RU2412429C1

RU2412429C1 - Sensor-metre of physical values

Info

Publication number: RU2412429C1
Application number: RU2009136404/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Кравченко (RU); Александр Михайлович Кравченко
Original assignee: Александр Михайлович Кравченко
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-02-20

Abstract

FIELD: instrument making. ^ SUBSTANCE: sensor-metre comprises semiconductor converter, current-limiting loading resistor, generator of pulse voltage of converter supply, digital metre of peak voltages of pulses, digital device to memorise coordinates of calibration characteristic of converter, digital indicator of measured physical value. Feature of this sensor-metre is the fact that converter of physical value is arranged in the form of unit made of two electrically connected converters. Primary converter is made in the form of resistive element sensitive to physical value, secondary converter is arranged in the form of transistor-resistor circuit of S-double-pole device. Generator of pulse voltage is arranged in the form of controlled generator of sawtooth pulses. ^ EFFECT: improved accuracy and reliability of measurement results due to increased stability of calibration characteristic of sensor-metre with expansion of spectrum of measured physical values. ^ 3 dwg

Description

Датчик-измеритель относится к приборам, предназначенным для измерения величин различной физической природы - температуры, интенсивности электромагнитного излучения ИК, видимого и УФ-диапазонов, напряженности магнитного поля, механического давления и других величин, способных изменять сопротивление чувствительного резистора, используемого в качестве первичного преобразователя. Он предназначен для применения в тех областях, где требуется высокая чувствительность и быстродействие, тепловая безынерционность и стабильность измерений. В ряду многочисленных областей это, прежде всего, современная диагностическая и физиотерапевтическая медицина.Sensor-meter refers to devices designed to measure quantities of various physical nature - temperature, electromagnetic radiation intensity of the IR, visible and UV ranges, magnetic field strength, mechanical pressure and other quantities that can change the resistance of a sensitive resistor used as a primary transducer. It is intended for use in areas where high sensitivity and speed, thermal inertia and stability of measurements are required. Among many areas, this is, first of all, modern diagnostic and physiotherapeutic medicine.

Традиционно используемые при построении датчиков преобразователи физических величин обладают гладкой и монотонной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), работают в режиме питания постоянным или переменным током значительной величины и подвержены самонагреву. Для минимизации самонагрева необходимо снижение средней величины рабочего тока преобразователя. Этого можно достигнуть при переходе на режим питания короткими импульсами, следующими с большой скважностью. Однако к такому режиму традиционные преобразователи мало пригодны и для его реализации их использование потребует неоправданные схемотехнические затраты, которые в итоге не дадут положительного эффекта.Converters of physical quantities traditionally used in the construction of sensors have a smooth and monotonous current-voltage characteristic (CVC), they operate in a constant or alternating current power supply mode of significant magnitude and are subject to self-heating. To minimize self-heating, it is necessary to reduce the average value of the operating current of the converter. This can be achieved by switching to a diet with short pulses, followed by a high duty cycle. However, traditional converters are of little use for such a regime, and for its implementation their use will require unjustified circuitry costs, which in the end will not produce a positive effect.

Более перспективными в этом смысле являются датчики-измерители, в которых применен преобразователь, обладающий S-образной ВАХ переключательного типа, на которой уровень порогового напряжения переключения зависит от измеряемой физической величины. Описание такого датчика приведено в патенте «Цифровой способ измерения температуры и устройство для его реализации» [1]. Это устройство является наиболее близким к предложенному датчику-измерителю и принято в качестве его прототипа. Для датчика-прототипа характерна низкая тепловая инерционность при очень малых габаритах первичного преобразователя (S-термодиода).In this sense, measuring sensors are more promising, in which a converter is used that has an S-shaped current-voltage characteristic of the switching type, at which the level of the threshold switching voltage depends on the measured physical quantity. A description of such a sensor is given in the patent "Digital method for measuring temperature and a device for its implementation" [1]. This device is the closest to the proposed sensor-meter and adopted as its prototype. The prototype sensor is characterized by low thermal inertia with very small dimensions of the primary transducer (S-thermal diode).

