выходной сигнал измерительных преобразователей / Н. В. Громков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - Пенза: Информационно-издательский центр ПТУ,

2007,-№4.-С. 152-165.

16. Громков, Н. В. Минимизация влияния температур на тонкопленочные нано- и электромеханические системы и датчики давления на их основе / Н. В. Громков, Е. М. Белозубов, В. А. Васильев // Измерительная техника. - 2009 - № 8 - С. 51-54.

Монография и учебное пособие

17. Громков, Н. В. Интегрирующие развертывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография / Н. В. Громков. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. -244 с.

18. Громков, Н. В. Нано- и микроэлектромеханические системы: учеб. пособие / Н. В. Громков, В. А. Васильев, Т. Н. Рыжова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 80 с.

Публикации в других изданиях

19. Громков, Н. В. Преобразователи параметров резистивных датчиков в частотные сигналы / Н. В. Громков // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. междунар. науч.-техн. конф. / под ред. М. А. Щербакова. - Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2007. - С. 128-129.

20. Громков, Н. В. Частотные интегрирующие развертывающие преобразователи параметров резистивных мостовых тензометриче-ских датчиков / Н. В. Громков // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : тр. междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ,

2008.-С. 137-140.

21. Громков, Н. В. Частотные преобразователи для систем управления, контроля и принятия решений / Н. В. Громков // Материалы XXXV Юбил. междунар. конф. «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе 1Т+8&Е'08» : приложение к журналу «Открытое образование». - Ялта, 2008. - С. 215-216.

22. Громков, Н. В. Математическая модель представления распределения собственных шумов элементов схемы по спектру частот в частотных интегрирующих тензометрических преобразователях / Н. В. Громков // Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем : материалы II Междунар. науч.-техн. конф. молодых специалистов, аспирантов и студентов. -Пенза, 2008.-С. 79-83.

23. Громков, Н. В. Проектирование частотных интегрирующих преобразователей с применением компьютерных программ / Н. В. Громков, В. А. Васильев, С. А. Москалёв // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/ CAE/PDM : материалы III Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Приволжский Дом Знаний, 2009. - С. 11-13.

24. Громков, Н. В. Преобразователи сигналов малого уровня мостовых тензодатчиков в частоту / Н. В. Громков // Коммутация и преобразование малых сигналов : материалы науч.-практ. краткосроч. семинара / под ред. М. М. Ладыженского. - Л., 1980. - С. 49-55.

25. Громков, Н. В. Частотный тензометрический преобразователь / Н. В. Громков, В. Д. Михотин // Информационно-измерительные устройства в нефтяной промышленности : межвуз. науч.-техн. сб. - Уфа, 1979.-С. 115-118.

26. Громков, Н. В. Частотные интегрирующие развертывающие преобразователи параметров резистивных датчиков с переменным напряжением питания измерительной цепи / Н. В. Громков // Тр. междунар. науч.-техн. конф. (Computer-based conference). - Пенза: ПГТА, 2008.-Вып. 7.-С.68-71.

27. Громков, Н. В. Частотные интегрирующие развертывающие преобразователи параметров резистивных датчиков с постоянным напряжением питания измерительной цепи / Н. В. Громков // Современные информационные технологии-2008 : тр. междунар. науч.-техн. конф. CIT-CONFERENCE. - Пенза, 2008. - Вып. 7. - С. 71-76.

28. Громков, Н. В. Преобразователи сигналов малого уровня резистивных датчиков в частотные сигналы / Н. В. Громков // Измерение, контроль, информатизация : материалы IX Междунар. науч.-техн. конф. / под ред. Л. И. Сучковой. - Барнаул: АлтГТУ, 2008. - С. 75-80.

29. Громков, Н. В. Устранение паразитной модуляции в частотных преобразователях / Н. В. Громков // Цифровая информационно-измери-

тельная техника: межвуз. сб. научн. тр. - Пенза, 1980. - Вып. 10. -С. 32-35.

30. Громков, Н. В. Преобразователи информации с резистивных датчиков в частотные сигналы / Н. В. Громков // Инновация в условиях развития информационно-коммуникационных технологий: материалы науч.-практ. конф. «Инфо-2008» / под ред. В. Г. Домрачева, С. У. Увайсова; отв. за вып. А. В. Долматов, И. А. Иванов, Р. И. Увай-сов. -М.: МИЭМ, 2008. - С. 212-215.

31. Громков, Н. В. Нано-и микроэлектромеханические системы в датчиках давления / Н. В. Громков, Е. М. Белозубое, В. А. Васильев // Современные информационные и электронные технологии : тр. X Меж-дунар. науч.-практ. конф. - Одесса, 2009. - Т. П. - С. 132.

32. Громков, Н. В. Тонкопленочные нано- и микроэлектромеханические системы - основа современных тензорезисторных и емкостных датчиков давления / Н. В. Громков, Е. М. Белозубов, В. А. Васильев // Материалы XXXVI Междунар. конф. «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT+S&E'09» : приложение к журналу «Открытое образование». — Ялта, 2009. - С. 175 - 176.

33. Громков, Н. В. Частотные преобразователи сигналов тензо-метрических датчиков / Н. В. Громков // Современные информационные и электронные технологии : тр. междунар. науч.-практ. конф. -Одесса, 2008.-С. 198.

34. Громков, Н. В. Тонкопленочные нано- и микроэлектромеханические системы датчиков давления / Н. В. Громков, Е. М. Белозубов,

B. А. Васильев // Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники : тр. II науч.-техн. конф. - Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2009. -

C.42-45.

35. Громков, Н. В. Моделирование частотных интегрирующих преобразователей сигналов с тензодатчиков с помощью компьютерной программы «Микрокап» / Н. В. Громков, В. А. Васильев, И. Р. Вергазов, С. А. Москалёв // Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники: тр. II науч.-техн. конф. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2009. -С.218-220.

36. Громкое, Н. В. Преобразователи сигналов малого уровня с ре-зистивных датчиков в частоту / Н. В. Громков // Инноватика-2008 : тр. междунар. конф. - Ульяновск : УлГУ, 2008. - С. 247.

37. Громков, Н. В. Методы снижения порога чувствительности частотных интегрирующих развертывающих преобразователей с модуляцией выходного сигнала измерительной цепи / Н. В. Громков // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: тр. междунар. науч.-техн. конф. / под ред. М. А. Щербакова. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2008. - С. 120-126.

38. Громков, Н. В. Моделирование частотных интегрирующих тензопреобразователей с непрерывной коррекцией / Н. В. Громков // Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем : материалы II Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2007. - С. 82-85.

39. Громков, Н. В. Уменьшение влияния температур на тонкопленочные нано- и микроэлектромеханические системы датчиков давления / Н. В. Громков, Е. М. Белозубое, В. А. Васильев // Надежность и качество : тр. междунар. симп.г. в 2-х т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2009. - Т. 1. -С.386-390.

40. Громков, Н. В. Моделирование частотных интегрирующих преобразователей сигналов датчиков давления / Н. В. Громков, В. А. Васильев, И. Р. Вергазов, С. А. Москалёв / Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. междунар. науч.-техн. конф. / под ред. М. А. Щербакова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - С. 96-97.

41. Громков, Н. В. Методы минимизации влияния температур на тонкопленочные нано- и микроэлектромеханические системы датчиков давления / Н. В. Громков, Е. М. Белозубое, В. А. Васильев // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. междунар. науч.-техн. конф. / под ред. М. А. Щербакова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009.-С. 167-169.

Авторские свидетельства и патенты на изобретения

42. Пат. 2375689. Российская Федерация. Термоустойчивый тонкопленочный тензорезисторный датчик давления / Громков Н. В., Бело-зубов Е. М., Васильев В. А., Рыжова Т. Н. - Опубл. 10.12.2009, Бюл. № 34.

43. Пат. 2391640. Российская Федерация. Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы / Громков Н. В., Белозубов Е. М., Васильев В. А., Васильева С. А., Тихонов А. И. - Опубл. 10.06.2010, Бюл. № 16.

44. А. с. 822351 SU. Частотный тензопреобразователь / Н. В. Громков, В. Д. Михотин, С. Б. Шахов, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин. -Опубл. 15.04.1981. - Бюл. № 14.

45. А. с. 822352 SU. Частотный преобразователь для тензодатчи-ков / Н. В. Громков, В. Д. Михотин, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин -Опубл. 15.04.1981, Бюл. № 14.

46. А. с. 828406 SU. Преобразователь разбаланса тензомоста в частоту / Н. В. Громков, В. Д. Михотин, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин. -Опубл. 07.05.1981, Бюл. № 17.

47. А. с. 828097 SU. Интегрирующий преобразователь разбаланса тензомоста в частоту следования импульсов / Н. В. Громков, С. Б. Шахов, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин. - Опубл. 07.05.1981, Бюл. № 17.

48. А. с. 892713 SU. Частотный преобразователь для тензодатчиков / Н. В. Громков, В. Д. Михотин, С. Б. Шахов, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин. -Опубл. 23.12.1981, Бюл. № 47.

