Оптико-частотний температурний сенсор для екологічного контролю Керівник д.т.н., професор О.В. Осадчук Доповідач М. В. Деундяк
Вінницький національний технічний університет
1 Вступ Потреба в швидкому безконтактному вимірюванні та контролюванні температури невпинно зростає. Основними засобами для задоволення цієї потреби є оптико-електронні прилади для виміру температури, що об'єднують широкий клас пристроїв. Саме тому метою проведених досліджень є визначення основних параметрів та характеристик оптико-частотного сенсора для виміру температури. Важливим різновидом сенсорів є сенсори температури, адже багато процесів регулюється відповідно до значення температури. Для виміру температури в даний час використовуються напівпровідникові або мікроелектронні сенсори, що виконані у вигляді мікросхем, інфрачервоні сенсори, термометри опору, термістори, термопари. Використання досягнень сучасної мікроелектронної технології привело до значних успіхів у створенні різноманітних пристроїв контролю і управління. Проте часто отримання високих метрологічних характеристик апаратури досягається за рахунок підвищення її складності, габаритів, маси і вартості. Для подальшого суттєвого підвищення якості первинних перетворювачів необхідно використовувати нові фізичні явища і пошук нових принципів реалізації пристроїв, які відзначаються багатофункціональністю, малою споживаною потужністю, стабільністю характеристик, високою чутливістю, підвищенню швидкодією і надійністю. Отже, проблемою, що вирішується в даній статті є дослідження нового приладу для вимірювання температури - оптико-частотного температурного сенсора температури, що дозволяє ефективно вирішити завдання дистанційного вимірювання температури.
2. Дослідження роботи та характеристик оптико-частотного сенсора температури Принцип дії оптико-частотного температурного сенсора ґрунтується дії зміни температури, що приймається температурним давачем IRA – E420S1 фірми Murata (фотоелектричний, інфрачервоний давач), таким чином змінюється вихідна напруга на давачеві, що приводить до зміни ємнісної складової повного опору на електродах електродах емітер-затвор біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів, що викликає зміну резонансної частоти коливального контуру (рис.1). Пропонований пристрій складається з давача температури та перетворювача напруга-частота. В момент часу, коли зміна температури відсутня, тоді вимірювання не відбуваються. В момент часу, коли на електродах емітер-затвор біполярного та двозатворного польового метал-діелектрик-напівпровідник (МДН) транзисторів виникає від’ємний опір, який приводить до виникнення електричних коливань в контурі (контур утворений паралельним включенням повного опору з ємнісним характером на електродах емітер-затвор біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів VT1, VT2 та пасивною індуктивністю L). При наступній дії зміни температури, яка приймається давачем, змінюється вихідна напруга на ньому, яка змінює ємнісну складову повного опору на електродах емітер-затвор біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів, а це, в свою чергу, викликає зміну резонансної частоти коливального контуру. Ефективно вирішити проблему дистанційного вимірювання температури дозволяє пристрій зображений на рис. 2.1. Існує потреба в теоретичному і практичному доведенні того, що на електродах колектор-колектор біполярних транзисторів є від'ємний опір, що відповідає спадаючій ділянці вольт-амперної характеристики (ВАХ). Крім того, для вивчення роботи оптико-частотного температурного сенсора в динамічному режимі необхідно отримати залежність активної та реактивної складової комплексного опору електродів колектор-колектор структури. Щоб це здійснити представимо схему пристрою враховуючи еквівалентне схеми транзисторів, для зручності розрахунків спрощену еквівалентну схему оптико-частотного температурного сенсора подано на рис. 2.2.
Рисунок 2.1 – Електрична схема оптико-частотного температурного сенсора на основі структури біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів
Рисунок 2.1 – Спрощена еквівалентна схема оптико-частотного температурного сенсора на основі структури біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів
U U U1 U 8 + + 9 + 10 = g (ω )U ЗВi Z 1 Z 2 Z С 1 R 2 Z R1 U7 U8 + =0 Z3 Z2
−
U6 U7 U8 U − − − 9 =0 Z К Z 3 Z 2 Z С1R 2 U 7 U 7 U8 − − =0 Z LБ Z 3 Z 2 U1 U 7 U 7 − − = − g (ω )U ЗВi Z 1 Z LБ Z 3 U U U − 1 − 3 + 4 =0 Z LБ Z СВХ Z RБ U U2 U3 − − 3 = I − I БE Z E Z RБ Z CББ U3 U U − 4 − 5 = − I БК − I БЕ Z СБЕ Z RБ Z СБК U 2 U10 U Ж + = Z E Z R1 Z L U5 U6 − = I БК − I , (2.1) Z CББ Z К
I=
I БЕ − I БК , Q
U БЕ I БЕ = I S exp − 1, NE ⋅ Vt
U БК I БК = I S exp − 1, NС ⋅ Vt
U jS − 1, I S = I SS exp NS ⋅ Vt
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
Z RБ ⋅ Z CВВ ⋅ Z C1R1 + Z R1 ⋅ Z CВВ ⋅ (Z CББ + Z RБ ) − Z C1R1 ⋅ Z CББ ⋅ Z RБ Z R1 ⋅ Z CВВ ⋅ Z C1R1 (Z CББ + Z RБ ) Z= U Ж Z CББ ⋅ Z RБ Z RБ Z − І + І БК − g (ω )U ЗВi 1 + 2 g (ω )U ЗВi − − І + І БЕ Z LБ ZL Z CВВ (Z CББ + Z RБ ) Z CББ + Z RБ U Ж ⋅ ( Z R1 + Z C 1 R1 ) ⋅