Однако вследствие того, что первичным преобразователем датчика-прототипа является чувствительный к температуре S-диод [2], то область применения этого датчика ограничена температурными измерениями. Существенным недостатком датчика-прототипа является то, что р-n структура S-диода может проявлять в работе некоторую нестабильность, ухудшающую метрологические параметры датчика. Как чувствительный элемент S-диод требует технологии изготовления очень высокого качества, чистоты исходного материала и строгой дозировки легирующих примесей. При уникально высокой чувствительности к внешним воздействиям стабильность в работе таких структур не высока, их характеристики «плывут».However, due to the fact that the primary transducer of the prototype sensor is a temperature-sensitive S-diode [2], the scope of this sensor is limited to temperature measurements. A significant disadvantage of the prototype sensor is that the pn structure of the S-diode may exhibit some instability in operation, worsening the metrological parameters of the sensor. As a sensitive element, the S-diode requires manufacturing technology of very high quality, purity of the starting material and a strict dosage of dopants. With a uniquely high sensitivity to external influences, the stability in the operation of such structures is not high, their characteristics "float".

Целью изобретения является повышение точности и надежности результатов измерений за счет повышения стабильности градуировочной характеристики датчика-измерителя при расширении спектра измеряемых им физических величин.The aim of the invention is to improve the accuracy and reliability of the measurement results by increasing the stability of the calibration characteristics of the sensor meter when expanding the range of measured physical quantities.

Поставленная цель достигается следующим образом. В датчике-измерителе физических величин, содержащем полупроводниковый преобразователь измеряемой физической величины в электрический сигнал, имеющий переключательную S-образную вольт-амперную характеристику, на которой порог напряжения переключения зависит от измеряемой физической величины, токоограничительный нагрузочный резистор, включенный между выходным электродом преобразователя и общей шиной, генератор импульсного напряжения питания преобразователя, подключенный выходом к входному электроду преобразователя, цифровой измеритель пиковых напряжений импульсов, снабженный входом стробирования и подключенный входом стробирования к выходному электроду преобразователя, а измерительным входом - к выходу генератора, цифровое устройство запоминания координат градуировочной характеристики преобразователя, подключенное входом к выходу измерителя пиковых напряжений, и цифровой индикатор измеренной физической величины, подключенный входом к выходу устройства запоминания координат градуировочной характеристики, преобразователь физической величины выполнен в виде блока, состоящего из двух электрически соединенных преобразователей - первичного, выполненного в виде чувствительного к физической величине резистивного элемента, и вторичного, выполненного в виде транзисторно-резисторной схемы S-двухполюсника, формирующего S-образную вольт-амперную характеристику, причем резистивный чувствительный элемент подключен к схеме S-двухполюсника таким образом, что его сопротивление задает величину порогового напряжения переключения S-двухполюсника, а входной и выходной электроды S-двухполюсника являются соответственно входным и выходным электродами блока преобразователя, генератор импульсного напряжения выполнен в виде управляемого генератора пилообразных импульсов, дополнительно снабженного управляющим входом стробирования, который подключен к выходному электроду блока преобразователя.The goal is achieved as follows. In a physical quantity measuring transducer comprising a semiconductor converter of a measured physical quantity into an electrical signal having an S-shaped switching current-voltage characteristic, on which the switching voltage threshold depends on the measured physical quantity, a current-limiting load resistor connected between the converter output electrode and the common bus , the generator of the switching voltage of the power supply of the converter, connected by the output to the input electrode of the converter, digital a peak pulse voltage meter equipped with a strobing input and connected to the output of the strobing input of the converter, and a measuring input to the output of the generator, a digital device for storing the coordinates of the calibration characteristics of the converter connected to the output of the peak voltage meter, and a digital indicator of the measured physical quantity connected to the input to the output of the device for storing coordinates of the calibration characteristic, the physical quantity converter is made in in the form of a block consisting of two electrically connected converters - the primary, made in the form of a resistive element sensitive to physical quantity, and the secondary, made in the form of a transistor-resistor circuit of an S-two-terminal, forming an S-shaped voltage-current characteristic, and the resistive sensitive element is connected to the circuit of the S-two-terminal network in such a way that its resistance sets the value of the switching threshold voltage of the S-two-terminal device, and I input and output electrodes of the S-two-terminal device They are respectively input and output electrodes of the converter unit, the pulse voltage generator is made in the form of a controlled sawtooth pulse generator, additionally equipped with a control gate input, which is connected to the output electrode of the converter unit.