49. А. с. 966893 SU. Частотный преобразователь для тензодатчиков /Н. В. Громков, В. Д. Михотин, Б. В. Чувыкин, В. В. Метальников,

A. В. Акимов. - Опубл. 15.10.1982, Бюл. № 38.

50. А. с. 1016696 SU. Устройство для измерения температуры с частотным выходом / Н. В. Громков, Н. П. Варламов, А. А. Мельников,

B. Н. Свистунов, С. Б. Шахов, Э. К. Шахов, В. А. Юрманов, В. Д. Михотин-Опубл. 07.05.1983, Бюл. № 17.

51. A.c. 1368991 SU. Частотный преобразователь для тензодатчиков / Н. В. Громков, В. Д. Михотин, О. А. Голышевский, С. Б. Шахов. -Опубл. 23.01.1988, Бюл. № 3.

Научное издание

Громков Николай Валентинович

Анализ и синтез измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем

Специальность 05.11.16- Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Редакторы: О. Ю. Ещина, Е. П. Мухина Технический редактор Н. А. Вьялкова Корректоры: Ж. А. Лубенцова, Н. А. Сиделъникова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Подписано в печать 15.07.10. Формат б0х841/16. Усл. печ. л. 2,56. Тираж 100. Заказ № 430.

Издательство 111 У. 440026, Пенза, Красная, 40.

Перечень сокращений, условных обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА1. Принципы построения измерительных преобразователей для информационно-измерительных систем.

1.1. Информационно-измерительные системы. Основные понятия и определения. Классификация.

1.2. Измерительные преобразователи - как часть информационно-измерительных систем.

1.3. Системный подход к разработке измерительных преобразователей для информационно-измерительных систем.

ГЛАВА 2. Общий принцип, свойства и особенности интегрирующего развёртывающего преобразования.

2.1. Интегрирующий развёртывающий преобразователь как базовый преобразователь интегрирующих аналого-цифровых преобразователей .ЛОЗ

2.2. Сущность интегрирующего развёртывающего преобразования напряжения в частоту и интервал времени.

2.3. Методические погрешности интегрирующих развёртывающих преобразователей и способы их уменьшения.

2.4. Инструментальные погрешности интегрирующих развёртывающих преобразователей и способы их уменьшения.

2.5. Обзор существующих методов и средств построения частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей параметров резистив-ных датчиков.

ГЛАВА 3. Исследование методов снижения порога чувствительности частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей без модуляции выходного сигнала измерительной цепи с периодической коррекцией;

3.1. Общие замечания.

3.2. Выбор математической модели представления распределения собственных шумов элементов схемы по спектру частот.

3 .3. Исследование условий минимизации порога чувствительности частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей с периодической коррекцией;.

3:4. Исследование эффективности минимизации порога чувствительности частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей методом конечных разностей.

ГЛАВА 4. Исследование методов снижения порога чувствительности частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей без модуляции выходного сигнала измерительной цепи с непрерывной коррекцией

4.1. Общие замечания.

4.2. Исследование влияния параметров корректирующего канала на точность операции интегрирования в частотных интегрирующих развёртывающих преобразователях.

4.3. Разработка математической модели и методики анализа влияния собственных шумов элементов схемы корректирующего канала с периодической коррекцией погрешности нуля усилителя постоянного тока.

4.4. Исследование условий минимизации порога чувствительности усилителя постоянного тока с периодической коррекцией.

4.5. Исследование условий минимизации порога чувствительности двух-канального усилителя постоянного тока с периодической коррекцией.

4.6. Разработка частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей без модуляции выходного сигнала измерительной цепи.

ГЛАВА' 5. Исследование методов, снижения порога чувствительности, частотных интегрирующих- развёртывающих преобразователей с модуляцией выходного сигнала измерительной цепи.268'

5.1. Общие замечания.

5.2. Разработка математической модели частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей и исследование условий минимизации порога чувствительности частотных интегрирующих развёртывающих*, преобразователей с непрерывной'коррекцией:.271\

5.3. Исследование условий ^минимизации порога чувствительности и динамики-частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей с непрерывной коррекцией методом компьютерного моделирования.

5.4. Разработка частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей с модуляцией, выходного сигнала измерительной цепи.

ГЛАВА 6. Измерительные преобразователи с частотным выходом, устойчивые к воздействию дестабилизирующих факторов-.

6.1. Тонкоплёночные нано- и микроэлектромеханические системы -основа перспективных датчиков давления.

6.2. Разработка и исследование измерительных преобразователей для ИИС на основе совмещения, функций элементов схем датчиков резистивного типа и частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей

6.3: Рекомендации по применению разработанных, измерительных преобразователей.

Развитие: науки- неразрывно;связано с прогрессом в области измерений. Многие научные исследования? сопровождаются измерениями; позволяющими установить количественные соотношения и закономерности изучаемых явлений; Любое; современное производство» немыслимо^ без- точного; объективного контроля» технологического процесса; осуществляемого с помощью* средств измерений. Улучшение: качества продукции и повышение производительности,в значительной степени обусловлены организацией и оснащением средствами? измерений. Автоматизация; производства также невозможна без измерений, так как нельзя управлять объектом, не имея информации об объекте:. Достижения производства и современных;технологий в свою очередь отражаются на характеристиках; и создании принципиально новых средств измерений.

Совершенствование автоматизированных систем: контроля; измерения и управления^ технологическими процессами: является: одним, из; необходимых условий) нормального функционирования! и перспективного: развития; прог мышленности.

Промышленность выпускает различные средства; для? измерений; электрических, . магнитных и• неэлектрических величин: аналоговые электромеханические и электрические приборы; цифровые- измерительные приборы и, аналого-цифровые преобразователи; измерительные преобразователи-! электрических и неэлектрических величин в электрические сигналы; регистрирующие приборы; измерительные информационные системы и вычислительные комплексы; измерительные установки для массовых измерению при кон-тролетехнологических процессов:

В настоящее время перед измерительной техникой, как отраслью науки и техники, стоят актуальные задачи как по развитию теории средств измерений; методов-их применения и »проектирования, так и по разработке новых средств.измерений,.по улучшению характеристик выпускаемых промышленностью средств,измерения, дальнейшему развитию и»выпуску средств измерений системного применения, которые могут использоваться в ¡составе измерительных информационных систем; при создании, измерительно-вычислительных средств* на основе использования микроэлектронных датчи-* ков, микропроцессоров^ микро-ЭВМ!

Усложнение технологии производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерения и*контроля сотенки тысяч.параметров' одновременно. Появился новый класс информационно-измерительной техники - измерительные информационные системы (ИИС), осуществляющие сбор, обработку, передачу, хранение и отображение информации на объект исследования. Работы, в области информационно-измерительной техники и измерительных технологий шозво лил и в последние годы создать новый раздел теории и- практики измерений - виртуальные и интеллектуальные' измерительные приборы и системы.

Большой вклад в развитие информационно-измерительной^ техники- и измерительных технологий в XX в. внесли русские ученые: Е. Г. Шрамков, А. В. Фремке, Ф. Е. Темников, М. П. Цапенко, К. Б. Карандеев, Д; № Агей-кин, П. П. Орнатский, П. В: Новицкий, Г. Д'. Бурдун, Э. И. Цветков, Е. А. Чернявский, В. Н. Малиновский, Л. Ф. Куликовский, В. С. Гутников, В. М. Шляндин, Г. И. Кавалеров, В'. А. Ильин, Г. Г. Раннев, Э: М. Шмаков и др.

В связи с бурным развитием в последние годы микроэлектроники и на-нотехнологий к современным информационно-измерительным системам предъявляются более жёсткие требования- по точности, надёжности, быстродействию, помехозащищённости, потребляемой мощности, массо-габаритам и др.

Измерительная информационная система должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложенные: на нее функции? В; соответствии- с назначением и целью; обладать, требуемыми показателями И' характеристиками точности; надёжности; и быстродействия;: отвечать экономическим требованиям; предъявляемым; к способам и форме представления информации, размещения технических средств;, быть приспособленной к функционированию с измерительными? информационными системами; (ИИС), смежных уровней' иерархии; и- другими ИИС и информационно-вычислительными? комплексами? (ИВК);. т. е. обладать свойствами; технической; информационной? и метрологической* совместимости; допускать, возг можность дальнейшей модернизации и развития и др.

Информационные; измерительные системы содержат, как правило; первичные преобразователи; (датчики);, промежуточные измерительные преобразователи, элементы сравнения, меры и элементы отображения информации.

Важнейшими звеньями: ИИС являются датчики. По мере: развития; ИИС датчикисприобретают всё большее-значение: Это связано с ростом номенклатуры датчиков?физических величин;.расширением областей их;применениями усложнением решаемых с их помощью задач [1]; • .

Недооценка роли и значения датчиков (основных источников информации; дающей возможность прогнозирования: развития; опасных ситуаций; и, следовательно; предотвращения их) для современных энергетических; установок и. систем; в том;числе; и ракетно-космических, приводит в лучшем случае к: необоснованным материальным, затратам^ и недостижению поставленных целей;, а в худшем - к катастрофам. С* другой; стороны^ хорошая; укомплектованность. ракетно-космического1 носителя «Энергия» с орбитальным кораблем «Буран» средствами измерений, (более 3500 различных датчиков для телеизмерений; и локальных систем; управления) обеспечили достаточно полную отработку программы в, наземных условиях, в период предстартовой подготовки и в полетном режиме.

