Цифровой емкостный дилатометр

Развитие нанотехнологий и электроники в направлении миниатюризации ставит перед измерительной техникой задачу вывести контроль размеров и перемещений на принципиально новый уровень. При этом промышленные измерители перемещения (дилатометры) являются дорогостоящим оборудованием, что часто делает невозможным использование их в учебных целях или в мелком производстве.

Была проведена разработка простого и недорогого емкостного цифрового дилатометра. При этом предполагаемая предельная чувствительность прибора должна составить 10 нм. Наличие такого устройства позволит внедрять системы интегрированного контроля состояния систем, подвергающихся различному воздействию (тепловое, электромагнитное и др.). Появится возможность контролировать свойства материалов непосредственно на месте их использования, а не в специализированных лабораториях.

Блок схема разработанного Цифрового емкостного дилатометра (далее ЦЕД) представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема цифрового емкостного дилатометра

Измерение емкости и прямое преобразование емкость-код осуществляет микросхема AD7745 фирмы Analog Device [1]. В основе принципа преобразования лежит эффект переключающихся конденсаторов в сигма-дельта АЦП.

Преобразование перемещения в емкость осуществляет дифференциальный емкостной датчик перемещения оригинальной конструкции. Среди иных типов преобразования перемещения в измеряемую величину (индуктивный, радиорезонансный, оптический и др.) он обладает следующими преимуществами: 1) потребностью в малом перемещении подвижной части емкостного датчика; 2) малым потребление энергии; 3) простотой изготовления; 4) использованием дешевых материалов; 5) отсутствием контактов; 6) высокой точностью и стабильной работой систем с емкостными датчиками; 7) возможностью широкой регулировки приборов с некоторыми типами емкостных датчиков. [2].

Чертеж разработанного дифференциального емкостного датчика приведен на рис. 2. Контакт с контролируемым образцом осуществляется при помощи заостренного текстолитового штыря (10). Он приклеен к подвижному штоку (4), который представляет собой две стеклянные трубочки, между которыми вклеены последовательно прямоугольные пластинки керамика — текстолит — керамика (Рис. 2 (б)). Подвижный шток перемещается внутри системы трех электродов (5, 6). Возвращающую упругую силу обеспечивает пружина (2), припаянная к измерительной плате (1). Основной принцип заключается в создании большой неоднородности диэлектрической проницаемости в пространстве датчика, что позволяет добиться большой крутизны преобразования перемещение _ емкость. Для компенсации взаимного влияния каналов между дифференциальными обкладками (5) проложена через текстолитовые прослойки медная фольга, подключенная к специальному выводу (SHEILD) микросхемы AD7745, предназначенному для компенсации емкости электродов на экран при измерениях. Электроды емкостной системы подключаются к измерительной плате (1) посредством вилок на плате и розеток BLS (7, 8) на корпусе. Вся система экранируется электростатическим экраном из медной фольги толщиной 0,1 мм. цифровой дилатометр температура микросхема.

Рис. 2. Конструкция емкостного датчика перемещения: а) неподвижная часть,

1 — плата измерительной части; 2 -пружина; 3 — заземленный электрод; 4 — составной шток; 5 — дифференциальные электроды; 6 — общий электрод; 7 — розетка BLS-3; 8 — розетка BLS-2; 9 — корпус датчика; 10 — текстолитовый заостренный штырь; 11 — медный экран б) подвижный шток.

Код, соответствующий измеренной емкости, отсылается по интерфейсу I2C на микроконтроллер Atmega 16 [3]. Данные обрабатываются на микроконтроллере и отсылаются на персональный компьютер (далее ПК) через группу интерфейсов UART-USB-COM, реализованную на микросхеме FT232RL [4]. Микроконтроллер обладает собственной клавиатурой и LCD экраном для автономной работы. Запрограммированное меню позволяет использовать дилатометр в различных режимах.

Для определения чувствительности были произведены измерения стабильности показания ЦЕД. Измерения проводились при закрепленном штоке. Частота поступления данных с ПК составляет 3 Гц. Они представляют собой измеряемую емкость с микросхемы AD7745 в относительных единицах (С0 — динамический диапазон преобразователя 4 пФ). Мгновенная нестабильность, характеризуемая среднеквадратичным отклонением результатов составила 1,1•10−6. Долговременная нестабильность, измеренная в течение часа, равна 4•10−6.

Микросхема AD7745 имеет встроенный термодатчик, который может быть использован для термокомпенсации показаний емкости. Наличие температурного дрейфа объясняется как температурным дрейфом самой микросхемы-преобразователя, так и измерением диэлектрической проницаемости керамики, используемой в емкостном датчике. На рис. 3 показана зависимость показаний ЦЕД от температуры при фиксированном положении штока. Используя линейную аппроксимацию зависимости, можно улучшить характеристики долговременной стабильности ЦЕД.

Рис. 3. Зависимость показаний ЦЕД от температуры микросхемы-преобразователя

График калибровочной характеристики размещен на рис. 4. Перемещение производилось при помощи микрометра, неподвижная часть которого была прикреплена к корпусу датчика. Отсчеты калибровочной характеристики получены при смещении 0,05 мм. Если принять за деление минимально различимое изменение емкости соответствующее двум среднеквадратичным отклонениям, т. е. 2•10−6, то предельная чувствительность равна 10 нм.

Разработка датчика перемещения с меньшим динамическим диапазоном, но большей чувствительностью возможна, однако и сейчас созданный дилатометр превосходит аналоги, работающие на оптическом принципе, и может быть использован в системах, где необходимо контролировать перемещение с высокой точностью, например, для позиционирования датчика Холла при магнитной дефектоскопии материалов [5].

Рис. 4. Калибровочная характеристика ЦЕД

Работа выполнена по Государственному контракту № 14.740.11.0830 ФЦП «Научные и научно педагогические кадры инновационной России».

• 1. Ацюковский В. А. Емкостные дифференциальные датчики перемещения — Библиотека по автоматике — выпуск 12. — М., Л.: Государственное Энергетическое издательство, 1960. — 105с.
• 2. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров/ Сост. Ю. А. Шпак — Киев: «МКПресс», 2006 г. — 400с.
• 3. Орлов А. А. Система поиска микродефектов в ферромагнитных материалах // Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы: сборник тезисов и статей Всероссийской научной школы/ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).- Новочерскасск: ЛИК, 2011. — 192 с.