Схема подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате



Схема подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате
Схема подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате
Схема подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате
Схема подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате

 


Владельцы патента RU 2627139:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" (RU)

Изобретение может быть использовано в линейных и угловых акселерометрах и может найти применение в сейсмодатчиках, приборах для стабилизации движущихся объектов и инерциальной навигации. Предложена схема подключения к электронной плате молекулярно-электронного преобразователя, состоящего из четырех электродов, помещенных в замкнутый корпус, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами, в которой катоды подключены к двум соединенным с землей посредством резисторов R1 и R2 входам операционного усилителя, в обратной связи которого установлен резистор R3, причем величины всех резисторов удовлетворяют соотношению R2=R1/(1-R1/R3). Величины резисторов могут удовлетворять условиям R1/R3<<1 и R2/R3<<1. Изобретение обеспечивает преобразование разностного катодного тока в электрическое напряжение, сохраняющего неизменными потенциалы катодов, обеспечивая тем самым линейность преобразования, и, одновременно, обеспечивающего меньшее по сравнению с аналогичными решениями потребление тока. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к схеме подключения молекулярно-электронных преобразователей, используемых в линейных и угловых акселерометрах, к сопутствующей электронике. Это изобретение может найти применение в сейсмодатчиках, приборах для стабилизации движущихся объектов и инерциальной навигации.

Молекулярно-электронные преобразователи линейных и угловых акселерометров используют раствор электролита в качестве инерционной массы и преобразуют поток электролита в электрический сигнал. Молекулярно-электронные преобразователи включают четыре электрода, помещенные в контур, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а внешние - анодами.

При подключении электродов молекулярно-электронного преобразователя к электронике потенциалы катодов поддерживаются равными, а аноды соединены между собой и находятся при потенциале, примерно на 300 мВ более высоком, чем катоды.

Фоновые катодные токи в неподвижной жидкости определяются скоростью диффузии активных носителей. При наличии внешних механических возмущений жидкость перетекает через молекулярно-электронный преобразователь, и дополнительно к диффузионному действует конвективный перенос носителей, увеличивающий или уменьшающий, в зависимости от направления гидродинамического потока, катодные токи.

В качестве выходного сигнала преобразователя обычно применяется разность катодных токов. Для полностью симметричной ячейки в случае покоящейся жидкости она равна нулю. При движении жидкости один из токов возрастает, а другой убывает. В реальной преобразующей ячейке, даже для неподвижного электролита, фоновые токи различаются до 10-15%.

Из технической литературы известны несколько схем подключения молекулярно-электронного преобразователя к сопутствующей электронике, обеспечивающих преобразование разностного катодного тока в электрическое напряжение. В книге [1] представлена схема, при которой катоды подсоединены к общей земле электроники через малые резисторы. В этом случае разность потенциалов между катодами пропорциональна разности катодных токов. В настоящее время такая схема не используется, поскольку не обеспечивает стабильной разности потенциалов между электродами и, как показано в работе [2], в силу зависимости сопротивления ячейки от приложенного напряжения, является источником нелинейности.

Потенциостатическая схема, поддерживающая постоянные потенциалы на всех электродах ячейки, не вносит дополнительных нелинейных искажений и в настоящее время получила наибольшее распространение. Пример реализации такой схемы приведен в работе [3] и, в упрощенном виде, воспроизводится на фиг. 1. Отметим, что в отличие от схемы из [1] потребление приведенной потенциостатической схемы больше, поскольку токи текут не от плюса источника питания к земле, а через операционные усилители от плюса к минусу питания. Как следствие, потребление входного каскада практически удваивается.

Улучшенный, с точки зрения потребления, вариант схемы преобразования разностного катодного тока в напряжение представлен на фиг. 2, на которой в несколько упрощенном виде воспроизводится схема из работы [4]. В этом случае, фоновые токи первого и второго плеча вносят различный вклад в общее потребление каскада преобразования разностного тока в напряжение. Ток катода 1, подключенного к неинвертирующему входу операционного усилителя, протекает прямо на землю, в то время как ток второго катода, как и в схеме, приведенной на фиг. 2, протекает от плюса к минусу источника питания. Таким образом, потребление схемы оказывается выше, чем в варианте из работы [1], но ниже, чем для схемы на фиг. 1 [3]. Схема, приведенная на фиг. 2, является прототипом предлагаемого технического решения.

Задачей настоящего изобретения является создание схемы подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате, обеспечивающей преобразование разностного катодного тока в электрическое напряжение, сохраняющего неизменными потенциалы катодов, обеспечивая тем самым линейность преобразования, и, одновременно, обеспечивающего меньшее по сравнению с аналогичными решениями потребление тока.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в сохранении точности (линейности) измерения угловых и линейных движений датчиком и уменьшении его энергопотребления.