В последнее десятилетие достаточно1 интенсивно решаются задачи по-проектированию и производству датчиков для ИИС отраслей пищевой5 промышленности (сахарная, мясоперерабатывающая, кондитерская, хлебопекарная* и т.п.). Кроме того, разрабатываются и выпускаются датчики для медицинской, нефтяной, атомной, газовой промышленности, производства химических волокон, для совершенствования/систем^ управления коммунальным хозяйством и, в1 первую очередь, водо- и теплоснабжения.

Производство датчиков для разнообразных измерительных систем является наиболее динамичным сектором мировой экономики. Средний рост объёма продаж составляет не менее 6% в год [2], однако производство интеллектуальных датчиков и датчиков для автомобилей растет ещё быстрее - до 20%.

Датчики как средства измерений; содержащие не только первичные преобразователи, но и элементы измерительных схем, в которые включены эти преобразователи (усилители; функциональные преобразователи, устройства сопряжения с последующими средствами измерения и автоматизации), в настоящее время реализуются на^основе различных физических явлений ^различных технологий. Это даёт возможность делать их как многофункциональными, т. е. обеспечивающими посредством одного датчика преобразование многих физических величин, так и «интеллектуальными», позволяющими выявлять при преобразовании, определенной величины воздействия других величин, которые искажают результат преобразования. Значения этих величин, преобразованных в электрические, могут использоваться для коррекции результата измерения измеряемой величины. Например, при измерении давления существенное влияние оказывает изменение температуры среды, в которой это давление измеряется. Поэтому при наличии датчика давления, обеспечивающего при определенных условиях преобразование также и температуры, причём результат измерения последней используется для коррекции результата измерения давления, имеет место не только многофункциональность, но и совершенно новые свойства датчика, в частности свойство самокорректировки, т. е. его «интеллектуализацию».

В последнее время при создании: датчиков различных величин, наметились сочетания различных физических принципов действия.и новых направлений. технологии, например микромеханики и- микроэлектроники. Возвращаясь к случаю» преобразования» давлений; в качестве примера можно привести построение датчика, в: котором^ используются кремниевые упругие элементы, на которых сформированы кремниевые тензорезисторы, а* также элементы схемы усиления, линеаризации и- нормирования-, электрических сигналов. В микромеханике используются те же технологические процессы, что и в микроэлектронике при* производстве интегральных схем, а1 именно: стандартные фотолитографические методы переноса' изображения с маски на поверхность кремниевой пластины и- техника химического травления. Эти датчики, кроме улучшенных метрологических характеристик, малых габаритных размеров и небольшой массы по мере развития- обеих технологий будут иметь^и невысокую стоимость.

Датчики служат источником информации1 и состоят из > чувствительного элемента, схемы обработки полученного сигнала, а также аналого-цифрового преобразователя-(АЦП) или светового табло (т. е. индикатора).

Метрологические1 характеристики ИИС зависят от структуры построения системы и характеристик элементов, входящих в,данную систему. Многие'годы наши учёные-и учёные разных стран занимались исследованиями и разработкой первичных преобразователей (неэлектрических сигналов с датчиков, различных физических величин в.электрические) и вторичных преобразователей (электрических сигналов с выхода первичных датчиков в электрические сигналы различной формы, удобные для дальнейшей обработки, хранения и передачи информации последующим регистрирующим устройствам и устройствам управления). Многие научно-исследовательские институты занимались только разработкой датчиков различных физических величин температуры, давления, силы, ускорения и др.), добиваясь максимально возможных точностных характеристик, доводя до совершенства конструкции! датчиков, подбирая» материалы для их изготовления, постоянно ¡улучшая метрологические характеристики. При этом выходные сигналы с датчиков должны быть жёстко регламентированы по форме, амплитуде выходного напряжения» (тока) в, зависимости от диапазона измеряемых физических величин, допустимой погрешности преобразования при воздействии различных дестабилизирующих факторов и окружающей или рабочей среды в заданных диапазонах, при заданных параметрах источника питания датчика.

Дальнейшим преобразованием сигналов с выхода первичного преобразователя (датчика) занимались другие специалисты, которые не вникали в вопросы исследования, разработки и* проектирования первичных преобразователей. Для них важно, было знать выходные параметры первичных датчиков и требования к выходному сигналу вторичного (промежуточного) преобразователя с целью согласования>работы с последующими устройством^ обработки' информативного сигнала. В * целом же погрешность, ИИС определялась суммарной погрешностью отдельных составляющих устройств данной системы. Разработчики не любят выходить за пределы собственного поля деятельности, поэтому какого-либо взаимодействия между ними до сего времени не было. Такой подход не позволял добиться-оптимальных метрологических характеристик ИИС.

При разработке и проектирования ИИС, при проведении научных исследований, для анализа, сложных объектов и процессов в последние годы всё чаще стали применять системные представления, рассматривающие системные направления, включающие в себя: системный подход, системные исследования, системный анализ.

Среди большого многообразия выпускаемых датчиков датчики рези-стивного типа (тензорезисторные, терморезисторные, пьезорезисторные и т.п.) занимают особое место в силу своей-многофункциональности при< измерении ¡давлений, температур, механических деформаций и перемещений, ускорений и др., а также простоты схемной* реализации^ измерительной« цепи» (ИЦ), высокой технологичности, надёжности и возможности адаптации с преобразователями^ аналоговых сигналов В( частоту, код, цифру. В датчиках резистивного типа используются, законы преобразования различных физических величин в изменение электрического сопротивления. Выходной** сигнал ИЦ современных датчиков резистивного типа, как правило, пропорционален изменению сопротивления 1 или относительному изменению, сопротивлений для измерительных цепей, собранных по мостовой схеме, и может быть вви-де постоянного или переменного напряжения, тока.

Основные трудности» при, разработке информационно-измерительных систем с датчиками резистивного типа связаны с малыми приращениями информативного сигнала с выхода ИЦ* первичных преобразователей (как правило, единицы милливольт, поскольку допустимая рассеиваемая мощность на измерительных цепях датчиков ограничена) на фоне больших помех, возникающих в тракте передачи сигнала к устройствам преобразования и обработки, которые могут во много раз превышать уровень полезного сигнала, а также с погрешностями от влияния неинформативных параметров: Так, например, при измерении давления неинформативным параметром является температура измеряемой и окружающей сред, а при измерении температуры - давление, влажность и т.п.

Для работы с датчиками резистивного типа широкое применение в информационно-измерительных системах получили промежуточные преобразователи параметров датчиков в частоту. Интерес к данному направлению обусловлен рядом достоинств частотного представления информации. Во-первых, при использовании частотных преобразователей открывается возможность достижения более высокой точности измерения при малых информативных сигналах, чем в преобразователях амплитуд сигналов. Во-вторых, частотный сигнал обладает значительно более высокой помехоустойчивостью и малой чувствительностью к изменению параметров линий связи. В-третьих, обработка частотных сигналов г и, их точное интегрирование-по времени выполняются достаточно^ просто. Одним из перспективных направлений создания частотных преобразователей параметров датчиков резистивно-го типа'является» построение их на основе метода'интегрирующего развёртывающего- преобразования. Достоинствами-таких преобразователей1 являются широкие' функциональные возможности, помехоустойчивость, относительная простота реализации и настройки схем, технологичность. Частотные интегрирующие развёртывающие преобразователи (ЧИРП) параметров^ датчиков резистивного типа, образуют представительную группу высокоточных средств измерений и. широко используются на практике.

Результаты, работы многих коллективов. по разработке датчиков' резистивного -типа позволили значительно уменьшить погрешность преобразования; первичных датчиков* физических величина путём использования, конструктивно-технологических, схемотехнических, методологических и других решений, однако многие1 задачи, уменьшения^ погрешностей и устранения, влияния дестабилизирующих факторов- остаются* не- решёнными* и, требуют дальнейших исследований.

Разработчики вторичных преобразователей сигналов с датчиков;в унифицированные-частотно-временные сигналы добились высоких результатов при разработке'схем преобразователей сигналов с датчиков резистивного типа, но при этом не всегда учитываются, изменения, параметров, выходных сигналов с первичных датчиков от воздействия дестабилизирующих факторов. Требуется комплексное исследование проблемы уменьшения^ температурных погрешностей первичных и вторичных измерительных преобразователей, как составной части информационно-измерительной и управляющей системы.

Развитие таких отраслей промышленности, как приборостроение, космонавтика, авиастроение, автомобилестроение и др. требуют создания современных микроэлектронных датчиков резистивного»типа высокой надёжности, точности, с низким энергопотреблением и работающих в условиях воздействияширокогодиапазонатемператур.

Исследование теоретических и практических проблем; создания измерит тельных преобразователей с частотным; выходным? сигналом для ИИС является актуальным; так как частотное преобразование позволяет уменьшить погрешность преобразования; снизить энергопотребление, унифицировать аппаратуру обработки, информации и повысить, надежность, информационно-измерительных и управляющих систем;.

Цель диссертационной работы заключается в исследованию возможностей и путей совершенствования? существующих и создания« новых измерительных преобразователей? с частотными выходным; сигналом для; инф ормаци-онно-измерительных и управляющих систем; обладающих: улучшенными техническими;иэксплуатационнымихарактеристиками.

Задачи «исследования:

1. Анализ, систематических погрешностей? измерительных: преобразователей физических: величин« для? ИИС с целыо установления закономерностей влияния? собственных: шумов: элементов схем на аддитивную погрешность частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей (ЧИРП).

2. Исследование5 влияния: дестабилизирующих факторов (широкого: диапазона* температур окружающей; среды, параметров линий: связи, нестабильности: источников-.питания и: т.д.) на- результирующую; погрешность измерительных преобразователей.