Сущность положительного эффекта, полученного в изобретении, заключается в следующем. Во-первых, расширен спектр измеряемых датчиком физических величин за счет использования в качестве преобразователя вместо S-термодиода резистивного чувствительного элемента, подключенного к схеме S-двухполюсника [3]. Причем вид резистивного элемента выбирается в соответствии с поставленной задачей измерения. То есть это может быть терморезистор, фоторезистор различного диапазона, магниторезистор, тензорезистор или какой-либо другой резистор, чувствительный к измеряемой физической величине. Во-вторых, однородная структура резистора более устойчива к температурным нагрузкам и более стабильна в работе, чем специализированная р-n структура. Это повышает надежность и достоверность результатов измерений. И кроме того, чувствительные резисторы могут изготавливаться тонкопленочными. Это уменьшает инерционность процесса восприятия и первичного преобразования физической величины, повышает быстродействие датчика и уменьшает динамическую погрешность измерения.The essence of the positive effect obtained in the invention is as follows. Firstly, the spectrum of physical quantities measured by the sensor has been expanded due to the use of a resistive sensitive element connected to the S-two-terminal circuit as a converter instead of an S-thermal diode [3]. Moreover, the type of resistive element is selected in accordance with the task of measurement. That is, it can be a thermistor, a photoresistor of a different range, a magnetoresistor, a strain gauge, or some other resistor that is sensitive to the measured physical quantity. Secondly, the homogeneous structure of the resistor is more resistant to temperature loads and more stable in operation than a specialized pn structure. This increases the reliability and reliability of the measurement results. And besides, sensitive resistors can be made thin-film. This reduces the inertia of the perception process and the primary conversion of the physical quantity, increases the speed of the sensor and reduces the dynamic measurement error.

Таким образом, наличие в предложенном техническом решении указанной совокупности признаков, отличающих его от прототипа, обусловливает появление в нем свойств, предопределяющих положительный эффект.Thus, the presence in the proposed technical solution of the specified set of features that distinguish it from the prototype, determines the appearance in it of properties that predetermine a positive effect.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг.1 - функциональная схема датчика-измерителя; на фиг.2 - схема преобразователя физических величин; на фиг.3 - диаграммы, поясняющие принцип работы датчика-измерителя. На иллюстрациях введены следующие обозначения. На фиг.1: 1 - преобразователь физической величины с S-образной ВАХ, 2 - токоограничительный нагрузочный резистор, 3 - управляемый генератор пилообразного импульсного напряжения, 4 - цифровой измеритель пиковых напряжений импульсов, 5 - цифровое устройство запоминания координат градуировочной характеристики преобразователя, 6 - цифровой индикатор измеренной физической величины, 7 - резистивный чувствительный элемент (первичный преобразователь), 8 - транзисторно-резисторный S-двухполюсник (вторичный преобразователь), индексом S обозначены входы стробирования. На фиг.2 обозначено: 9 - измеряемая физическая величина; VT1, VT2 - пара транзисторов взаимно противоположного типа проводимости; R1-R4 - резисторы; Rпп - резистивный элемент, чувствительный к физической величине (первичный преобразователь). Он может быть подключен к S-двухполюснику в трех вариантах: параллельно резистору R4, последовательно с R4 или вместо R4. На диаграммах фиг.3 изображено: а) импульсное пилообразное напряжение на выходе генератора 3; б) S-образная переключательная ВАХ преобразователя, U_S - напряжение на входном электроде преобразователя, I_S - ток через преобразователь, т.т. А, В, С - точки переключения преобразователя из закрытого состояния в открытое при различных уровнях воздействия физической величины θ_A,θ_B,θ_C,; в) строб-импульсы на выходе преобразователя, снимаемые с нагрузочного резистора Rн; г) оцифрованные значения N_A, N_B, N_С напряжений переключения преобразователя.The invention is illustrated by drawings, in which: FIG. 1 is a functional diagram of a sensor meter; figure 2 - diagram of the Converter of physical quantities; figure 3 is a diagram explaining the principle of operation of the sensor-meter. The following notation is introduced in the illustrations. In Fig.1: 1 - a physical quantity converter with an S-shaped I-V characteristic, 2 - current-limiting load resistor, 3 - a controlled sawtooth pulse voltage generator, 4 - a digital peak voltage pulse meter, 5 - a digital device for storing the coordinates of the calibration characteristics of the converter, 6 - digital indicator of the measured physical quantity, 7 - resistive sensitive element (primary converter), 8 - transistor-resistor S-two-terminal (secondary converter), index S denotes inputs trobirovaniya. In figure 2 is indicated: 9 - measured physical quantity; VT1, VT2 - a pair of transistors of the opposite type of conductivity; R1-R4 - resistors; Rpp is a resistive element that is sensitive to physical quantity (primary converter). It can be connected to the S-two-terminal in three versions: parallel to the resistor R4, in series with R4 or instead of R4. The diagrams of figure 3 show: a) a pulsed sawtooth voltage at the output of the generator 3; b) S-shaped switching CVC of the converter, U _S - voltage at the input electrode of the converter, I _S - current through the converter, i.e. A, B, C are the switching points of the converter from a closed state to an open at various levels of exposure to a physical quantity θ _A, θ _B, θ _C ,; C) strobe pulses at the output of the Converter, removed from the load resistor Rn; d) the digitized values of N _A , N _B , N _With the switching voltage of the Converter.

