позволяет получить большую разрешающую способность. Однако при этом используется метод проекции, при котором на измерительные цепи воздействует двухмерное изображение трехмерного объекта, что снижает точность измерения координат.

Оптическому методу координатных измерений можно противопоставить метод импульсных излучателей квазистатического электрического и магнитного полей. Метод основан на том, что приближение излучателя к объекту приводит к изменению его емкости или индуктивности, по величине которых судят о взаимном положении излучателя и объекта. В случае одномерных координат на излучатель воздействует кодовая шкала в виде неоднородностей проводимости. Для получения двухмерных изображений объектов используются матрицы излучателей, которые взаимодействуют с объектом без перепроекции, а размер матрицы соизмерим с размером объекта. Конструктивной основой таких матриц являются микрополосковые структуры, моделирующиеся цепями в виде емкостных или индуктивных элементов, импульсное поле рассеивания которых взаимодействует с объектом.

Наиболее распространены в системах управления технологическими процессами ПИУ, обеспечивающие изменение физических параметров различных сред: температуры, давления, расхода, веса, интенсивности магнитного и электрического полей. Техника измерений параметров в средах характеризуется большим разнообразием технических решений, свидетельствующим об отсутствии общих методов получения информации о состоянии сред. Как и в координатных измерительных устройствах, главной проблемой является обеспечение развязки между измеряемой средой и измерительными цепями. При этом решается задача устранения влияния среды на работу измерительного устройства и минимизируется влияние измерительного устройства на физическое состояние среды.

Решающее влияние на качество решени*я таких задач оказывает принцип бесконтактного считывания состояния ЧЭ, параметры проводимости которого изменяются под воздействием параметров контролируемой среды. При температурных измерениях бесконтактный способ съема информации с ЧЭ позволяет поместить его в измеряемую среду и отделить считывающий элемент от чувствительного вакуумным промежутком. В случае измерения давления разделение сред выполняется вялой мембраной, воздействующей на силоизмерительный элемент, координатная информация с которого снимается бесконтактнЫлМ способом. Метод ЧЭ с бесконтактным считыванием информации позволяет визуализовать магнитные и электрические поля. С этой целью матрицу ЧЭ сопрягают с матрицей считывающих элементов. Первая служит для преобразования интенсивности поля в неоднородности проводимости, которые затем считываются импульсным магнитным или электрическим полем.

Применительно к методу бесконтактного считывания информации целесообразно сформулировать понятие УИП, преобразующего измеряемую величину в информационный параметр электрического сигнала (рис. 1.1). Наибольшим многообразием обладают чувствительные элементы, которые работают на принципе физических эффектов, свя-

Физиоесков боздейстбие

Рис. 1Л. Функциональная схема считывающего элемента ПИУ

бывающих физические во-адействия и параметры проводимости вещества. Например, проводимость тонкой пленки из чистого металла линейно зависит от температуры, что позволяет использовать ее в качестве ЧЭ измерительного преобразователя термометра. Тонкая магнитная пленка с анизотропными свойствами может применяться для Hv3Mepe-ния магнитного поля; для тех же целей можно использовать пленочный магниторезистор. Пленка фотопроводящего материала пригодна для преобразования освещенности в неоднородность проводимости. Важно заметить, что проводимость твердых тел Ла изменяется на 20 десятичных порядков от проводимости меди до проводимости кварца. Поэтому не существует единого метода считывания в таком диапазоне неоднородностей. Кроме того, физическое воздействие на ЧЭ часто проявляется в изменении электрической Ае или магнитной проницаемости. Это вынуждает развивать два взаимодополняющих метода считывания - электрическим и магнитным полем. Б импульсном электрическом поле регистрируется изменение диэлектрической проницаемости и проводимости полупроводников, а в магнитном измеряются проводимость металлов по величине индуцированных токов и сопротивление магнитному потоку при изменении магнитной проницаемости.

На рис. 1.1 показано, что физический процесс W (t) вызывает модуляцию Аа, Ак и А\х материалов ЧЭ, который со стороны считывающего элемента облучается электрическим полем с напряжением £ либо магнитным полем напряженности Н, Под воздействием импульсного поля создается ток в ЧЭ, что приводит к модуляции емкости АС или индуктивности AL чувствительного элемента. Таким образом, считывающий элемент является параметрическим элементом электрической цепи, по которой проходит ток, создаваемый напряжением возбуждения Ui (О- При этом модулированный Сигнал (i) появляется на выходе считывающего элемента в виде амплитудно-модулированной импульсной последовательности. Если по принципу действия считывающие элементы разделяются на емкостные и индуктивные, то в зависимости от требуемого пространственного разрешения, определяемого диаграммой направленности излучаемого поля, они могут иметь различное конструктивное исполнение.