3.Определение предельных точностных характеристик ЧИРП с целью ¿выявления; наиболее перспективных структур преобразователей сигналов датчиков резистивного типа.

4. Исследование: методов уменьшения влияния собственных шумов-элементов схем на. порог чувствительности и разработка рекомендаций по рациональному использованию методов и средств: коррекции случайной, погрешности с целью минимизации« порога чувствительности ЧИРП при» сохранении всех положительных свойств ¡ интегрирующих развертывающих преобразова-телеЙ1игуменьшения результирующей погрешности измерительной системы.

5: Разработка1 моделей? и? структур? частотных интегрирующих развертывающих преобразователей- параметров датчиков резистивного типа, устойчивых:. к воздействию? дестабилизирующих: факторов, для информационно-измерительных и управляющих систем. .

6. Исследование возможностей совмещения функций элементов, первичных и вторичных измерительных преобразователей и разработка новых технических решений измерительных преобразователей на. основе датчиков резистивного типа и ЧИРП для информационно-измерительных и управляющих систем, устойчивых к воздействию широкого диапазона стационарных и нестационарных температур и нестабильности источников питания.

Область исследования: научная специальность 05.11.16 "Информационно-измерительные и: управляющие системы!' соответствует области науки; занимающейся исследованием теоретических и практических проблем, методов и технических средств информационно-измерительных и управляющих систем, их метрологического обеспечения; контроля? и испытаний: ш согласно паспорта специальности относится;к п. 6 «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов; частей; образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических; и эргономических характеристик, разработка новых принципов^построения и технических решений».

Объект исследования: измерительные преобразователи с частотным выходным сигналом на основе датчиков резистивного типа и ЧИРП для; информационно-измерительных и управляющих систем.

Основные методы научных исследований.

Исследования базируются на дифференциальном и интегральном исчислениях, на классической теории электрических цепей, теории графов, теории чувствительности, теории погрешностей, теории функций комплексного переменного, на структурных методах повышения точности измерения активных величин и системном анализе. В процессе исследований использовались методы математического анализа, натурных испытаний, компьютерного имитационного моделирования и численного анализа.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждена непротиворечивостью и сходимостью теоретических выводов с общепринятыми основами теории построения измерительных преобразователей и результатами экспериментальных исследований, полученными в рамках выполнения договорных и госбюджетных работ.

Научная новизна исследования в диссертационной работе заключается в следующем.

1. Установлена закономерность влияния собственных шумов элементов схемы на аддитивную погрешность ЧИРП при различных методах её коррекции с учетом распределения мощности шумов по спектру частот.

2. Выведены выражения для оценки случайной погрешности, обусловленной собственными шумами элементов схемы, с использованием предложенной математической модели усилителя постоянного тока с периодической коррекцией.

3. Получены передаточные функции частотных измерительных преобразователей и выработаны рекомендации для проектирования частотных преобразователей сигналов датчиков давления резистивного типа, собранных по мостовой схеме, учитывающие влияние дестабилизирующих факторов: воздействия широкого диапазона температур окружающей среды, нестабильности источников питания и параметров линии связи.

41 Определены предельные'точностные характеристики и, получены', условия? минимизации порога' чувствительности усилителей постоянного тока с периодической коррекцией погрешности нуля, реализация которых позволяет уменьшить порог чувствительности ЧИРП на два десятичных порядка.

5. Предложена математическая, модель, учитывающая■ воздействие «флик-кер-шумов», позволяющая? аналитическим путем, исследовать их влияние*на случайную погрешность преобразованияЧИРП.

6. Предложен алгоритм эффективной коррекции, случайной погрешности усилителей постоянного.тока от воздействия «фликкер-шумов», предусматривающий определение конечных разностей высоких порядков от интегральных значений шумового сигнала.

7. Установлено оптимальное- соотношение между постоянной времени1 корректирующего канала и параметрами схемы ЧИРП при заданной < динамической погрешности для преобразователей* с модуляцией выходного! сигнала1 измерительной цепи датчиков резистивного типа, собранных по мостовой схеме, которые содержат каналы коррекции* в виде звена обратной, связи, состоящего из последовательно включенных амплитудного ограничителя» и интегратора.

8. Разработаны* модели и структуры ЧИРП параметров датчиков давления' резистивного типа для ИИС, инвариантных к нестабильности источников питания и изменениям параметров линий связи.

9. Предложены новые технические решения измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом, реализующие совмещение функций элементов первичных и вторичных измерительных преобразователей-на основе нано- и микроэлектромеханической' системы и ЧИРП; обеспечивающие устойчивость к воздействию стационарных и нестационарных температур и инвариантность к нестабильности источников питания.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

В результате теоретических исследований в диссертационной работе:

Предложена классификацияе методов построения ЧИРП, обобщающая' известные технические решения; разграничивающая области их предпочтительного-применения и позволяющая определять пути дальнейшего совершенствования- измерительных преобразователей.

2. Разработана математическая модель для описания свойств «фликкер-шумов», которая удобна для' аналитического исследования, позволяет учитывать влияние собственных шумов элементов схем на> точность< преобразования и может быть .использована при разработке измерительных преобразователей.

3. Дана диcпepcиoннaя^ оценка порога чувствительности ЧИРП с периодической коррекцией и показано, что при использовании периодической коррекции инфранизкочастотных шумов порог чувствительности« измерительных преобразователей уменьшается более чем в 100 раз.

4. Предложен метод конечных разностей" высоких порядков1 от интегральных значений сигнала шума для коррекции'аддитивных погрешностей ЧИРП, позволяющий на порядок уменьшить порогг чувствительности в условиях флуктуации температуры.

5. Выявлены условия, при выполнении которых постоянная времени-кор-ректируемого канала не влияет на статические и динамические характеристики, ЧИРП, что позволяет определять оптимальные параметры элементов измерительных преобразователей.

6. Определены условия минимизации порога чувствительности усилителя постоянного тока с периодической коррекцией погрешности нуля и даны оценки случайных погрешностей, которые позволяют повысить точность измерительных преобразователей, выполненных на операционных усилителях.

7. Разработана математическая модель ЧИРП с корректирующим каналом, учитывающая погрешности, обусловленные несимметрией напряжения, питания измерительной цепи, дрейфом нуля операционного усилителя интегратора по току и по напряжению, т.е. факторами, ограничивающими порог чувствительности. Модель позволяет оценивать эффективность коррекции' погрешности преобразования при разработке ЧИРП.

8. Разработаны новые структуры ЧИРП, совмещенные со структурами ре-зистивных датчиков давления на. основе нано- и микроэлектромеханических систем, обеспечивающие минимизацию температурных погрешностей в широком диапазоне стационарных и нестационарных температур и устойчивые к нестабильности источников питания, которые могут быть использованы при создании измерительных преобразователей с частотным выходным* сигналом для информационно-измерительных исправляющих систем.

Реализация и внедрение результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной» целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)».

Мероприятие 1. Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов. Регистрационный номер: 1.11.09.

Мероприятие 2. Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки. Наименование проекта: Проведение фундаментальных научных исследований свойств тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем при воздействии стационарных и нестационарных температур. Регистрационный номер: 2.1.2/4431.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы ОАО «НИИ физических измерений», г. Пенза; ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко», ЗАТО, г. Заречный; ФГУП «НИИАА», г. Москва, ОАО «НИИ «Контрольприбор», г. Пенза.

Математические модели ЧИРП и другие результаты диссертационной работы используются ГОУ ВПО «Московский государственный институт электроники и автоматики (технический университет)» на факультете радиотехнических систем, ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» на кафедре «Нано- и микроэлектроника» в учебном процессе студентами; старших курсов при выполнении курсового и; дипломного проектирования;

