Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин
Разработан и изготовлен измерительный комплекс, с помощью которого исследуются параметры датчиков физических величин. Измерение параметров реализовано на основе встроенного микроконвертера. Программа на ПК осуществляет интерфейс пользователя с измерительным комплексом, а также обработку и визуализац...
Збережено в:
| Дата: | 2004 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2004
|
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/6407 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин / Ю.А. Брайко, Р.Г. Имамутдинова // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2004. — № 3. — С. 65-71. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-6407 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-64072010-03-04T12:01:32Z Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин Брайко, Ю.А. Имамутдинова, Р.Г. Разработан и изготовлен измерительный комплекс, с помощью которого исследуются параметры датчиков физических величин. Измерение параметров реализовано на основе встроенного микроконвертера. Программа на ПК осуществляет интерфейс пользователя с измерительным комплексом, а также обработку и визуализацию измеренных параметров. 2004 Article Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин / Ю.А. Брайко, Р.Г. Имамутдинова // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2004. — № 3. — С. 65-71. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1817-9908 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/6407 681.3(031) ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Разработан и изготовлен измерительный комплекс, с помощью которого исследуются параметры датчиков физических величин. Измерение параметров реализовано на основе встроенного микроконвертера. Программа на ПК осуществляет интерфейс пользователя с измерительным комплексом, а также обработку и визуализацию измеренных параметров. |
| format |
Article |
| author |
Брайко, Ю.А. Имамутдинова, Р.Г. |
| spellingShingle |
Брайко, Ю.А. Имамутдинова, Р.Г. Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин |
| author_facet |
Брайко, Ю.А. Имамутдинова, Р.Г. |
| author_sort |
Брайко, Ю.А. |
| title |
Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин |
| title_short |
Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин |
| title_full |
Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин |
| title_fullStr |
Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин |
| title_full_unstemmed |
Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин |
| title_sort |
компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| publishDate |
2004 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/6407 |
| citation_txt |
Компьютерный измерительный комплекс параметров датчиков физических величин / Ю.А. Брайко, Р.Г. Имамутдинова // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2004. — № 3. — С. 65-71. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT brajkoûa kompʹûternyjizmeritelʹnyjkompleksparametrovdatčikovfizičeskihveličin AT imamutdinovarg kompʹûternyjizmeritelʹnyjkompleksparametrovdatčikovfizičeskihveličin |
| first_indexed |
2025-07-02T09:18:27Z |
| last_indexed |
2025-07-02T09:18:27Z |
| _version_ |
1836526418494750720 |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3 65
Разработан и изготовлен изме-
рительный комплекс, с помощью
которого исследуются парамет-
ры датчиков физических величин.
Измерение параметров реализо-
вано на основе встроенного мик-
роконвертера. Программа на ПК
осуществляет интерфейс пользо-
вателя с измерительным комплек-
сом, а также обработку и визуа-
лизацию измеренных параметров.
Ю.А. Брайко,
Р.Г. Имамутдинова, 2004
ÓÄÊ 681.3(031)
Þ.À. ÁÐÀÉÊÎ, Ð.Ã. ÈÌÀÌÓÒÄÈÍÎÂÀ
ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÍÛÉ ÈÇÌÅÐÈÒÅËÜÍÛÉ
ÊÎÌÏËÅÊÑ ÏÀÐÀÌÅÒÐΠÄÀÒ×ÈÊÎÂ
ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÕ ÂÅËÈ×ÈÍ
Микроэлектронные датчики физических ве-
личин – важные элементы сложных систем
обработки данных, а также систем экологи-
ческого мониторинга, поскольку от их пара-
метров в значительной мере зависят метро-
логические характеристики сложных систем.
Датчики физических величин относятся к
компонентам широкого применения, поэтому
комплекс вопросов, связанный с построени-
ем автоматизированных систем измерения и
контроля параметров, является важной зада-
чей, решение которой необходимо для улуч-
шения качества датчиков и повышения их
конкурентоспособности.
В данной работе изложены материалы по
разработке и созданию виртуального измери-
тельного комплекса параметров датчиков
физических величин на базе персонального
компьютера.
