Периферийные измерительные устройства

В структуре современной информатики вычислительная техника занимает стержне вое положение благодаря тому, что технические средства вычислительной техники реализуют основные информационные процессы - получение информации, запоминание, передачу и отображение на наиболее высоком качественном уровне. Качественное выполнение общих информационных процессов привело к широкому распространению таких информационных технологий, как вычисления, программное управление, моделирование, консервирование информации.

Объединяющим принципом для информационных процессов и технологий служат принципы временной н пространственной дискретизации (позиционное представление информации), дискретизации аналоговых величин (квантование). Для автоматической дискретизации аналоговой информации, первоначально представленной в виде непрерывно изменяющихся по интенсивности и времени различных физических процессов, служат периферийные измерительные устройства. По функциональному назначению в информатике они являются автоматическими источниками информации доя технических систем при выполнении информационных технологий. Такие устройства считывают и преобразовывают в цифровую форму неоднородности внешней среды, 1еоторыми характеризуются физические процессы.

Поскольку считанная информация должна быть представлена в форме электрического сигнала, то наиболее простой и надежный способ ее получения заключается в воздействии на ограниченную область В11ешней среды (в которой происходят интересующие человека физические процессы) электрическим или магнитным полем. Неоднородности внешней среды модулируют величину потоков электрического нли магнитного поля, которое затем преобразуется измерительным преобразователем в электрический сигнал. При этом реализуются два способа считывания информации - посредством электрического и магнитного полей. Наиболее важной научной проблемой при реализации бесконтактных способов считывания является выбор такой формы электрических сигналов возбуждения, при которой достигается максимальная информационная мощность источника информации.

Авторами монографии впервые предложено решать проблему повышения информационной мощности за счет возбуждения измерительных преобразователей импульсными последовательностями в виде переключательных функций. Благодаря этому достигнуто единство технических, технологических и методологических решений, свойственных вычислительной технике. Применение сложных сигналов для возбуждения первичных преобразователей стало возможным в результате создания высокочувствительных приемников сигналов с программируемой функцией импульсного сигнала. Значительный интерес представляет реализация принципа накопления зарядов в биполярных структурах при формировании выходного сигнала программируемого приемника методом накопления. Биполярные схемы с накопле-

ниея варяда не требуют для своей реализации новых мифоэлектронных технологий и позволяют существенно повысить чувствительность измерительных устройств за счет улучшения отношения сигнал/шум.

Другой важной проблемой является выбор технических средств, обеспечивающих локализацию электрического воздействия и, следовательно, пространственное разрешение реализуемых методов считывания информации. Для решения этой проб-пгыы предложено использовать микрополосковые структуры, технологически совместимые с микроэлектроникой, что позволяет также повысить точностные характеристики периферийных измерительных устройств в результате применения методов фотолитографии и фотохимического травления.

Широкое распространение информационных технологий для технологического управления распределенными объектами, а также сбора экологической информации сдерживается в настоящее время отсутствием приемлемых решений проблемы обеспечения технико-экономической эффективности систем с большим количеством пространственно распределенных источников информации. Исследованная в настоящей работе матричная организация измерительных преобразователей существенно продвигает решение проблемы.

К настоящему времени измерительные периферийные устройства ЭВМ не имели единой схемотехнической и технологической основы, совместимой с микроэлектроникой, что существенно сдерживало развитие информатики в области автоматнческия источников информации. Существенное продвижение в этом направлении, полученное авторами монографии, позволяет по-новому подойти к решению задач автоматических измерений физических параметров технологических объектов, создавать более совершенные и надежные средства автоматизации, более успешно решать задачи автоматического сбора информации об экологическом состоянии окружающей среды.

ВВЕДЕНИЕ

Появление микропроцессорной техники положило начало сближению таких направлений информатики, как вычислительная техника и связь, телевидение и радиотехника, автоматизация производства и робототехника. Основами для интеграции стали характерные для вычислительной техники информационные технологии (математические вычисления, программирование технических параметров, моделирование физических процессов), что выразилось в структуризации технических направлений. Стало привычным в любой технической системе выделять уровни источников первичной информации, каналов передачи, переработки, накопления и отображения информации, выработки и передачи исполнительных сигналов. Такой структуризации в боль-цюй степени способствовало мышление кибернетическими понятиями, включая понятие обратной связи.

На современном этапе развития информационной техники наиболее низкие технико-экономические характеристики имеет уровень ав-юматического получения цифровой информации. Это объясняется технологической неоднородностью периферийной измерительной техники, . отсутствием единой схемотехнической и методической основы для ее<7остроения, низкой степенью унификации технических решений.

Преодолеть отставание в разработках периферийной измерительной техники можно посредством создания нового поколения высокочувствительных измерительных систем, способных преобразовывать изменения объемной проводимости, электрической и магнитной проницаемости контролируемой области пространства в электрический сигнал. Такие преобразователи работают; на принципе бесконтактного считывания неоднородностей внешней проводимости по отношению к чувствительному элементу среды. Для пространственной локализации контролируемой области внешней среды посредством выбора формы чувствительного элемента измерительного преобразователя целесообразно воспользоваться возможностями формообразования микроэлектронных технологий, в частности фотолитографии и фотохимического травления. Применение технологии микроэлектроники для получения чувствительных элементов создает благоприятные предпосылки для получения множества идентичных измерительных преобразователей с целью их включения по экономичной в отношении аппаратурных затрат матричной схеме.