Датчик-измеритель работает следующим образом. На подготовительном этапе опытным путем методом сравнения с эталоном строят градуировочную характеристику преобразователя (ГХП) для реально используемого типа и образца резистивного чувствительного элемента. ГХП описывает зависимость порогового напряжения переключения S-двухполюсника от интенсивности воздействия измеряемой физической величины на резистивный чувствительный элемент. Координаты ГХП в оцифрованном виде запоминают с заданной степенью дискретизации в устройстве 5 (фиг.1). В режиме измерений физической величиной θ(t) воздействуют на резистивный чувствительный элемент 7. С выхода генератора 3 периодически нарастающее пилообразное напряжение (фиг.3,а) поступает на входной электрод S-двухполюсника 8 и измерительный вход цифрового измерителя 4 пиковых напряжений. В зависимости от интенсивности воздействия величины 8(t) изменяется сопротивление Rпп (фиг.2), задающее пороговый уровень напряжения переключения S-двухполюсника из закрытого состояния в открытое. На ВАХ S-двухполюсниках (фиг.3,б) эти уровни обозначены точками А, В, С (т.т. А', В', С' - точки устойчивого удерживания в открытом состоянии). Внутреннее сопротивление цепи открывшегося S-двухполюсника скачком падает (участок отрицательного дифференциального сопротивления) и происходит перераспределение входного питающего напряжения (Uген на фиг.2 или U_A, U_B, U_C на фиг.3, б) между последовательно соединенными цепью S-двухполюсника и нагрузочным резистором Rн, которое вызывает на этом резисторе скачок напряжения U_R (фиг.3,в). Скачок напряжения, снимаемый с нагрузочного резистора Rн, подается в качестве управляющего сигнала на входы стробирования S генератора 3 пилообразного напряжения и измерителя 4 пиковых напряжений (фиг.1). Передний фронт этого скачка задает момент среза пилообразного импульса на выходе генератора 3 и момент измерительного отсчета пика импульсного напряжения на измерительном входе цифрового измерителя 4. При этом подача питающего напряжения на входной электрод преобразователя 1 прекращается. На выходном электроде преобразователя 1 один раз за измерительный цикл формируется короткий строб-импульс, длительность которого определяется временем срабатывания управляющей цепи обратной связи, обнуляющей импульс питания (на фиг.3,в U_RA, U_RB, U_RC). Токовая нагрузка, задаваемая этим импульсом, делится между первичным и вторичным преобразователями, то есть между сопротивлениями чувствительного резистора Rпп и схемы S-двухполюсника. Напряжение переключения, измеренное цифровым измерителем 4, подается в цифровом виде на вход устройства 5 запоминания координат ГХП, в котором осуществляется его сравнение с массивом координат напряжений переключения и по координате наиболее близкого напряжения производится выборка соответствующего этому напряжению значения физической величины, которое в качестве результата измерения подается на цифровой индикатор 6.The sensor meter works as follows. At the preparatory stage, empirically, by means of a comparison with a standard, the calibration characteristic of the transducer (GHP) is built for the actual type and sample of the resistive sensitive element. GHP describes the dependence of the switching threshold voltage of an S-two-terminal network on the intensity of the effect of a measured physical quantity on a resistive sensitive element. The coordinates of the GHC in digital form are stored with a given degree of sampling in device 5 (Fig. 1). In the measurement mode, the physical quantity θ (t) acts on the resistive sensitive element 7. From the output of the generator 3, a periodically increasing sawtooth voltage (Fig. 3, a) is supplied to the input electrode of the S-two-terminal 8 and the measuring input of the digital peak voltage meter 4. Depending on the intensity of the effect of magnitude 8 (t), the resistance Rpp changes (Fig. 2), which sets the threshold level of the switching voltage of the S-two-terminal network from closed to open. On the I – V characteristics of S-two-terminal devices (Fig. 3, b), these levels are indicated by points A, B, C (i.e., A ', B', C 'are the points of stable holding in the open state). The internal resistance of the opened S-two-terminal circuit jumps abruptly (the negative differential resistance section) and the input voltage is redistributed (Ugen in FIG. 2 or U _A , U _B , U _C in FIG. 3, b) between the S-two-terminal circuit connected in series and a load resistor Rн, which causes a voltage surge U _R on this resistor (Fig. 3, c). The voltage step taken from the load resistor Rн is supplied as a control signal to the gating inputs S of the sawtooth voltage generator 3 and peak voltage meter 4 (Fig. 1). The leading edge of this jump sets the cutoff moment of the sawtooth pulse at the output of the generator 3 and the moment of the measuring readout of the pulse voltage peak at the measuring input of the digital meter 4. In this case, the supply voltage to the input electrode of the converter 1 is stopped. At the output electrode of the transducer 1, a short strobe pulse is formed once per measuring cycle, the duration of which is determined by the response time of the feedback control circuit, which resets the power pulse (Fig. 3, in U _RA , U _RB , U _RC ). The current load specified by this pulse is divided between the primary and secondary converters, that is, between the resistances of the sensitive resistor Rpp and the S-two-terminal circuit. The switching voltage measured by a digital meter 4 is supplied in digital form to the input of the GCP coordinate storage device 5, in which it is compared with an array of coordinates of the switching voltages and the physical value corresponding to this voltage is sampled using the coordinate of the closest voltage, which is the measurement result fed to digital indicator 6.