Рисунок 2.3 – Теоретична залежність реактивної складової повного комплексного опору від напруги живлення для оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів
. (2.6)
Рисунок 2.4 – Теоретична залежність реактивної складової повного комплексного опору від напруги живлення для оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів
3 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ РАДІОВИМІРЮВАЛЬНИХ СЕНСОРІВ ТЕМПЕРАТУРИ
Рисунок 3.1 – Блок-схема вимірювальної установки
8 7 6 5 3B
Іж , м А
4
3,5 B 4B
3
4,5 B
2
5B
1
2
45 2, 6 2, 75 2, 9 3, 05 3, 2 3, 35 3, 5 3, 65 4, 5 5, 1 5, 7
0,
00
-1
2,
4 0, 1 0, 4 0, 8 1, 3
0
-2 Uж, В
Рисунок 3.2 – ВАХ оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів
7
2,5
6
2
3В
1,5
3В
3,5 В 4В 4,5
1
4
3,5 В
Х , к Ом
Rв, кОм
5
4В 4,5 В
3
5В
5В 2
0,5 1
0 1
7
1
4,
5,
65
55
45
35
25
15
05
95
85
3
75
9
5,
65
5
4,
4,
3,
3,
3,
3,
3,
3,
3,
2,
2,
2,
7
4,
55
6
3,
Рисунок 3.3 – Експериментальні (при різних напругах керування 3 В; 3,5 В; 4 В; 4,5 В; 5 В) залежності активної складової повного комплексного опору від напруги живлення для оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів
2,
5
3,
Uж, В
2,
4
3,
45
3
3,
2,
2
3,
9 2,
1
8 2,
3,
7 2,
3
6 2,
3,
5 2,
2,
43
0
Uж, В
Рисунок 3.4 – Експериментальні (при різних напругах керування 3 В; 3,5 В; 4 В; 4,5 В; 5 В) залежності реактивної складової повного комплексного опору від напруги живлення для оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів
3000
4500 4000
2500
3500 2000
3В
5В
4В 2000
4,5 В
f, к Гц
3,5 В
2500
4,5 В 4В
1500
3,5 В
5В
1500
3В
1000
1000 500
500
3 5,
7
5 4, 9
4,
3,
3, 6
3, 5
3 3, 4
3,
3, 2
3, 1
9 3 2,
2,
8
0
2, 7
43 2, 5 2, 6
0
2,
f, к Г ц
3000
Uж, В
Рисунок 3.5 – Експериментальна залежність частоти генерації від напруги живлення для оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200 Т, С
Рисунок 3.6 – Експериментальна залежність частоти генерації від температури для оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів
ВИСНОВКИ Таким чином, проведені дослідження дозволяють зробити наступні висновки. 1. Вперше запропоновано новий підхід для безконтактного вимірювання температури на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором. 2. Вперше розроблено математичну модель оптико-частотного сенсора температури на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором, яка на відміну від уже існуючих враховує зміну активної та реактивної складових повного опору від зміни інфрачервоного випромінювання: - було здійснено побудову математичних моделей оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів; - були представлені еквівалентні схеми пристрою, враховуючи еквівалентні схеми транзисторів, в результаті чого було отримано еквівалентну та спрощену еквівалентну схему оптико-частотного температурного сенсора; - проведено розрахунок даної математичної моделі оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів за допомогою методу вузлових потенціалів, шляхом складання і розв'язку системи рівнянь; - розв'язавши отриману систему рівнянь, був визначений вираз для повного опору оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів - отримано теоретичні залежності реактивної та активної складової повного комплексного опору від напруги живлення оптико-частотного температурного сенсора на основі структури, що складається з пари біполярного та двозатворного польового МДН транзисторів. 3. Отримано аналітичний вираз для розрахунку повного опору оптико-частотного сенсора температури, який дозволяє визначити активну і реактивну складову повного опору від дії інфрачервоного випромінювання. 4. Проведено експериментальне дослідження основних характеристик оптико-частотних сенсорів температури за допомогою яких було встановлено ряд залежностей та побудовано ряд графіків: - було здійснено експериментальне дослідження вольт-амперної характеристики оптико-частотного температурного сенсора, а також доведено наявність на електродах емітер-затвор біполярного і двозатворного польового МДН транзисторів від'ємного опору, що відповідає спадаючій ділянці вольт-амперної характеристики; - визначено, що активна складова повного комплексного опору приймає від'ємне значення, а реактивна – ємнісний характер та їх залежності від напруги живлення; - здійснено експериментальне дослідження залежності частоти генерації від напруги живлення оптико-частотного температурного сенсора. Визначено, що підключення пасивної індуктивності до виводів колектор-колектор на основі структури, що складається з пари біполярних транзисторів, при від'ємних значеннях повного комплексного опору (при компенсації втрат енергії в коливальному контурі), дозволяє створити генератор електричних коливань. При дії зміни температури на давач здійснюється зміна активної та реактивної складової повного комплексного опору, що в свою чергу, змінює частоту генерації; - проведено експериментальне дослідження залежності частоти генерації від температури оптико-частотного температурного сенсора. 5. Проведені експериментальні дослідження підтвердили адекватність розроблених математичних моделей з похибкою ±5%.