Апробация результатов исследованиям Основные положения, диссертации; результаты, проведенных; исследований, опыт практического применения» разработок-; докладывались, и обсуждались на международных, всероссийских, всесоюзных, региональных; и отраслевых научно-технических; симпозиумах, конференциях и семинарах: Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза; (2010; 2009; 2008г.г.); Научно-практическая конференции «Инновация в условиях развития информациионно-коммуникационных технологий» (Инфо -2009, 2008), Сочи,(2009, 2008г.г.); Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе», Украина; Крым, .Ялта-Гурзуф, (2010; 2009; 2008гл\); Международная научно-практическая, конференция «Современные информационные и электронные технологии» (СИЭТ-2010, 2009, 2008), Украина; Одесса, (2010, 2009, 2008г. г.);; Международная научно-техническая > конференция «Измерение, контроль, информатизация» (ИКИ-2010, 2009,2008), Барнаул, (2010, 2009, 2008г.г.); II научно-техническая конференция «Методы создания, исследования микро-, наиосистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники», Пенза;. 2009г.; Международная методическая! конференция «Университетское образование»,, Пенза, (2010, 2009, 2008г.г.); III Международная научно-практическая конференция «Системы проектирования;, моделирования, подготовки производства и; управление проектами; САБ/САМ/САЕ/Р0М», Пенза,, 2009г.; Международная научно-техническая^ конференция «Проблемы автоматизации и управления в технических системах», Пенза, (2009; 2008, 2007г.г.); Международная научно-практическая. конференция «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем», Пенза, 2009г.; Международная? научно-техническая конференция «Методы, средства и технологии получения-и обработки измерительной информации»* Пенза, 2008г.; Международная конференция «Инноватика - 2008», Ульяновск, 2008г.; X международная конференция «Опто-, нано электроника, нанотехнологии и микросхемы», Ульяновск, 2008г.; Международная научно-техническая конференция; CIT-CONFERENCE «Современные информационные технологии - 2008», Пенза, 2008г.; Международная! научно-техническая конференция>' «Computer-based conference», Пенза, 2008г.; ХХШ> Всероссийская научно-техническая* конференция «Информационные технологии в науке, проектированию и производстве» (ИТ), Н. Новгород,. 2008г.; Ш Международная научно-техническая конференция «Аналитические1 и численные1 методы моделирования1 естественно-научных и социальных проблем», Пенза; 2008г.; II Международная, научно-техническая конференция молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и, социальных проблем», Пенза, 2008г.; Международная, научно-техническая конференция «Материалы, изделия; и технологии пассивной электроники - материалы», Пенза, 2007г.; II Международная научно-техническая* конференция «Аналитические и численные методы моделирования естественно-научных и социальных проблем», Пенза,. 2007г.; V республиканская, межотраслевая конференция' «Теория и практика' разработка и* внедрения1 средств' автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов», Уфа, 1989г.; Зональный семинар «Интегрирующие частотные время7импульсные преобразователи и цифровые средства измерения на их основе», Пенза, 1987г.; ВТНК «Методы и средства измерения механических параметров ib системах контроля и управления», Пенза, 1986г.; ВТНК «Методы, и средства аналого-цифрового преобразования параметров неэлектрических сигналов и цепей», Москва, 1981г.; Всесоюзная научно-техническая конференция «Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве», Кишинев, 1979 г.; Научно-технический семинар «Методы и средства преобразования электрических величин в частотно-временные сигналы и их применение в цифровых средствах измерений», Пенза, 1980 г.; Научно-практический краткосрочный семинар «Коммутация и преобразование малых сигналов», Ленинград, 1980г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 73 научных труда, в том числе монография, получено 2 патента РФ, 5 положительных решений о выдаче патента РФ, 8 авторских свидетельств СССР на изобретения. Отдельные результаты отражены в отчетах по НИР.1 Основные положения диссертации полностью представлены в опубликованных работах.

Объем И'структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Она содержит 401 страницу основного текста, 168 иллюстраций, список литературы из 187 наименований.

Основные результаты и выводы по шестой главе.

1. Результаты анализа и обзора технологий и проблем создания микроэлектронных датчиков давления показывают, что перспективным направлением в создании микроэлектронных датчиков давления с частотным выходом, устойчивых к воздействию стационарных и нестационарных температур, является направление интеграции тонкоплёночных НиМЭМС с частотными интегрирующими развёртывающими преобразователями, выполненными в виде интегральных микросхем. При этом представляется возможным снизить на порядок энергопотребление измерительной цепи датчика, обеспечить инвариантность к нестабильности источников питания, повысить помехоустойчивость ИИС с проводными и беспроводными линиями связи.

2. Уменьшение температурных погрешностей датчиков давления можно достигнуть использованием конструктивных, схемных, конструктивно-схемных, технологических и методологических методов. Не может быть разработан какой-то один универсальный метод, обеспечивающий решение всех задач по уменьшению влияния температур на датчики давления. Для уменьшения влияния температур на тонкоплёночные НиМЭМС и датчики давления на их основе необходимо комплексное использование перечисленных методов.

2. В результате исследования влияния топологии элементов измерительных схем на температурную погрешность и нелинейность выходного сигнала датчиков давления установлены связи между топологией и параметрами выходного сигнала датчиков. Это позволило разработать тонкоплёночные тензорезисторные датчики давления с уменьшенной погрешностью от нелинейности выходной характеристики, устойчивые к воздействию нестационарных температур.

3. Исследования возможностей совмещения функций элементов вторичных и первичных измерительных преобразователей показали, что при совмещении функций элементов могут быть улучшены технические характеристики измерительных преобразователей. На этой основе разработаны устройства для измерения давления, обладающие повышенной точностью, пониженным энергопотреблением, уменьшенной погрешностью от нестабильности источников питания; В измерительных преобразователях с частотным выходным сигналом на; основе ТТДД и? ЧИРШ относительная; погрешность преобразования в диапазоне температур от -150°С до -М50°С уменьшена с 10% до 0,34% (более, чем на порядок).

4. Благодаря; комплексному использованию» схемотехнических решений; возможностей совмещения функций элементов- первичных и вторичных- преобразователей и новых топологий НиМЭМС датчиков?давления разработаны измерительные преобразователи с частотным выходным сигналом с уменьшенной (илишолностью компенсированной) температурной погрешностью в широком? диапазоне температур (от -100°С до +300°С) и линейной выходной характеристикой, способные измерять как абсолютные, так и; дифференциальные давлениях заданием начальношчастоты шдиапазона выходных частот.

5. В результате проведённых исследований разработаны датчики давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем, устойчивые • кг воздействию широкого диапазона стационарных и нестационарных; температур1 (термоудара), как с частотным, так и с аналоговым выходным; сигналом,. инвариантные к-: нестабильности? источников питания, способные работать с: длинными; ш короткими, кабельными? линиями/ связи для измерения абсолютных и дифференциальных давлений; На разработанные измерительные преобразователи получены патенты РФ и положительные решения о выдаче патентов на изобретения. Датчики давления на* основе нано- и микроэлектромеханических систем с частотным выходным сигналом и с уменьшенным энергопотреблением могут применяться в составе информационно-измерительных и управляющих систем при измерении как абсолютных, так и дифференциальных давлений при широком спектре воздействия дестабилизирующих факторов (воздействие стационарных и нестационарных температур, нестабильности: источников питания, изменение параметров кабельных линий).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных исследований оценены возможности и определены пути совершенствования и создания новых измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем, разработаны измерительные преобразователи с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками. Основные результаты и выводы по работе заключаются в следующем.

1. Предложена классификация методов построения частотных интегрирующих развертывающих преобразователей (ЧИРП), обобщающая известные технические решения, разграничивающая области их предпочтительного применения и позволяющая определять пути дальнейшего совершенствования измерительных преобразователей.

2. Из анализа погрешностей измерительных преобразователей физических величин для информационно-измерительных систем установлена закономерность влияния собственных шумов элементов схем на аддитивную погрешность частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей при различных методах её коррекции с учетом распределения мощности шумов по спектру частот. Выведены выражения для оценки случайной погрешности, обусловленной собственными шумами элементов схемы, с использованием предложенной математической модели усилителя постоянного тока с периодической коррекцией.

3. Исследовано влияние дестабилизирующих факторов на результирующую погрешность измерительных преобразователей. Получены передаточные функции частотных измерительных преобразователей и выработаны рекомендации для проектирования частотных преобразователей сигналов датчиков давления резистивного типа, собранных по мостовой схеме, учитывающие влияние дестабилизирующих факторов: воздействия широкого диапазона температур окружающей среды, нестабильности источников питания и параметров линий связи.

4. Изложены принципы построения измерительных преобразователей параметров резистивных датчиков с частотным- выходным сигналом, устойчивых к воздействию температур; нестабильности- питающих напряжений, изменению - параметров линий связи, заключающиеся во введении в схемы ЧИРП корректирующих каналов' в виде усилителей постоянного тока с периодической или непрерывной коррекцией нуля; корректирующего канала из последовательно включенных амплитудного ограничителя! и интегратора; параллельного МДМ-канала выборки нуля; звена-обратной^ связи, состоящего из преобразователя; скважности импульсов выходного сигнала в напряжение и. ЯС-фильтра; отрицательной емкостной обратной4 связи; в совмещении функций элементов первичных и-вторичных измерительных преобразователей.

5. Разработаны методики исследования* характеристик ЧИРП; основанные на* получении передаточных функций' и дисперсионных оценок шумов, позволяющие определять предельные точностные характеристики измерительных преобразователей.

6. Представлены, наиболее перспективные,, структуры измерительных преобра-зователей сигналов* датчиков резистивного типа с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем, способные работать с различными измерительными цепями и линиями связи в широком диапазоне рабочих температур и нестабильности источников питания.

7. Разработана математическая! модель шумов, учитывающая влияние «фликкер-шумов», позволяющая' аналитическим путем исследовать их влияние на случайную погрешность преобразования ЧИРП.

8. Показано, что известные алгоритмы периодической коррекции случайной погрешности позволяют существенно уменьшить составляющую этой погрешности от дрейфа нуля, но имеют малую эффективность снижения составляющей погрешности от «фликкер-шумов».

9. Предложен алгоритм эффективной коррекции случайной погрешности от «фликкер-шумов», предусматривающий определение конечных разностей высоких порядков от интегральных значений' шумового* сигнала. Такая коррекция^ особенно, эффективна в» условиях флуктуации температуры окружающей среды, а также в. переходном режиме до установления температурного баланса в схеме ЧИРП и при включении.

10. Исследованы методы уменьшения« влияния собственных шумов элементов схем на порог чувствительности! и разработаны.рекомендации по рациональному использованию' методов и средств' коррекции случайной* погрешности. Разработан метод оценки случайной погрешности, основанный на предложенной математической модели усилителя постоянного, тока с периодической коррекцией, позволяющий минимизировать порог чувствительности ЧИРП и уменьшать результирующую погрешность измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом.

