Рис. 1.4. Элемент считывания точечных неоднородностей проводимостей

лее близок к несимметричной полосковой линии, изображенной на рис. 1.4. Он представляет собой две токопроводящие поверхности 7, 2, образованные металлической фольгой толщиной, превышающей глубину проникновения индуцированных токов на фронте импульса возбуждения, который прикладывается к проводнику 3. Толщина диэлектрика между проводником 3 и проводящей плоскостью / намного превышает толщину изоляции между проводником 3 и плоскостью 2. Отверстие 4 в плоскости 2 формирует поле рассеивания в пространстве над проводником 5. Чтобы связать величину поля рассеивания с диаметром отверстия, нужно знать погонную индуктивность проводника Lo, зависящую от конструктивных параметров элемента и от внесения в поле рассеивания внешних неоднородностей проводимости, в которых возникают индуцированные токи. На практике находится в диапазоне 0,1- 0,5 нГн/м, а модуляция индуктивности т = Lq/Lq значительно меньше единицы. Напряжение считанного сигнала

U,{t) = AL,mD-, (1.3)

где dijdt - скорость нарастания импульса тока в проводнике 3\ D - диаметр отверстия.

Если принять чувствительность приемника сигнала в режиме двоичного различения {/«д и приравнять ее к величине полезного сигнала Uq (f)y то из формулы (1.3) получим минимальный диаметр отверстия, характеризующий пространстванную разрешающую способность в режиме двоичного различения считанной информации,

min -

«д

(1.4)

Приняв - 10- В, m = 0,2, AL, - 10"-° Гн/мм, dijdi - 10« А/с. найдем Dmin = 5 мкм. Пространственная разрешающая способность индуктивных считывающих элементов существенно ниже, чем у емкостных. Однако они позволяют решать многие проблемы, связанные с состоянием зазора между считывающим элементом и носителем информации, например кодовой шкалой, выполняемой методом травления фоль-гированного диэлектрика.

Дифференциальный считывающий элемент. Первым из предложенных микрополосковых элементов был элемент трансформаторного типа (рис, 1.5) [4-61. Шина возбуждения / имеет сильную индуктивную связь с шиной съема сигналов 2 и слабую связь с проводящей поверхностью 5. Эю достигается выбором толщины диэлектриков между проводниками. Модуляция индуктивности шин /, 2, а следовательно, и коэффициента взаимной индуктивности между шинами /, 2 осуществляется модулятором 4, который имеет либо проводящие полоски (см.

Рис. 1.5. Дифференциальный считывающий элемент трансформаторного типа Рис. 1.6. Считывающий элемент - токоизлучающая площадка

рис. 1.5), либо окна в проводящей поверхности. При взаимном перемещении в направлении оси х производится поочередная модуляция либо верхней, либо нижней половины дифференциального трансформатора. Возбуждающая шина / питается от генератора импульсов тока с крутыми фронтами. Считанный сигнал является результатом дифференцирования фронта импульса тока возбуждения.

Считывающий элемент в виде токоизлучающей площадки (рис. 1.6) спроектирован для получения максимальной напряженности магнитного поля в удаленной точке пространства путем суперпозиции полей от многих проводников, расположенных на площадке излучения. Ток возбуждения 1 подается в многовитковую шину 7, полученную в результате травления фольгированного диэлектрика. Для устранения излучения части шины, расположенной за пределами излучающей площадки 2, последняя выполняется в виде отверстия в проводящей поверхности 5, расположенной на малом расстоянии от плоскости мно-говиткдрой шины. Часть шины, накрытая проводящей поверхностью Зу практически не создает магнитного поля во внешней среде, благодаря возникновению индуцированных токов на этих участках. Практически излучают только проводники в окне. Естественно, что толщина проводников должна выбираться больше, чем глубина проникновения индуцированных токов.

Такой элемент эффективно используется для измерения расстояний до внешних металлических объектов, а также в толщиномерах. Погрешности измерений, вследствие разной проводимости объектов невелики, поскольку изменение глубиныпроникновения магнитного поля мало по сравнению с измеряемым расстоянием.

Считывающий элемент такого типа не содержит термочувствительных материалов, например ферритовых сердечников, и может применяться в широком температурном диапазоне внешней среды.