Для измерения параметров электронных
приборов используются три подхода к созда-
нию контрольно-измерительных комплексов:
тестеры с ручным заданием воздействий и
измерением параметров; автоматизирован-
ные комплексы с управлением от персональ-
ной ЭВМ; открытые виртуальные измери-
тельные системы [1].
При первом подходе к построению ком-
плексов задание управляющих воздействий
осуществляется в ручном режиме.
Производительность таких тестеров очень
низка, а вероятность ошибок оператора и
промахов при выполнении измерений доста-
точно высока.
Измерительные комплексы второго и тре-
тьего типов обеспечивают автоматическое
Ю.А. БРАЙКО, Р.Г. ИМАМУТДИНОВА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3 66
управление процессами измерения параметров. Результаты измерений визуали-
зируются и представляются в удобном для обобщения и анализа виде. Как след-
ствие, обеспечивается высокая производительность процедур измерения и кон-
троля и высокая достоверность полученных результатов.
Для контроля параметров датчиков физических величин разработан вирту-
альный двухуровневый измерительный комплекс. На верхнем уровне комплекса
используется персональный компьютер (ПК) с набором периферийных уст-
ройств. Нижний уровень комплекса состоит из программно-аппаратных средств
на базе встроенного микроконвертера ADuC812 фирмы .Analog Devises [2,3].
Датчики влажности и температуры описываются с помощью параллельных
эквивалентных схем реального конденсатора, поскольку эти эквивалентные схе-
мы применяются в случае преобладания потерь в диэлектрике [4].
При включении датчика в цепь переменного тока и подачи на него напря-
жения U c частотой ϖ , ток, протекающий через него, будет определяться значе-
нием проводимости
22 )()/1( sCsRy ⋅+= ϖ ,
где RS – сопротивление утечки; C S – емкость в параллельной эквивалентной
схеме реального конденсатора.
Для параллельной эквивалентной схемы датчика
ssCsR
tg
τϖϖ
δ
⋅
=
⋅⋅
=
11
,
где sτ – постоянная времени датчика.
Иногда в качестве параметра эквивалентной схемы датчика используется
добротность QS, которая определяется из выражения
δtgsQ 1
= .
Емкость, определяющая значение проводимости y датчика на частоте ϖ ,
называется эффективной емкостью Ceff. Значение Ceff для параллельной эквива-
лентной схемы может быть определено из выражения
)(1 2 δ
ϖ
tgsCy
effC +== ,
где δtg – тангенс угла потерь в параллельной эквивалентной схеме емкостного
датчика.
Для определения значений влажности и температуры окружающей среды
с помощью емкостных датчиков необходимо измерить электрические парамет-
ры на входе и выходе измерительной схемы, построенной на базе этих датчиков.
КОМПЬЮТЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3 67
После чего должны быть выполнены вычисления с использованием вышеприве-
денных выражений, в результате чего определяются значения следующих пара-
метров: RS , CS , δtg , QS .
Набор измерительных процедур реализуется программным способом с ис-
пользованием ПК. Такая структура измерительного комплекса обеспечивает
низкую стоимость, универсальность, аппаратную гибкость (рис. 1).
РИС. 1. Структурная схема виртуального измерительного комплекса датчиков физических
величин
Здесь ЗГ – задающий генератор; Ф – формирователь тестовых сигналов; БК –
блок коммутации БСУ - блок согласующих усилителей; МАС – мультиплексор
аналоговых сигналов; БФС – блок формирования сигналов; ПУ – пульт управле-
ния; БИ – блок индикации; БИН – блок интерфейса; БП – блок питания; ПК –
персональный компьютер; ЭД – эталонный датчик.
С помощью задающего генератора и формирователя гармонический сигнал
с частотой fч подается параллельно на измерительные схемы, состоящие из со-
гласующих усилителей и исследуемых датчиков. Датчики предварительно уста-
навливаются в контактные гнезда, конструктивно объединенных в блок комму-
БК ПУ БИ
ЗГ Ф БСУ МАС
ADuC
БФС
БИн
БП
П К
Ю.А. БРАЙКО, Р.Г. ИМАМУТДИНОВА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3 68
тации, который помещается в среду для задания требуемых внешних воздейст-
вий.