11. Обоснованы преимущества построения корректирующего * канала в виде усилителя постоянного тока с периодической, коррекцией погрешности нуля. Определены предельные точностные характеристики ЧИРП с данным« видом коррекции усилителей постоянного тока, получены условия минимизации порога чувствительности, реализация^ которых позволяет уменьшить его на два десятичных порядка.

12. Выявлены реализуемые на практике условия, при которых динамика корректирующего канала не влияет на статические и динамические характеристики ЧИРП с непрерывной коррекцией. Показано, что при* выборе надлежащего» коэффициента» передачи корректирующего канала порог чувствительности схемы, в целом определяется лишь уровнем собственных шумов корректирующего канала.

Найдено оптимальное соотношение между постоянной времени корректирующего канала и параметрами схемы ЧИРП при заданной динамической погрешности для преобразователей с модуляцией выходного сигнала измерительной цепи датчиков резистивного типа, собранных по мостовой схеме, которые содержат каналы коррекции в виде звена обратной связи, состоящего из последовательно включенных амплитудного ограничителя и интегратора.

Установлены характер и длительность переходных процессов в зависимости от параметров схемы ЧИРП и канала коррекции.

13. Разработаны модели и структуры ЧИРП параметров датчиков давления) резистивного типа для, информационно-измерительных и управляющих систем, инвариантных к нестабильности источников питания и изменениям параметров линий связи. Инвариантность достигается, наличием* отрицательных обратных' связей ЧИРП,' которые исключают напряжение питания и сопротивление проводов линий связи из функцийпреобразования измерительных преобразователей.

14. Совмещение функций элементов схем ЧИРП и измерительных цепей резистивных датчиков позволяет, уменьшать или полностью компенсировать температурные погрешности измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом.

15. Разработаны новые технические решения измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом на основе датчиков резистивного типа и ЧИРП,' обеспечивающие устойчивость к воздействию стационарных и. нестационарных температур и инвариантность к нестабильности источников питания, которые могут быть использованы при создании измерительных, преобразователей1 с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных и управляющих систем. Относительная погрешность разработанных измерительных преобразователей при воздействии нестационарных температур по сравнению > с погрешностью преобразователей, серийно выпускаемых промышленностью, уменьшена более чем на порядок.

1. Волков, В. А. Датчики автоматизированных систем контроля измерения и управления // Приборы и системы управления. 1990, №10. С. 2-3.

2. Цапенко, М. П. Датчики (перспективные направления развития) / Алейников А. Ф., Гридчин В. А., Цапенко М. П.// Учеб. пособие. / Под ред. проф. М. П. Цапенко.— Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001.—176 с.

3. Нефёдов, В.И. Метрология и радиоизмерения: Учебник для вузов / В.И. Нефёдов, В.И. Хахин, В.К. Битюков и др./Под ред. профессора В.И. Нефёдова. М.: Высш. шк., 2003. - 256 с.

4. Раннее, Г.Г. Методы и средства измерений: Учебник для вузов / Раннее Г.Г., Тарасенко А.П./ — 2-е изд., стереотип. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. 336 с.

5. Мартяшин, А.И. Преобразователи информации для систем контроля и измерения/ Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.МЛ М.: Энергия. 1976. -392с.

6. Новицкий, П. В. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи) Учеб. пособие для вузов. / Левшина Е.С., Новицкий П.В.!-Ял Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.-320 с.

7. Новицкий, П. В. Цифровые приборы с частотными датчиками / Новицкий П. В., Кнорринг В. Г., Гутников В. С. /Л., «Энергия», 1970. 424 с.

8. Тарасов, В. Ф. Полупроводниковые преобразователи напряжение — частота (обзор) / Тарасов В. Ф., Шахов Э. К. / «Приборы и системы управления», 1971, № 4, с. 9-14.

9. Юлдашев, В. И. Преобразователь «напряжение низкого уровня частота» на интегральных схемах I Юлдашев В. И, Гутников В. С./ — «Автометрия», 1970, № 5, с. 126-128.

10. Шахов, Э. К. Преобразователь напряжения в частоту с компенсацией дрейфа нуля / Шахов Э. К., В. Ф. Тарасов, В. Г. Овчинников, И. Ф. Островский / — «Приборы и системы управления», 1971, №4, с. 15-17.

11. A.c. СССР №332570: Преобразователь напряжение частота: /Тарасов В. Ф., Шахов Э. К/ Опубл. в^ бюл. «Открытия; Изобретения; Пром; образцы^ Товарные знаки», 1972, №10,1 с. 224L

12. Тычино, К. ^. Преобразователи напряжения в- частоту. / М.: Энергия, 1972.- 64с.

13. Громкое, Н.В. Системный^ подход; к совершенствованию измерительных преобразователей / II.В. Громкое, В.А. Васильев II Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. 2010.- №4 — С. 2—7.

14. Мокрое, Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производство; Направления развития, объёмы рынка-// Датчики;и системы; 2000. №1. — С.28-30.

15. Харт X. Введение в измерительную технику: Пер. с нем.- М.: Мир, 1999.-391 с.

16. Васильев; В.А. Уменьшение влияния дестабилизирующих факторов на информативный сигнал датчиков // Датчики и системы. — 2002. — № 4. — С. 12.

17. Васильев, В.А. Информативное1 преобразование регистрирующих твёрдотельных структур // Приборы и- системы. Управление, контроль, диагностика. 2002. - №9. - С.40.'

18. Васильев, В:А. Классификация и методы уменьшения температурных погрешностей- датчиков на основе твёрдотельных структур' // Датчики- и системы. 2001. - № 12. - С.6-7.

19. Громкое, Н.В. Частотные тензопреобразователи с переменным напряжением питания* измерительной цепи // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2008.— №5. — С. 16-22.

20. Громкое, Н.В. Математическая модель и анализ влияния собственных шумов элементов схемы корректирующего1 канала на выходной сигнал измерительных преобразователей // Известия вузов Поволжья, ПензГУ, 2007. №4. — С. 152-165.

21. Васильев> В. А. Информационный ресурс регистрирующих твёрдотельных структур // Измерительная техника, 2002. № 7. - С.22.

22. Новик, И. Б. Введение в информационный мир / И. Б. Новик, А. Ш. Абдулаев. -М.: Наука, 1991.-228 с.

23. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение*в,системный анализ. М*.: Высшая школа, 1989. - 320 с.

24. Волкова, В.Н. Основы теории систем и системного анализа. Учебник для студентов вузов. / В. Н. Волкова/ А. А. Денисов. II — Изд. 2-е, переработанное и дополненное СПб.: Издательство СПбГТУ, 1999. - 510 с.

25. Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа / предисловие М. Я. Лемешева. М.: Изд-во МГУ им. М.В.Ломоносова, 1996. -107 с.

26. Громкое, Н.В. Проблемы, и основные направления исследований тонкоплёночных нано- и микроэлектромеханических систем датчиков давления/ Н.В.Громков, Е.М. Белозубое, В.А. Васильев// Датчики и системы. -М., 2009.- №8 С. 54 - 58.

27. ЪХ.Певзнер, Г. С. Агрегатирование в электроприборостроении / Г. С. Певзнер, Э. И. Цветков, М. Б. Цодиков. -М.: Энергия, 1981. 176 с.

28. Гришанов, А. А. Интегрирующие цифровые вольтметры / А. А. Гришанов, Е. И. Кондюкова, Б. Е. Редькин. — М.: Энергоиздат, 1981'. 121 с.

29. Прянишников, В. А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока / В: А. Прянишников. Л.: Энергия, 1976. - 221с.

30. Орнатский, П. П. Автоматические измерения и приборы / П. П. Орнатский / Киев: Вища шк.,1980. 560 с.

31. Шахов, Э.К. Интегрирующие развёртывающие преобразователи напряжения / Э. К. Шахов, В. Д. Михотин //— М.: Энергоатомиздат, 1986. -144 с.

32. Цыпкин, Я. 3. Теория линейных импульсных систем / Я. 3. Цыпкин. -М.: Физматгиз, 1963. 968 с.

33. Шахов, Э. К. Интегрирующие развертывающие преобразователи / Э. К. Шахов, В. Д. Михотин //Измерения, контроль, автоматизация. 1977. — № 1 (9).-С. 3-15.

34. Шахов, Э. К. Развитие алгоритмов и структур интегрирующего развертывающего преобразования / Э. К. Шахов // Измерения, контроль, автоматизация. 1978. - № 3(15). - С. 3-12.

35. Шахов, Э. К. Основные закономерности интегрирующего развертывающего преобразования / Э. К. Шахов // Информационно-измерительная техника: межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: ППИ, 1974. — Вып. 4. — С. 34—44.

36. Темников, Ф. Е. Теория развёртывающих систем / Ф. Е. Темников. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1963. 168 с.

37. Фельдбаум, А. А. Теоретические основы связи и управления / А. А. Фельдбаум, А. Д. Дудыкин, А. П. Мановцев, Н. И. Миролюбов. М. : Физматгиз, 1963. - 932 с.

38. Шахов, Э. К. Повышение помехоустойчивости цифровых средств измерения: учеб. пособие / Э. К. Шахов. Пенза: ППИ, 1983. - 76 с.

