(рис. 1.12, б), заключенных в изолятор, применяется в качестве измерителя уровня жидких и сыпучих тел. При этом используется эффект увеличения емкости между двумя проводниками по мере погружения в вещество, диэлектрическая проницаемость которого} выше, чем у воздуха. Таким образом, окружающая жидкость модулирует величину диэлектрической проницаемости в области излучения электрического поля параллельных проводников. Перспективы развития устройств с емкостным считыванием информации связаны с использованием модулируемой емкости проводников, полученных печатным способом.

Конденсс TJpы, изготовленные методом фотохимического т )авления фоль тированных диэлектриков, используются с целью миниатюризации для улучшения пространственного разрешения и получения матриц считывающих элементов.

На рис. 1.13, а показан считывающий элемент для получения неоднородностей проводимости контролируемого объекта / с пространственным разрешением в несколько десятков микрон. Эквивалентная схема считывающего элемента изображена на рис. 1.13, б.

Если под круговым проводником 3 отсутствует контролируемый объект 7, то емкость связи С23 проводника 3 и заземленной поверхности 2 минимальна, а при наличии контролируемого объекта максимальна, поскольку объект шунтирует проводники 2, 5. Таким образом, модулируемый конденсатор оказывается включенным в емкостной делитель напряжения, образованный емкостями С34 и С между проводниками 5-5, причем последний соединен последовательно с измерительным сопротивлением.

Можно пэказать, что выходной сигнал при величине модуляции ЛС конденсатора и равенстве емкостей конденсаторов С34 = = - С23 имеет вид

CRn du,(t)

(1.10)

3 dt

Оценим чувствительность схемы (рис. 1,13, б), вычислив величину АС при заданной чувствительности приемника сигналов (О* Предположим, что f/c it) = 10" В, /?„ - 10 Ом, dUi (t)ldt - 2 . 10» В/с. Согласно формуле (1.10) АС = 1,5 • 10" Ф.

Допустим, что модуляция АС получается в результате помещения заземленной проводящей пленки / над электродом 3 с зазором между ними d = 1 мкм (рис. 1.13, а). Считая, что пленка образует с электродом плоский конденсатор, находим площадь пленки 5 = ACd =

- 1,5 . 10" . 10-** . 9 . 10» - 1,35 . 10" м2, т. е. линейный размер пленки весьма приближенно равен 0,1 мкм. Тот же результат дает оценка разрешающей способности посредством подключения к электроду 3 проводящего шара емкостью АС. Радиус такого шара /? 1,35 мкм, поскольку 1 Ф составляет емкость проводящего шара === 9 . 10» м.

Приведенный расчет указывает, что емкостной метод считывания неоднородностей проводимости конкурентоспособен с методом оптического считывания по разрешающей способности.

5 i 2 - Считывающий-

\ / мент для контроля неоднород- / ностей проводимостей (а) и его

эквивалентная схема (б)

J 2

Рис. 1.14. Функциональный преобразователь неоднородности проводимости: угловой (а) и линейной (б)

Метод фотохимического травления фольгированных диэлектриков пригоден для получения электрода сложной формы с хорошей воспроизводимостью точностных параметров. В результате механического сопряжения электродов различной формы имеем требуемые функциональные зависимости величины емкости от относительного перемеше-ния электродов.

На рис. 1.14, а показан модулируемый конденсатор углового функционального преобразователя с бесконтактным считыванием неоднородности проводимости в виде фольги. Емкость связи между электродами /, 2 функционально зависит от углового положения электродов Р, если расстояние между электродами меньше ширины электрода 2.

На рис. 1.14, б показан линейный преобразователь перемещения вдоль координаты х пары параметрических емкостей, образованных электродами У и 2.

При габаритных размерах функциональных преобразователей, соизмеримых с их реализациями в виде проволочных потенциометров, уровень выходных сигналов составляет несколько десятков милливольт.

Исключительно важным достоинством конденсаторных считываю-ш,их элементов следует считать их технологическую совместимость с интегральными полупроводниковыми схемами, включая не только применяемые технологические операции, но и используемые материалы. Это обусловлено свойством тонкой металлической пленки обра-вовывать эквипотенциальную поверхность - обкладку конденсатора при толщинах, начиная с сотых долей микрона. В полупроводниковых технологиях непрерывно совершенствуются методы фотохимического травления таких пленок с разрешением до десятых долей микрона. Другой не менее важный технологический результат, который легко использовать при получении емкостных считьшающих элементов, связан с методами травления кремния для реализации соединений между обкладками конденсаторов.