Таким образом, за один измерительный цикл (с заданным временем - десятые доли или единицы секунд) в среднем на первичном преобразователе, то есть резистивном чувствительном элементе, рассеивается микроскопическая доза тепловой мощности (порядка 1 мкВт), не вызывающая ускоренного старения чувствительной структуры первичного преобразователя и не искажающая результат измерения. В итоге этот фактор становится определяющим в повышении долговременной стабильности градуировочной характеристики датчика измерителя и соответственно в повышении точности и надежности измерений.Thus, in one measurement cycle (with a given time - tenths or units of seconds) on average, a microscopic dose of thermal power (of the order of 1 μW) is dissipated on the primary transducer, i.e., a resistive sensitive element, which does not cause accelerated aging of the sensitive structure of the primary transducer and not distorting the measurement result. As a result, this factor becomes decisive in increasing the long-term stability of the calibration characteristics of the meter sensor and, accordingly, in increasing the accuracy and reliability of measurements.

Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеизложенные отличительные признаки датчика-измерителя в их данной совокупности и полезной целенаправленности. Это позволяет сделать вывод о том, что «изобретение является новым» и соответствует критерию «изобретательский уровень».From the patent and scientific literature not known above are the distinguishing features of the sensor-meter in their given combination and useful focus. This allows us to conclude that "the invention is new" and meets the criterion of "inventive step".

Технический результат, полученный в изобретении, заключается в повышении точности и надежности измерений, при расширении спектра измеряемых физических величин.The technical result obtained in the invention is to increase the accuracy and reliability of measurements, while expanding the range of measured physical quantities.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2344384 С1. Цифровой способ измерения температуры и устройство для его реализации. Кл. G01K 7/42, 2009, бюл. №2.1. Patent RU 2344384 C1. A digital method of measuring temperature and a device for its implementation. Kl. G01K 7/42, 2009, bull. No. 2.

2. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990, с.202-234.2. Vikulin I.M., Stafeev V.I. Physics of semiconductor devices. M .: Radio and communications, 1990, p.202-234.

3. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства. Справочник. М.: Радио и связь, 1984, с.95-99.3. Goroshkov B.I. Radio electronic devices. Directory. M .: Radio and communications, 1984, p. 95-99.

Claims

A physical quantity measuring sensor comprising a semiconductor converter of a measured physical quantity into an electrical signal having an S-shaped switching current-voltage characteristic, on which the switching voltage threshold depends on the measured physical quantity, a current limiting load resistor connected between the output electrode of the converter and the common bus, the generator of the switching voltage of the power supply of the converter, connected by the output to the input electrode of the converter, digitally measure a peak voltage pulse generator equipped with a strobing input and connected to a strobing input to the output electrode of the converter, and a measuring input to the generator output, a digital device for storing the coordinates of the calibration characteristics of the converter connected to the output of the peak voltage meter, and a digital indicator of the measured physical quantity connected to the input to the output of the device for storing coordinates of the calibration characteristic, characterized in that the physical converter The values are made in the form of a unit consisting of two electrically connected converters - primary, made in the form of a resistive element sensitive to physical quantity, and - secondary, made in the form of a transistor-resistor circuit of an S-two-terminal network, forming an S-shaped current-voltage characteristic, and the resistive sensitive element is connected to the S-two-terminal circuit in such a way that its resistance sets the threshold voltage of the S-two-terminal switching, and the input and output electrodes S- bipolar are respectively the input and output electrodes of the converter unit, the pulse voltage generator is made in the form of a controlled sawtooth pulse generator, additionally equipped with a control gate input, which is connected to the output electrode of the converter unit.