39. Шахов, Э. К Об использовании косвенной интерполяции для восстановления непрерывных сигналов при интегральном представлении информации / Э. К. Шахов // Информационно-измерительная техника: межвуз. сб. науч. тр. Пенза: ППИ, 1978. - Вып. 8. - С. 5-13.

40. Михотин, В. Д. Аналог теоремы Котельникова для интегрального представления информации / В. Д. Михотин // Известия вузов. Приборостроение. 1977. - Т. XX. - № 3. - С. 6-9.

41. Шахов, Э. К. Аналог ряда Котельникова для интегрального представления информации / Э. К. Шахов // Автоматика и телемеханика, 1979.-№7.-С. 185-190.

42. Касперович, А. Н. О динамике устройств интегральной выборки / А. Н. Касперович // Автометрия. 1980. - № 5. - С. 83-85.

43. Пат. 3745556 (США). Analog to - Digital Converter / H. A. Dorey. - 1973.

44. Мошнин, A. H. Повышение точности интегрирующего аналого-цифрового преобразования напряжения / А. Н. Мошнин // Цифровая информационно-измерительная техника: межвуз. сб. науч. тр. Пенза: ППИ, 1982.-Вып. 12.-С. 56-60.

45. Пат. 1072329 (Великобритания). Improvments in digital voltmeters / E. Metcalf; H. A. Dorey. 1967.

46. Махнанов, В. Д. Устройства частотного1 и, время-импульсного преобразования / В. Д. Махнанов, И. Т. Милохин. М.: Энергия, 1970.- 129 с.

47. Пат. 1416241 (Франция).Convertissuer integrateur / R. A. Andersen, R. E. Gooley. -1964:

48. Быстродействующие интегрирующие аналого-цифровые преобразователи1 // Контрольно-измерительная^ техника: Экспресс-информация.- М.: ВИНИТИ, 1982. № 22. - С. 4-10:

49. А.с. 930659 СССР." Интегрирующий время-импульсный преобразователь / В. Д: Михотин и др.. Опубл. в Б. И:, 1982. - № 19.

50. Михотин, В: Д. Точный преобразователь напряжения низкого уровня в» частоту / В: Д. Михотин, И. Ф. Островский, Э. К. Шахов // Сб. РИПОРТ. -М.: ВИМИ. 1974! - № 10. - С. 86.

51. Деч, Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа. -М.: Наука, 1965. 287 с.

52. Кончаловский В. Ю. К вопросу о точности цифрового вольтметра с двухтактным интегрированием / В. Ю. Кончаловский, А. И. Лазарев. В. Н. Малиновский, Г. В. Петров // Автометрия. 1972. - № 3. - С. 113-121.

53. Гутников, В. С. Интегрирующие операционные преобразователи с комбинированной обратной связью / В. С. Гутников, А. В. Клементьев, В. Я. Ложников // Измерительные преобразователи, приборы и устройства: сб. тр.- Омск: ОПИ, 1974. Вып. 2. - С. 12-19.

54. Швецкий, Б. И. Электронные цифровые приборы / Б. И. Швецкий, Киев : Технша, 1981.-247 с.

55. Гутников, В. С. Интегральная электроника в? измерительных устройствах / В. С. Гутников. JL: Энергия, 1980. — 247 с.

56. Кофлин, Р. Операционные усилители и линейные интегральные схемы / Р. Кофлин, Ф. Дрискол; под ред. М. В. Гальперина. М.: Мир, 1979. - 360 с.

57. Лифшиц, И. А. Вероятностный^ анализ систем автоматического управления. Т. 1 / И. А. Лифшиц, В. Н. Пугачев. — М.: Сов. радио, 1963-896с.

58. Судъин, G. Л. Монолитные преобразователи напряжения в частоту и частоты в1 напряжение / С. Л. Судьин // Цифровая информационно-измерительная техника: межвуз. сб. науч. тр. Пенза: ППИ, 1982. - Вып. 12. -С. 61-68.

59. A.c. СССР 1016696. Устройство для измерения температуры с частотным выходом / Н. П. Варламов и др.. Опубл. в Б. И., 1983. - № 17.

60. Х.Джексон, Р; Новейшие датчики / Р. Джексон. М. : Техносфера, 2007.

61. А. ван дер Зил Шумы при измерениях / Перевод с английского под ред. А. К. Нарышкина //- М.: Изд. Мир, 1979. 292 с.

62. Фрайден, Дж. Современные датчики: справочник / Дж. Фрайден. -М. : Техносфера, 2005.

63. Осадчий Е. П. Проектирование технических; средств автоматики* и телемеханики; Датчики систем автоматики / К. Hî Чернецов, Е. П. Осадчий;

64. В: Н. Спиридонов, В. И; Карпов. Пенза: НИИ, 1976. - 104с.• ' ' '

65. Осадчий Е. 77. Проектирование технических средств автоматики/ m телемеханики» / под ред. Е. П. Осадчего. Пенза: ПИИ, 1978. - 80 с.

66. Новицкий, 77. В-. Цифровые приборы s с частотными» датчиками / П. В . Новицкий, В. Г. Кнорринг, В. С. Гутников. ЛиЭнергия;. 1970) - 424 с.

67. Пат. № 3.528.022, НКИ 73-398 (США). Измеритель отношения давлений.

68. Пат. № 791165; НКИ 42 ri 11/52 (ГДР). Пневматический аналого-цифровой преобразователь.

69. Громкое, Н.В. Преобразователи параметров резистивных датчиков'.в; частотные сигналы / Н.В.Громкое II Датчики и системы. М., 2009 - №1 — С. 32-36.

70. Громкое, НЖ Преобразователи сигналов малого уровня с резистив-ных датчиков в частоту / Громкое, Н.В. // Инноватика 2008: Труды международной конференции.- Ульяновск: УлГУ, 2008. - С. 247.

71. Громкое, Н.В. Минимизация порога чувствительности усилителей постоянного тока с периодической коррекцией / Н.В.Громкое // Метрология. — М., 2009. №2 - С.35—50.

72. Громкое, Н.В. Условия минимизации порога чувствительности УПТ с периодической коррекцией /Н.В.Громкое// Известия вузов (Поволжский^ регион). Технические науки. №2. Пенза, 2008. - С. 97-105.

73. Аналого-цифровой преобразователь типа FALCOM для цифровою тензометрическою системы PR 9321 // Экспресс-информация. Испытательные приборы и стенды. 1973. -№ 45. - С. 8-12.

74. Аналого-частотный преобразователь ю его применение в измерительных системах // Экспресс-информация. Контрольно-измерительная техника. 1973.-№ 18. -С. 1-12.

75. A.c. СССР №769732, МКИ НОЗК 13/20. Преобразователь выходного параметра резистивного датчика biчастоту / В. Н. Вырыпаева, Л. Д1 Гарин, И. Ф. Островский, Е. Ф. Трифонов, В: Mi Фролов. Б. И. №-37, 1980.

76. А. с. СССР №748254, MKH'GOIR 17/10. Преобразователь приращения сопротивления в частоту / А. Д. Мозговой, Л. Н. Латышев. Б. И: № 26, 1980.

77. Разработка1 преобразователей разбаланса тензометрического моста в частоту: отчет о научно-исследовательской, работе подтеме № 753: ППИ; науч. рук. Шляндин В. М.; ответств. исполн. Шахов Э. К.; исполн.: Михотин В'. Д., Ерасов А. Б., Чувыкин Б. В'.

78. Разработка методов построения измерительных преобразователей параметров AR/R, AL/L, АС/С в частоту и в интервал времени: отчет о научно-исследовательской работе по теме № 475: ППИ; науч. рук. Шляндин В. М.

79. Ответств. исполн. Шахов Э. К.; исполн.: МихотинВ. Д., Чувыкин Б. В: Гос. регистрация- № -72032175.

80. Громков, Н. В. Преобразователи сигналов: малого уровня мостовых тензодатчиков вf частоту / Н. В. Громков // Коммутация и преобразование малых сигналов: материалы краткосрочного семинара. — Л.: ЛДНТП, 1980. -С. 49— 55.

81. Шахов, Э. К. Разделение функций основной принцип структурного совершенствования измерительных преобразователей / Э. К. Шахов // Цифровая^ информационно-измерительная техника: межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: ППИ, 1978. - Вып. 8. - G. 22-28.

82. Громков, Н. В. Устранение паразитной модуляции в частотных преобразователях / Н. В. Громков // Цифровая информационно-измерительная техника: межвуз. сб. науч. тр. Пенза: ППИ, 1980. - С. 32-35.

83. Михотин, В. Д. Моделирование одного класса интегрирующих преобразователей для анализа динамических характеристик / В. Д. Михотин,

84. Э: К. Шахов // Кибернетические методы в теории и практике измерений : тез. докл. IX Всесоюз. науч.-техн. конф. Ленинград, 19741

85. Шенк, X. Теория инженерного.эксперимента / Хг. Шенк.- М.: Мир; 1972.-382 с.

86. А. с. СССР № 828406. Преобразователь разбаланса тензомоста в частоту / Н. В. Громков, В. Д. Михотин, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин. -Опубл. в Б. И» №17, 1981.

87. Аналоговые интегральные схемы / под ред. Дж. Коппели. М.: Мир, 1977.-439 с.

88. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации / под ред. В. Б. Смолова. Л.: Энергия, 1976. - 336 с.

89. Шило, В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре / В. Л. Шило. М.: Сов: радио, 1974. - 312 с.