Очевидно, что переход к микроминиатюризации чувствительных элементов измерительных преобразователей наряду с повышением пространственного разрешения и технологичности приведет к потере чувствительности. Для увеличения энергетической отдачи измеритель-

ных преобразователей в условиях низкого уровня модуляции параметров чувствительного элемента, измеряемым физическим воздействием» необходимо воспользоваться возбуждением в виде импульсных последовательностей. На первый взгляд может показаться, что отказ от традиционных способов возбуждения измерительных преобразователей постоянным напряжением в конденсаторных микрофонах, тензодат-чиках, датчиках Холла и др., а также отказ от возбуждения гармоническими сигналами, характерными для индуктивных и емкостных измерительных преобразователей, создает больше проблем, чем решает их. Высокую чувствительность измерительных устройств можно получить при условии, что выходной сигнал принимается оптимальным приемником, частотная характеристика которого согласована с при-, нимаемым сигналом. Для постоянного тока конечной длительности оптимальным приемником, как известно, является> интегратор, что и обусловило широкое применение в измерительной технике с перацион-ных усилителей в режиме интегрирования входного сигнала. Оптимальным приемником гармонического сигнала служит узкополосный усилитель, техника которого традиционно развивалась в рамках радиоприемных устройств.

Однако, несмотря на микроэлектронную технологию, как в случае операционных усилителей, или большой опыт применения, как в случае узкополосных резонансных усилителей, применение тех и других не обеспечивает требуемой помехоустойчивости по отношению к внешним помехам в производственных условиях. Решить указанную проблему можно с помощью модуляции сложных сигналов, например псевдослучайных импульсных последовательностей.

Для реализации этого пути авторами данной работы в 1982 г. использовано явление формирования сигнала в усилительных схемах путем накопления заряда в биполярных структурах [1]. На принципе накопления заряда разработан программируемый пргиемник сигналов [21, реализующий функцию оптимального приема амплитудно-модулированных импульсных сигналов в виде переключательных функций. Эю позволило использовать переключательные схемы для формирования импульсных последовательностей возбуждения измерительных преобразователей как для повышения выходной энергии полезного сигнала, так и для подавления помех в низкочастотном диапазоне спектра частот.

Считывание неоднородностей проводимости в области поля рассеивания чувствительного элемента с импульсным возбуждением положено в основу следующих классов периферийных измерительных устройств:

прецизионных устройств цифрового преобразования угловых и линейных перемещений;

устройста ввода графической информации;

конденсаторных микрофонов;

датчиков приближения;

бесконтактных измерителей допусков;

индукционных микроскопов;

измерителей толщин.

Глава 1

ПОЛУЧЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ ПЕРИФЕРИЙНЫМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

1.1. Автоматические источники м методы получения информации

Важным результатом технического развития следует считать признание единства энергетических и инфэрмационных процессов в современном машинном производстве. Ведущие энергетические процессы, такие, как разделение и синтез веществ, формообразование, транспортирование, ядерное деление вещества, сопровождаются процессами вычислений, получения, преобразования и передачи информации, ее запоминания, накопления и отображения. Информационное обслуживание энергетических процессов выполняется вычислительной техникой, которая по сравнению с человеком дает более высокую надежность и экономическую эффективность информационных процессов. Если рассматривать качество их выполнения, то приоритет остается за человеком в процессах распознавания, реализация которых связана с получением больших объемов информации и с ее корреляционной обработкой. На автоматическое получение информации и ее корреляционную обработку функционально ориентирован такой класс технических средств вычислительной техники, как ПИУ. Они непосредственно взаимодействуют с внешней средой для решения задач детерминированности внешней среды при реализации энергетических процессов. Огразвития техники ПИУ зависит в настоящее время степень освобождения человека от рутинного физического и умственного труда, поскольку они определяют интеллектуальный уровень автоматизации в сфере производства и других областях человеческой деятельности.

В современном машиностроении наиболее важными, судя по объему получаемой информации, следует считать ПИУ, обеспечивающие координатную информацию о положении движущихся частей машин и объектов обработки. Требуемый уровень параметров надежности и точности при автоматическом измерении координат достигается при бесконтактном взаимодействии объекта и измерительного устройства. Этому принципу удовлетворяют оптические методы считывания информации. Однако они дороги и недостаточно надежны вследствие деградации чувствительности приемников оптического излучения и уменьшения излучаемой мощности во времени при решении сравнительно простых задач получения координатной информации, к которым прежде всего относятся оптические преобразователи угла и измерители линейных перемещений [3]. При получении двухмерной координатной информации в системах технического зрения, где применяются види-коны и матрицы приборов с зарядовой связью, оптический метод