Однако емкостным элементам присущи принципиальные недостатки, обусловленные изменением проводимости в результате попадания любого вещества в зазор между обкладками конденсатора при бесконтактном считывании. На величину проводимости влияет также влажность воздуха.

Если трудности преодоления указанных недостатков чрезмерно велики, то следует обратиться к индуктивному бесконтактному считыванию.

1.5. Измерительные мосты

Общее свойство всех ЧЭ заключается в модуляции проводимости, изменение которой воздействует на считывающий элемент. Поскольку мощность информационного* воздействия на ЧЭ мала по сравнению с мощностью объекта, служащего источником информации, глубина модуляции проводимости всегда мала. Незначительно также изменение тока или напряжения считывающего элемента, вызванное измеряемым физическим воздействием. Поэтому при построении измерительных устройств решается задача увеличения отношения полезный сигнал/сигнал возбуждения считывающего элемента.

Методика решения такой задачи проста и заключается в получении немодулированного сигнала возбуждения с теми же параметрами, что и модулированный, с последующим их вычитанием. Реализуется методика в результате питания напряжением возбуждения (t) двух делителей напряжения, один из которых содержит считывающий элемент с модулированной емкостью или индуктивностью. Поскольку немодулированные элементы делителей идентичны, то такие схемы относятся к типу мостовых. Основным критерием качества мостовых схем, применяемых в измерительной технике, следует считать долговременную стабильность параметров проводимости и нечувствительность этих параметров к неинформационным воздействиям внешней среды.

В измерительной технике широко распространены резистивные мосты. В принципе резистивные элементы могут использоваться в сочетании с емкостными и индуктивными считывающими элементами. Однако на практике их применять нецелесообразно по следующим причинам. По температурной стабильности даже металлические резисторы уступают температурной стабильности конденсаторов с широким выбором типа термостабильных диэлектриков. Аналогичное утверждение относится и к индуктивностям, не содержащим ферромагнитных материалов. Вторым недостатком резистивных мостов следует считать наличие большого уровня собственных шумов. Наряду с хорошо учитываемым тепловым шумом Джонсона для них характерен дрейфовый шум с возрастающей до бесконечности спектральной плотности мощности в низкочастотной области, т. е, так называемый «розовый» шум. Интенсивность его определяется многочисленными технологическими факторами, влияние которых трудно учесть на уровне модели. Это заставляет искать новые пути реализации мостовых схем, которые имели бы технологическую совместимость с микроэлектроникой.

К таким схемам относится емкостной делитель напряжения (рис. 1.15), в котором С1 = С2 = СГ = С2. Измерительные сопротивления Rn и Rn являются нагрузкой моста чаще всего в виде коаксиальных двухпроводных линий, соединенных с общей шиной и нагруженных на волновое сопротивление. В связи с этим /?„ и Rn редко превышают 100 Ом и малы по сравнению с входным сопротивлением приемника сигналов и U, обеспечивающего их вычитание. Максимум модулированных сигналов выполняется при условии, что параметрическая емкость считывающего элемента С = Со + С„ имеет немодулированную величину Со = при условиях С,, < Со и /?„ < 1/cobCi, где (Ов - высшая частота в спектре сигнала возбуждения. При указанных допущениях амплитуда полезного сигнала /гм =

= U2mRn -§f где U2m - амплитуда импульса возбуждения с фронтом нарастания /ф. При этом выходное напряжение t/g = 1го + 2т. где U20 - немодулированная чаеть выходного напряжения, вычитаемая приемником. Форма выходного напряжения представляет собой результат дифференцирования последовательности прямоугольных импульсов с конечным фронтом.

Емкоетные делители напряжений преимущественно применяются с емкоетными ЧЭ, с которыми они технологически совместимы. С индуктивными микрополосковыми элементами используются два вида трансформаторных мостов, различающихся способом возбуждения. На рис. I.16, а показано подключение индуктивного считывающего элемента L1 в плечо трансформаторного моста, который возбуждается генератором напряжения t/ (f). Распределение токов в плечах моста определяется величиной неравенства индуктивностей L1 и U\ вызванной модуляцией одной из них или обеих вместе, если производится модуляция противоположного знака.