90. Громков, Н. В. Частотный тензометрический преобразователь / Н. В. Громков, В. Д. Михотин // Информационно-измерительные устройства в нефтяной промышленности: межвуз. сб. Уфа: УНИ, 1979. - С. 115—117.

91. А. с. СССР № 828097. Интегрирующий преобразователь разбаланса тензомоста в частоту следования импульсов / Н. В. Громков, С. Б. Шахов, Э: К. Шахов, В. М. Шляндин. Опубл. в Б. И., 1981. -№ 13.

92. A.c. СССР № 822352. Частотный преобразователь для тензодатчи-ков / Н. В. Громков, В! Д» Михотин, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин. Опубл. в Б. И., 1981.-№14.

93. A.c. СССР № 822351. Частотный тензопреобразователь / Н. В. Громков, В. Д. Михотин, С. Б. Шахов, Э. К. Шахов, В. М- Шляндин. Опубл. в Б. И., 1981.-№14.

94. А. с. СССР № 966893. Частотный преобразователь для тензодатчиков / Н. В. Громков, В. Д. Михотин, Б. В. Чувыкин, В. В. Метальников, А. В. Акимов. Опубл. в Б. И., 1982. - № 38.

95. Belozubov E. M., Vasil'ev V. A., Izmailov D. A. Effect of thermal, shock on a membrane-type transducer // Measurement Techniques. USA, New York: Springer, 2009. - V. 52. - N 2. - P: 155 - 160.

96. Мокрое E. А. Совершенствование датчиков^ давления, методом идентичных тензоэлементов / Мокров Е.А., Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. // Мир измерений. Госстандарт России, 2007. №8. - С. 6.

97. Rossi G.B., Salieri P., Sartori S. Measurement growth in a total quality perspective // Measurement, September 2002. V.32, No2- P. 117-123.

98. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник в 3-х томах. Т.1 (кн.1) / Под общ. ред. Ю. Н. Коптева; Под ред. Е. Е. Богдатьева, А. В. Гориша, Я. В. Малкова. -М.: ИПРЖ, 1998.-^58 с.

99. Крысин Ю.М. Информационно структурные принципы совершенствования средств измерений / Ю: М Крысин., М. Ю. Михеев, И. Ю. Сёмочкина, Б. В. Чувыкин: Монография. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999.-134 с.

100. Мокрое ЕЛ., Васильев? В.А., Белозубое Е.М. Применение термозащитных пленок для минимизации влияния нестационарных температур на тонкопленочные тензорезисторные датчики давления // Датчики и системы.-2005. № 9. С. 21 —23.

101. Белозубое?Е: М:, Белозубоеа ILE. Тонкоплёночные тензорезисторные датчики давления — изделия нано- и м икросистемной техники // Нано- и микросистемная техника 2007. - №. 12. - С. 49 — 51.

102. Proceedings of IEEE Sensors Orlando, Florida, USA, 2002: 1783 p.

103. The MEMS Handbook, Edited by Mohamed.Gad-el-Hak- London: CRG PRESS, 2002.-1476 p.

104. Fundamentals of Microfabrication, Interlaken, Switzerrland, 2002-61 O p.

105. Патент РФ № 1615578 5G01L 9/04. Датчик давления;/ Белозубов

106. Е.М. // Б.И № 47 от.23.12.90.i

107. А. с. СССР № 1597623; МКИ G 01 L 9/04. Устройство для измерения? давления / В. А. Васильев; А. И. Тихонов // Б.И. № 37 от 07.10.1990 г.,

108. А. с. СССР № 1515081, МКИ G 01 L 9/04. Датчик давления / В. А. Васильев, Е.П. Осадчий, А.И. Тихонов // Б.И. № 38 от 15.10.1989 г.

109. Васильев В.А. Уменьшение влияния дестабилизирующих факторов на информативный сигнал датчиков // Датчики и системы. М., 2002. - №4. - С.12-15.

110. Васильев В:А. Информационно-структурный анализ и синтез систем преобразования информации с гетерогенными1 структурами, // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. М., 2004 - №1. - С.24.

111. Васильев В.А. Принятие решений при проектировании преобразователей информации // Автоматизация и современные технологии. -М., 2003.—№ 11.

112. Мокрое Е.А., Васильев В.А., Белозубое Е.М. Применение элементов системологии для- минимизации влияния дестабилизирующих факторов натонкопленочные тензорезисторные датчики давления // Датчики и системы: -М., 2005. -№ 3. С.10-12.

113. Белозубое Е. M., Белозубова Н.Е. Тонкоплёночные тензорезисторные-датчики давления — изделия нано- и микросистемной техники // Нано- и микросистемная техника 2007." - №. 12'. - С. 49 - 51.

114. Proceedings of IEEE Sensors Orlando, Florida, USA, 2002.

115. The MEMS Handbook, Edited by Mohamed Gad-el-Hak- London: CRC PRESS, 2002. 18. Fundamentals of Microfabrication, Interlaken, Switzerland, 2002.

116. Патент РФ-№• 16155785 G01L 9/04. Датчик давления./ Белозубов Е.М: // Б.И: № 47 от 23.12.90.

117. А. с. СССР № 1597623, МКИ G OI L 9/04. Устройство для измере-ниядавления / В. А. Васильев, А. И. Тихонов // Б.И. № 37 от 07.10.1990 г.

118. А. с. СССР № 1525505; MKH'G 01 L 9/04. Датчик давления / В. А. Васильев, А. И. Тихонов // Б.И. № 441от 30.11.1989 г.

119. А. с. СССР № 1422031, МКИ G 01 L 9/04'. Датчик давления / А. И: Тихонов, В. А. Васильев, В. А. Тихоненков, А. И. Жучков, В.А. Семёнов // Б.И № 33 от 07.09.1988 г.

120. Васильев В.А. Классификация и методы уменьшения температурных погрешностей датчиков на основе твёрдотельных структур // Датчики и системы. М:, 2001. - №12. - С.6.

121. Тихоненков В.А., Тихонов А.И. Теория, расчет и основы проектирования датчиков механических величин. Ульяновск: УлГТУ, 2000. 452с.

122. Васильев В. А. Уменьшение влияния дестабилизирующих факторов? на информативный сигнал датчиков // Датчики и системы. М., 2002. - №4. — С.12-15.

123. A.c. СССР N 1337691; МКИ G 01 L 9/04. Датчик давления./ Тихонов

124. A.И.,Тихоненков В.А., Жучков А.И:, ВасильевВ:А.//B.H.N48 от 15.09:1987 г.

125. Патент РФ 1615578 5G01L 9/04. Датчик давления./ Белозубов Е.М. // Б .И. № 47 от 23 Л2.90.

126. А. с. СССР № 1490515, МКИ G OIL 9/04. Устройство для измерения, давления / В. А. Васильев, А. И. Тихонов // Б.И. № 24 от 30.06.1989 г.

127. Н.В.Громкое Патент РФ №2375689. Термоустойчивый тонкоплёночный тензорезисторный датчик давления / Н.В.Громкое, Е.М.Белозубое,

128. B.А.Васильев, Т.Н.Рыжова //-Опубл. 10.12.2009. Бюл. № 34.

129. Белозубов Е.М. Патент РФ № 2031355, 6G01B 7/16. Способ термокомпенсации тензомоста. Бюл. № 8 от 20.03.95.

130. Васильев В.А., Тихонов А.И. Датчик давления. А. с. СССР 1525504, G01L 9/04,1987, Бюл. № 44 от ЗОЛ 1.1989.

131. Национальном! информационном * фонде неопубликованных документов» ФАО ГКЦИТ, г. Москва, 02.06.2008 г. гос. per. № 50200801123.

132. Белозубое Е.М. Патент РФ № 2031355, 6G01B 7/16. Способ термокомпенсации тензомоста. Бюл. № 8 от 20.03.95.

133. Васильев В. А. Технологические особенности твёрдотельных мембранных чувствительных элементов // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение- М., 2002 № 4 — С.97-108.

134. Белозубое Е.М. Патент РФ № 1615578 5G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 23.12.90. Бюл. № 47.

135. Белозубое Е. М., Белозубова Н.Е. Тонкоплёночные тензорезис-торные датчики- давления изделия нано- и микросистемной техники // Нано- и микросистемная(техника — М., 2007. - №: 12. - С. 49 - 51.

136. Васильев В.А., Тихонов А.И. Анализ и синтез измерительных цепей преобразователей информации на основе твёрдотельных структур // Метрология. М., 2003. -№ 1. - С.3-20.

137. Белозубое Е.М., Васильев В.А., Измайлов Д.А. Моделирование термоударных характеристик тонкоплёночных тензорезисторных датчиков давления // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. М., 2008. — № 12.-С. 16-21.

138. Громкое Н.В. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по ' заявке №2009127951/28(0038884). Частотный преобразователь сигналаразбаланса тензомоста с уменьшенной температурной погрешностью / В.А.Васшьее, Н.В.Громкое И зарегистрировано 20.07.2009.I

139. Громкое Н.В. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2009129559/09(041172). Частотный преобразователь сигнала разбаланса тензомоста / В.А.Васильев, Н.В.Громкое II зарегистрировано 31.07.2009.

140. Громкое Н.В. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2009142167/28(059993). Датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом / В.А.Васшьее, Н.В.Громкое II зарегистрировано 16.11.2009.