Широкую область применения можно получить за счет использования сопряжения считывающего элемента с ЧЭ, проводимость которого изменяется под воздействием магнитного поля или температуры, действующих только на ЧЭ. При этом ЧЭ может быть не только гальванически развязан от считывающего, но и иметь также вакуумный и изолирующий промежуток.

Интересные новые возможности открывает считывающий элемент типа излучающей площадки при разработке методик испытания матери-

1. 3.

Рис. 1.7. Считывающий элемент - диполь

алов на магнитные и токопроводящие свойства. Такие возможности связаны с формой импульса магнитного поля, действующего на вещество. Если в качестве такого воздействия выбрать импульс с крутым фронтом и большой по сравнению с фронтом длительностью, то зависимость модулированной величины от времени AL {t) будет являться откликом вещества на воздействие магнитного поля ступенчатой формы. Известно, что производная от такого отклика является импульсной характеристикой вещества, которая несет информацию как о быстрых процессах, связанных с индуцированными токами, так и о более медленных, обусловленных магнитной проницаемостью.

Считывающий элемент типа диполя. Этот элемент выполнен в виде двух идентичных удлиненных рамок /, 2 (рис. 1.7) и чувствительного элемента, представляющего собой длинную полосу 3, предназначен для определения положения полосы относительно считывающего элемента вдоль координаты к. Если осевая линия полосы 3 совпадает с осью симметрии считывающего элемента, то индуцированные токи в правой и левой частях полосы 3 одинаково воздействуют на рамки 1, 2. Смещение рамок относительно осевой линии ЧЭ приводит к различной модуляции индуктивности рамок и появлению разностного тока на выходах 4, 5 при возбуждении рамок током 1,

Возможны различные варианты выполнения ЧЭ 5. Представляет интерес применение проводниковой рамки, проводники которой проложены по периметру ЧЭ. Очевидно, что удвоенная длина рамки должна оставаться намного меньше длины волны наивысшей гармоники в спектре сигнала импульса тока возбуждения. Опыт практического применения рамочного считывающего элемента показывает, что точность позиционирования достигает нескольких миллиметров при высоте считывающего элемента над чувствительным, равной длине стороны рамки.

1. Емкостные считывающие элементы

Емкостной считывающий элемент представляет собой конденсатор, обкладками (электродами) которого служат металлические проводники выбранной конфигурации.

Связь между напряжением и током в последовательной цепи из генератора напряжения Ui (О и емкости С„ (рис. 1.8, а) определяется выражением

h=C„J. (1.5)

Если емкость С является параметрической (рис. 1.8, б), т. е. переменной величины, зависимой от физического воздействия ф, то изменение тока в цепи при изменении емкости на величину ДС имеет вид

dt/i (t) dt

(1.6)

am ит al.

Г * г7 Т * С С

6 6 h h О t""

Рис. 1.8. Схемы включения емкостноЛ элемента

что эквивалентно представлению параметрической емкости С„ = С, + + АС. Причем АС = Аф, где Аф - изменение физического воздействия Ф == Фо + Аф, и поэтому может иметь как положительную, так и отрицательную величину в зависимости от знака производной 5ф = dCJd и от знака приращения Аф. Емкость С© соответствует начальному значению физического параметра ф = фо- В связи с этим в случае представления емкости Сд параллельным включением двух конденсаторов Со и АС (см. рис. 1.8) ток через АС может изменять направление. Следовательно, ток через параметрический конденсатор Сд имеет вид

Ь = (Со-Ь 5„Аф) (1.7)

и состоит из немодулированной foe= С©- и модулированной Дс = 5„Аф J составляющих.

ДлЦ преобразования тока А/, в сигнал в виде напряжения (f) с параметрической емкостью С нужно выполнить две операции: последовательно с ней включить измерительное сопротивление Z. а к источнику напряжения Ui (f) дополнительно подключить делитель в виде последовательно соединенных элементов С© и (рис. 1.8, ). При условии, что на сопротивлении Z„ падение напряжения намного меньше, чем на Сд, выходной сигнал

-.(/е(0=2„5„Д(р-

(1-8)

Для получения максимальной энергии выходного сигнала Uit) на интервале измерения необходимо стремиться к равенству энергий сигналов на элементах С„ и Z,,. Расчет величин элементов делителя для этого случая не вызывает затруднений.