Вычитающий трансформатор с индуктивностями первичных шин L2 и L2 выполняется путем фотохимического травления фольгиро-

LzTl2

Рис, 1.15, Емкостной делитель напряжения

Рис, 1.16. Подключение индуктивного считывающего элемента

ванного диэлектрика, на который накладывается второй фольгирован-ный диэлектрик с вытравленной микрополосковой линией L3. Микрополосковые линии L2, L2 и L3 разделены диэлектриком толщиной 20 мкм и имеют коэффициент связи 0,8. Выходы вторичной шины L3 нагружены на волновое сопротивление кабеля.

В отличие от предыдущей схемы трансформаторы Тр1 и Тр2 обра-вуют мост в результате последовательного включения вторичных шин с измерительными резисторами. Первичные шины также включены последовательно и питаются от генератора импульсов тока. Индуктивности всех шин выполняются идентичными, что позволяет подавить немодулированную составляющую напряжения на кндук-тивностях LJ, Lrу если коэффициенты взаимной индуктивности Ml и М2 равны. Модуляция связи между первичными и вторичными тинами приводит к появлению разностного напряжения на измерительных сопротивлениях. Модуляция взаимной индуктивности обычно выполняется путем изменения величины потока рассеивания шин возбуждения L1, Ll в результате изменения проводимости среды для магнитного потока.

Наряду со стабильностью параметров и технологичностью к измерительным мостам современных периферийных устройств предъявляется еще одно существенное требование, связанное с возможностями матричного включения множества считывающих элементов. Оценим пригодность рассмотренных схем для матричного включения.

Если предположить, что матрица считывающих элементов возбуждается по столбцам, а съем информации выполняется по строкам то считывающие элементы одной строки образуют схему суммирования напряжений. Этому требованию удовлетворяет мостовая схема, изображенная на рис. 1.15, при условии, что все элементы одной строки нагружены на общее измерительное сопротивление R, а сопротивление конденсатора С2 велико по сравнению с Входы возбуждения матрицы 12 также имеют большое входное сопротивление по сравнению с волновым сопротивлением кабеля и поэтому каждый столбец обслуживается одним формирователем импульсов возбулдения.

Менее пригодна для возбуждения по столбцам матрица мостов (см рис. 1.16» а), поскольку входное сопротивление микрополосковых индуктивностей примерно равно волновому сопротивлению выхода формирователя возбуждения. Поэтому такие мостовые схемы не до пускают объединения по столбцам, но пригодны для объединения вдоль строки путем последовательного соединения выходных шин L5. Начало и конец съемной шины матрицы нагружаются на резисторы

Условие работы на согласованную нагрузку формирователя возбуждения не нарушается в матрице мостов (см. рис. 1.16, 6), поскольку последовательно соединенные микрополосковые линии L/, L1* при образовании столбцов и линии L2, L2 при включении по строкам являются длинными линиями, нагруженными на волновое сопротивление R„. Конкретные схемы матричного включения чувствительных элементов будут рассмотрены в последующих главах.

1,6. Выбор формы возбуждающего сигнала

Поскольку в измерительных устройствах первичная информация ото бражается в виде модуляции проводимости, то они нуждаются в сигнале-переносчике между чувствительным элементом и приемником. В этом случае имеет место неформальная аналогия с системами связи. Если же иметь в виду, что периферийные устройства автоматизированных систем промышленного назначения работают в условиях высокого уровня внешних помех, непосредственно воздействующих иа линию передачи от ЧЭ к приемнику, то аналогия становится достаточно полной и позволяет воспользоваться прежде всего теорией помехоустойчивости систем передачи информации.

Оптимизация по помехоустойчивости, направленная иа обеспечение максимума отношения сигнал/шум на выходе приемника, решена путем выбора формы сигнала-переносчика и способа обработки модулированного сигнала приемником. Если оценивать по критериям оптимизации распространенные в системах промышленной автоматики ПИУ, то они находятся на минимально возможном уровне.

В государственной системе приборов основным видом сигнала-переносчика является постоянный ток, а приемником служит аналоговый интегратор, обеспечивающий согласованный прием сигнала по полосе частот. Фактически выбор сигнала-переносчика выполнен из соображений не минимума корреляции между сигналом и распространенными видами промьилленных помех, которые сосредоточены в низкочастотной области спектра, а простоты реализации приемника на основе операционного усилителя.

Более высоким уровнем оптимизации является выбор сигнала-переносчика такой формы, при которой обеспечивается минимум скалярного произведения сигнала и помехи при наиболее вероятных ее реализациях. Для обеспечения избирательности к сигналам выбранной формы приемник сигнала должен быть согласован не с полосой частот сигнала, а с его формой, что достигается в корреляционны>:. приемниках с опорным сигналом, совпадающим по форме с принима-емым.