Параметрические считывающие элементы выполняют операцию модуляции входного сигнала, поскольку их выходной сигнал в соответствии с законом Ома является произведением тока на приращение модулируемых параметров АС и AL. Практически для всех параметрических модуляторов характерен низкий коэффициент модуляции т == AZJZq, где AZ - модулируемый параметр: Zq - значение

параметра при нулевом физическом воздействии (т =10 для высококачественных конденсаторных микрофонов и ш = Юв силоизмери-тельных элементах). Следствием такого соотношения является возникновение на выходе считываюш.его элемента немодулированной составляющей выходного сигнала, которая по амплитуде многократно превосходит полезный сигнал.

Для устранения немодулированной части напряжения возбуждения Ui (t) или создания предпосылок для ее существенного ослабления считывающий элемент включают в измерительный мост. Независимо от вида элементов электрических цепей, включенных в плечи измерительного моста, он представляет собой два идентичных делителя напряжения, входы которых подключены к источнику напряжения (/i (О, а выходы к схеме вычитания напряжений одинаковой полярности. Нашли применение только две такие схемы: дифференциальная пара транзисторов с общим источником эмиттерного тока и трансформатор. Очевидно, что качество измерительного моста определяется стабильностью его элементов при неинформационных физических воздействиях, неизбежных в условиях эксплуатации измерительного устройства, включая старение. При современном уровне технологии полупроводниковых схем стабильность входных сопротивлений дифференциальной схемы существенно ниже стабильности трансформаторов. Кроме того, значение синфазного напряжения ограничено коллекторным напряжением. Среди трансформаторных схем особого внимания заслуживают микрополосковые трансформаторы, не содержащие фер-ритового магнитопровода. Их стабильность определяется только стабильностью проводников и диэлектриков, из которых они сконструированы. Другим важным достоинством таких трансформаторов является их технологическая совместимость с микроэлектроникой. Таким трансформаторам уделяется основное внимание в настоящей работе.

Применение емкостных делителей нaпf)яжeний с малыми значениями емкостей и микрополосковых трансформаторов с малыми значениями индуктивностей цепей, выполняемых способом фотохимической печати, приводит к дифференцированию напряжения (f) и, следовательно, к необходимости детектирования коротких импульсных сигналов. Кроме быстродействующих синхронных детекторов, описанных в настоящей работе, разработчик измерительного устройства может воспользоваться известными ему схемами синхронного детектирования среднего быстродействия, применив для вычитания синфазных составляющих ферритовый импульсный трансформатор, который интегрирует короткие импульсы благодаря спаду частотной характеристики в области высоких частот почти по закону обратной зависимости от частоты.

1.2. Чувствительные элементы

В предыдущем параграфе рассмотрены лишь некоторые возможные варианты построения емкостных и индуктивных считывающих элементов, дающие представление об их многообразии.

Если задаваться вопросом о факторах, определяющих такое много--образие, то следует иметь в виду способ отображения информации на носителе и способ взаимодействия носителя информации как множества чувствительных элементов со считывающими элементами на интервале времени взаимодействия. Различают динамические методы считывания, характеризующиеся относительным перемещением чувствительного и считывающего элементов, и статические, в которых скорость относительного перемещения существенно не влияет на значение сигнала за время считывания. При динамическом считывании информация отображается в носителе в виде пространственных неоднородностей магнитного или электрического полей рассеивания. Здесь в качестве ЧЭ, воздействующего на считывающий элемент, следует рассматривать минимальный участок носителя информации, где значение поля рассеивания существенно не изменяется. При двоичном способе представления ЧЭ несет I бит информации.

При статических способах считывания носителем информации является пространственная неоднородность проводимости вещества, а для считывания неоднородностей в виде поля подбирают вещества, способные преобразовать параметры поля в неоднородность проводимости.

Следовательно, при статическом считывании необходимо рассматривать два широких класса ЧЭ: вещества, помещенные в поле рассеивания считывающего элемента и сами служащие источниками информации, и вещества -- преобразователи интенсивности полей рассеивания различных источников в неоднородности проводимости. О многообразии ЧЭ дает представление рис. 1.2.