Поскольку микроконвертер AduC812 имеет только восемь входных анало-
говых сигналов, в структуру системы потребовалось ввести дополнительный
мультиплексор аналоговых сигналов (МАС), что позволило подать на входы
АЦП десять выходных сигналов от измерительных схем, а также входной гар-
монический сигнал, что, в свою очередь позволило скорректировать погреш-
ность от нестабильности амплитуды входного сигнала.
АЦП, входящий в состав микроконвертера ADuC812, имеет разрешающую
способность n = 12 бит и время преобразования tпр = 5 мкс.
Управляющая программа, находящаяся в резидентной Flash-памяти про-
грамм, позволяет реализовать совмещение операций во времени при обработке
сигналов, благодаря чему амплитуды входных и выходных сигналов определя-
ются с большой точностью.
Апертурное время определения амплитуды гармонического сигнала с часто-
той f = 103 Гц составляет tа = 5 мкс , при этом апертурную погрешность можно
оценить с помощью следующего соотношения:
%05,0%100)2( 0 ≤⋅
+−
=
m
mm
U
TtUUVap
π
,
где Т – период тестового сигнала; Um – амплитудное значение тестового сигнала.
Для определения фазовых сдвигов между входным и выходными сигналами
измерительных схем используется блок формирования сигналов и программи-
руемые таймеры микроконвертера ADuC812.
Пульт управления и блок индикации служат для запуска и контроля работы
системы.
Процедура измерения емкости, тангенса угла потерь, значения сопротивле-
ния утечки и эффективной емкости емкостного датчика относительной влажно-
сти начинается с определения с помощью микроконвертера AduC812 парамет-
ров входного и выходного сигналов: амплитуды входного опорного сигна-
ла Umвх, амплитуд выходных сигналов измерительных схем – Um вых1 ÷ Um вх n ,
длительности полупериода входного опорного сигнала T/2, временных сдвигов
между входным опорным и выходными сигналами t1 - t10..
Далее осуществляется пересылка полученных параметров в ПК по последо-
вательному интерфейсу RS 232, где выполняются вычисления значений емко-
сти, тангенса угла потерь, сопротивления утечки и эффективной емкости емко-
стного датчика относительной влажности.
Обработка измерительной информации включает следующие шаги:
• определение фазового сдвига ϕi i-го выходного сигнала датчика относи-
тельно входного с использованием выражения
,/2 Ttii ⋅= πϕ
КОМПЬЮТЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3 69
где ti временной сдвиг i-го выходного сигнала; Т – период гармонического сиг-
нала;
• вычисление постоянной времени датчика
τsi = tg ϕi ⋅ Т/ 2π,
где τsi – постоянная времени датчика, τsi = Rsi C si; Rsi – сопротивление датчика,
C si – емкость датчика; Т – измеренное значение периода сигнала ЗГ;
• определение значения RSi:
где k – коэффициент передачи измерительной схемы на частоте опорного сигна-
ла; k = U max выхi /U max вх; ω – круговая частота входного опорного сигнала,
(значение ω определяется из выражения ω = 2π/T), R0 – сопротивление резисто-
ра измерительной схемы;
• определение значения емкости датчика Csi из выражения τsi = Csi ⋅ Rsi:
si
si
si R
C
τ
= ;
• определение тангенса угла потерь для каждого датчика tg δ i:
si
i
Itg
τω
δ
⋅
= ;
• определение значения эффективных емкостей датчиков Ceffsii :
Программное обеспечение измерительного комплекса состоит из двух уров-
ней. ПО первого уровня, находящееся во Flash-памяти микроконвертера
AduC812, реализовано на языке ассемблера ASM51. Оно состоит из набора под-
программ, каждая из которых выполняет свои функции: подготовительные опе-
рации для измерения и определение момента измерения; преобразование изме-
ренной величины в цифровой вид с помощью АЦП; накопление измеренных ве-
личин в буфере; определение амплитуды входного опорного сигнала Umaxвх и ам-
плитуд выходных сигналов измерительных схем – Umax вых1 ÷ Umaxвх , измерение
длительности полупериода входного опорного сигнала T/2 и временных сдвигов
между входным опорным и выходными сигналами – t1 - t10; конфигурирование
последовательного порта; прием управляющей информации из ПК и передача
измеренных величин в ПК.