При заданном напряжении возбуждения Ui (О крутизна преобра-воваиия Sn физического параметра ф определяется геометрическими параметрами конденсатора. Качественно оценим такую связь для конструктивно простых конденсаторов.

Плоский конденсатор С, имеет две схемы включения в зависимости от точки подкл чения шин л нулевого потенциала. Если в качестве второй обклад» и кондегсатора Сп используется проводник неограниченной плоа ада, то приемлемой оказывается только

2 1-243

ZZ7"

Рис. 1.9. Схемы включения плоского конденсаторного элемента

схема, представленная на рис. 1.9, а, поскольку обкладка большой площади шунтирует измерительное сопротивление, отводя ток на общую шину.

Очень часто плоские конденсаторы использукугся в режиме модуляции расстояния между обкладками. Наиболее широкая область применения принадлежит конденсаторным микрофонам. Расстояние между мембраной и неподвижным электродом составляет около 20 мкм, а начальная емкость Со = 50 -т- 80 пФ. Перевод микрофона в режим импульсного возбуждения позволяет решить ряд задач помехоустойчивости и стабильности характеристик.

Если измеряемый физический параметр изменяется во времени медленно, то ЧЭ можно выполнить в виде жесткой пластинки /, расположенной между обкладками плоского конденсатора 2, 3 (рис. 1.10). Такая схема дает удвоение выходного сигнала по сравнению со схемой (см. рис. 1.9) и экономно позволяет получить измерительный мост. Схема применяется в силоизмерительных устройствах и манометрах. Расстояния между пластинами конденсаторов составляют 3 мкм и более.

Перспективна схема конденсаторного считывающего элемента, в котором информация считывается в результате взаимодействия с самим контролируемым веществом (рис. 1.11). Контролируемое вещество проходит по питательной трубке 7, расположенной между обкладками конденсатора 2, 5. Поскольку проводимость вещества в трубке отлична от проводимости воздуха, то в объеме, занятом веществом, изменится напряженность поля £, что приведет к уменьшению падения

Рис. МО. Дифферсющальный конденсаторный элемент

Рис, 1.1 Ь Считывающий элемент парамегров жидкостей и газов

u/t)Q

Рис. 1.12. Считывающие элементы приближения и измерения уровня жидкостей и сыпучих веществ

напряжения между любыми двумя точками вещества Pi, Р.

EdS.

(1.9)

Это выражается в изменении емкости между обкладками 2, 5 и тока через измерительное сопротивление На рис. 1.11 изменение электрического поля между обкладками 2, 5, создаваемого генератором напряжения Ux (О» позволяет считывать неоднородности проводимости, создаваемые веществом в объеме питательной трубки. В этом случае питательную трубку можно считать ЧЭ, а плоский конденсатор - считывающим. Следует заметить, что при известной проводимости вещества, вносимого между обкладками, рассматриваемая схема может использоваться для измерения объема вещества или его размерных параметров. Особенность таких схем состоит в том, что считывающее поле сосредоточено между обкладками и ограничивает объем, чувствительный к внешним воздействиям. Такие ограничения ослаблены в открытых конденсаторах в виде сближенных проводников.

Открытый конденсатор представляет собой два проводника, расположенных в одной плоскости. Среди множества возможных вариантов таких конденсаторов наиболее часто применяется схема, показанная на рис. 1.12.

Два проводящих стержня или две проводящие проволоки (рис. 1.12, а) позволяют получить датчик приближения, зона чувствительности которого имеет шарообразную форму радиусом, примерно равным длине стержня г. До настоящего времени применение таких устройств сдерживалось их низкой помехоустойчивостью, поскольку речь фактически идет о широкополосной антенне, работающей в ближней зоне. Для обеспечения помехоустойчивости необходимо использовать сигнал возбуждения (t) с малым коэффициентом коррекции о ожидаемыми сигналами помех, но который сравнительно просто генериро-rw Этим требованиям удовлетворяют ПСП импульсов.

Открытый конденсатор в виде двух параллельных проводников