Емьостные и индуктивные считывающие элементы пригодны для измере1Н1я резистивной, емкостной или магнитной проводимости всех ьеществ: металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков, жидкостей, органических веществ и газов. Организация взаимодействия веществ с ЧЭ является целью технического проектирования и требует тщательного изучения каждой конкретной области применения- Совершенно недостаточно вести поиск оптимального решения задачи взаимодействия только в направлении приспособления считывающего элемента к исследуемому объекту. Более успешны решения при использовании всех возможностей оптимизации взаимодействия путем изменения формы объекта. Для этого часто применяют специальные модулирующие элементы, связанные с объектом: проводящие метки, кодовые шкалы, модуляторы сложной формы, реализующие функциональные зависимости при относительном перемещении считывающего элемента и объекта. Для подачи в область поля рассеивания считывающих элементов жидкостей и газов часто используются специальные питательные трубки и другие технические решения.

Следует иметь в виду, что во многих областях применения методами формообразования задача взаимодействия вещества и ЧЭ не решается. К таким задачам относится анализ химического состава, где требуется разрабатывать специальные методики и использовать в качестве ЧЭ вещества, обладающие свойствами изменять г а заметры проводимости при воздействии на них определенных химических веществ.

ЧубстЬительные элементы

\Ве{цест6а~грео5разобате -I At поля

Рис. 1.2. Универсальный измерительный преобразователь

Методически поступают так же, как и при считывании параметров полей, где применение специальных считывающих полей обязательно, поскольку ни электрическое поле емкостного считывающего элемента, ни магнитное поле индуктивного считывающего элемента непосредственно с этими и другими видами полей не взаимодействуют.

На рис. 1.2 показано, что технические средства организации взаимодействия полей очень разнообразны - от мембран конденсаторных микрофонов до проводящих слоев видиконов. Наряду с качественными отличиями элементов, чувствительных и нечувствительных к воздействию внешних полей, необходимо отметить различие требований к количеству таких элементов в измерительном устройстве. Задачи измерения интенсивности полей редко требуются одноточечными, а измерительные устройства - одноканальными. Поэтому на выбор чувствительных и считывающих элементов влияют возможности их матричного включения.

1.3. Индуктивные микрополосковые считывающие элементы

Принцип работы индуктивных считывающих элементов основан на взаимодействии магнитного поля рассеивания проводника с током с внешней по отношению к такому проводнику средой. Если на заряженный проведи 1к, к которому приложено напряжение, воздействие внешней среды всегда сводится к увеличению емкости, то воздействие ваеш-

ней среды на проводник с током приводит как к уменьшению, так и к увеличению индуктивности.

Индуктивность проводника L = Ф , где Ф-магнитный поток, который создается током /. Если окружающее пространство вокруг проводника заполнить ферроэлектриком, то индуктивность проводника возрастет в результате увеличения магнитного потока в связи с уменьшением магнитного сопротивления в цепи протекани/i магнитного потока, вызванного магнитным полем Я, связанным с током / законом полного тока:

/ = HdL

(1.1)

Изменение значения индуктивности легко обнаруживается при пропускании через проводник переменного тока по возникновению ЭДС самоиндукции

d! dt

(1.2)

Однако на практике нет необходимости использовать столь сложный способ модуляции индуктивности, как приближение к ней магнито-проводящих тел. При построении ПИУ гораздо выгоднее воспользоваться эффектом индуцированных токов.

Если переменное поле проводника воздействует на проводящее тело, то в любом нормальном к магнитному полю контуре действует ЭДС индукции е = ---dO/dt, которая вызывает протекание тока по этому контуру. Согласно закону Ленца индуцированные токи создают поле противоположного направления, чем поле, созданное током в проводнике. Следовательно, в результате вычитания полей в окрестности проводмка его индуктивность уменьшается.

Для уменьшения глубины проникновения индуцированных токов в проводник, что дает возможность модулировать индуктивность излучающего проводника с помощью, например, медной фольги, нужно возбуждать поле импульсным генератором тока. Высшие гармоники импульсного сигнала, который легко формируется при переключении логических элементов вычислительной техники, имеют глубину проникновения 10-20 мкм.

Конструктивную о.енову индуктивных считывающих элементов составляют несимметричные микрополосковые линии (рис. 1.3). В отличие от микрополосковых линий для передачи сигналов в радиоэлектронике линии считывающих элементов имеют ширину токонесущего проводника /, значительно превышающую толщину диэлектрика 2, т. е. ш ft, что обусловливает существенное значение магнитного поля рассеивания над проводящей плоскостью 5. Результаты исследования полей рассеивания таких линий приведены в гл. 2.

Рассмотрим предложенные к настоящему времени виды индуктивных считывающих элементов.

Элемент считывания точечных неоднородностей проводимости. Та- рис. 1.3. Несшшегричная полосковая кой элемент конструктивно наибо- линия