.)(1 2
sisieffsi tgCC δ+=
,)(1 0
2 RkR sisi ⋅⋅+⋅= τω
Ю.А. БРАЙКО, Р.Г. ИМАМУТДИНОВА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3 70
ПО второго уровня находится в ПК. Оно реализовано на языке С++ Builder 5
и имеет удобный интерфейс пользователя. Выбирая соответствующие опции
меню, оператор может инициировать процесс измерения, а при необходимости –
тестовый режим. Принятые из микроконвертера величины используются для
вычисления параметров по вышеприведенным формулам. Полученные в резуль-
тате вычислений данные отображаются на экране в виде таблицы. Эти данные
можно сохранять и накапливать в файлах, а при необходимости воспроизводить
на экране. Далее приводится моментальный снимок экрана с командной строкой
меню и таблицей результатов для каждого канала (рис. 2).
Измерение Каналы C R Импеданс tg Uвх Uвых Период Сдвиг
(пФ) (кОм) (кОм) (В) (В) (мкс) (мкс)
1 1 97,98 8159 1592 0,1989 2,078 2,078 999,3 218,6
2 1 97,98 8164 1593 0,1989 2,078 2,079 999,3 218,6
3 1 94,76 7816 1646 0,2164 2,078 2,148 1003 216,8
4 1 97,07 7694 1587 0,2108 2,079 2,073 999,3 216,8
5 1 98,21 7980 1592 0,2036 2,078 2,076 1003,0 218,6
6 1 96,51 8121 1620 0,2036 2,073 2,109 1003,0 218,6
7 1 98,24 7512 1580 0,2194 2,078 2,073 1003,0 216,0
8 1 94,79 8272 1650 0,2036 2,073 2,148 1003,0 218,6
Исследование параметров датчиков влажности
Файл Измерение Отображение Тесты Справка
РИС. 2. Моментальный снимок экрана с таблицей результатов
Значения относительной влажности γ rhi и γ обр получаются путем вычисле-
ний с использованием аппроксимирующих функций (степенных полиномов):
γотн i = Fn (CRi), γобрi = F1n (fобр ),
где fобр – значение частоты выходного сигнала датчика относительной влаж-
ности.
Основные результаты можно сформулировать следующим образом.
1. Компьютерный измерительный комплекс создан для автоматизации лабо-
раторных исследований емкостных датчиков на основе пористых пленок анод-
ного окисла алюминия (ПАОА). Методы, заложенные в основу разработки дан-
ного комплекса, позволяют использовать его для испытаний и других типов ем-
костных датчиков, широко применяемых в последнее время для биологических
исследований и контроля технологических процессов.
КОМПЬЮТЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3 71
2. Разработанный измерительный комплекс организован в виде специализи-
рованной двухуровневой виртуальной измерительной системы. Такая органи-
зация обеспечивает высокую производительность при лабораторных исследова-
ниях датчиков, удобство в эксплуатации и достаточно высокие для решаемой
задачи метрологические характеристики (основная приведенная погрешность
основных параметров датчиков обеспечивается на уровне 1 – 2 %).
3. Перспективность исследования и разработки измерительных комплексов
параметров датчиков подтверждается тем, что, благодаря гибкости структуры,
они достаточно легко могут быть дополнены программно-аппаратными средст-
вами для контроля параметров других типов датчиков, например датчиков с час-
тотным выходным сигналом.
1. Виртуальный измерительный комплекс параметров оптронов / П.Ф. Алексенко, Г.А. Су-
кач, В.С. Кретулис и др. // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 1998. –
Вып. 33. – C.51–58.
2. Новые микросхемы семейства микроконвертеров и средства их отладки // Электронные
компоненты и системы. – 2004. – № 1. – С. 35–36.
3. Охрименко В. Новые микроконвертеры // Электронные компоненты и системы. – 2003.–
№ 3. – С. 14–19.
4. Эпштейн С.Л. Измерение характеристик конденсаторов. – Л.: Энергия, 1971. – 220 с.
Получено 05.03.2004
|