Поставленная задача решена за счет того, что между каждым из катодов и землей устанавливается резистор, обеспечивающий перетекание большей части фонового тока между положительным полюсом источника питания и землей. При этом оба катода подключаются ко входам операционного усилителя и находятся при одинаковых потенциалах. Соответствующая схема приведена на фиг. 3. Для расчета выходного напряжения и токов, протекающих в схеме, воспользуемся моделью идеального операционного усилителя. Тогда ток, протекающий через резистор R1, равен току, вытекающему из первого катода, Icath1:

Ток, протекающий через резистор R2:

Ток, протекающий в обратной связи операционного усилителя через резистор R3 и втекающий в отрицательный источник питания:

Напряжение на выходе операционного усилителя:

При дополнительном условии:

выражение (4) преобразуется в следующее:

В результате, с точки зрения выходного сигнала, схема ведет себя как преобразователь разности катодных токов в напряжение. При этом в отличие от прототипа изобретения не только ток от катода 1, но и большая часть тока от катода 2 текут от положительного полюса источника питания к земле.

В частном случае симметричной ячейки, когда катодные токи близки между собой, имеется возможность обеспечить выполнение условия R1/R3<<1 и R2/R3<<1, и согласно выражениям (3) и (5), между положительным и отрицательным источниками питания будет протекать только малая, при данных условиях, часть тока, равная разности катодных токов.

Таким образом, предложенная схема обеспечивает решение поставленной задачи уменьшения потребления входного каскада, при одновременном обеспечении высокой точности преобразования разностного тока катодов в напряжение.

На фиг. 1 схематически представлено известное техническое решение потенциостатической схемы, используемой для подключения молекулярно-электронного преобразователя к сопутствующей электронике.

На фиг. 2 схематически представлено известное техническое решение оптимизированной по потреблению потенциостатической схемы, используемой для подключения молекулярно-электронного преобразователя к сопутствующей электронике.

На фиг. 3 представлена предлагаемая схема подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате, обеспечивающая меньшее потребление по сравнению с аналогами.

На фиг. 4 показана фотография молекулярно-электронного сейсмического датчика, на котором было реализовано предлагаемое техническое решение.

Для реализации изобретения использовался сейсмодатчик линейной виброскорости модели МТСС-1001. Внешний вид датчика показан на фиг. 4. Электроника выполнена в виде двух плат, размещаемых одна над другой. Одна из плат представляет собой блок питания, обеспечивающий рабочие напряжения для операционных усилителей, а также сдвиг напряжения между катодами и анодами молекулярно-электронного преобразователя. Вторая плата представляет собой электронный усилитель, входной каскад которого соответствует либо схеме, приведенной на фиг. 2, либо, после перепайки, схеме, приведенной на фиг. 3. Во втором случае использовались следующие номиналы сопротивлений входного каскада: R3=1000 Ом, R1=15 Ом, R2=15 Ом. Экспериментально исследовалось потребление сейсмодатчика при использовании двух типов преобразователя, различающихся концентрацией рабочего электролита, а следовательно, величиной фонового тока.

Результаты измерений потребления приведены в таблице.

Как видно из представленных в таблице данных, указанное техническое решение действительно обеспечивает снижение потребление входного каскада электронной схемы.

Предлагаемое изобретение может найти применение в сейсмических системах и приборах стабилизации и инерциальной навигации движущихся объектов. Оно позволяет с помощью небольших конструктивных доработок снизить энергопотребление, что имеет принципиальное значение для множества автономно функционирующих систем.

Источники информации

1. «Введение в молекулярную электронику», под ред. Н.С. Лидоренко, М.: Энергоатомиздат, 1984 г., 273 с.

2. Козлов В.А., Тугаев П.А. Нелинейные эффекты при протекании тока в электрохимической ячейке. Электрохимия, 1996, том 32, №12, С. 1431-1435.

3. Абрамович И.А., Агафонов В.М., Дараган С.К., Козлов В.А., Харламов А.В. Разработка сейсмодатчиков на новых технологических принципах (молекулярная электроника). Сейсмические приборы, Вып. 31. Москва: ОИФЗ РАН, 1999 г.

4. Егоров Е.В, Егоров И.В., Агафонов В.М. Self-noise of the MET angular motion seismic sensors. Journal of Sensors Volume 2015, Article ID 512645.

1. Схема подключения к электронной плате молекулярно-электронного преобразователя, состоящего из четырех электродов, помещенных в замкнутый корпус, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами, отличающаяся тем, что указанные катоды подключены к двум соединенным с землей посредством резисторов R1 и R2 входам операционного усилителя, в обратной связи которого установлен резистор R3, причем величины всех резисторов удовлетворяют соотношению R2=R1/(1-R1/R3).

2. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что величины резисторов удовлетворяют условиям R1/R3<<1 и R2/R3<<1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к датчику ускорения и способу изготовления такого датчика ускорения. Датчик ускорения содержит подложку с поверхностью подложки и пробную массу, которая выполнена с возможностью перемещения относительно подложки в направлении (x) отклонения, по существу параллельном поверхности подложки первом направлении (x).

Изобретение относится к устройствам для навигации и ориентации в пространстве и может быть использовано для определения направления на географический север. Устройство для определения направления на географический север содержит молекулярно-электронный датчик угловых движений, установленный на платформе, способной вращаться с угловой скоростью, изменяющейся по знаку и абсолютной величине, при этом устройство содержит датчик, измеряющий угловую скорость вращения платформы относительно неподвижного основания, и контроллер, управляющий вращением платформы и выполняющий совместную обработку данных молекулярно-электронного датчика угловых движений и датчика, измеряющего угловую скорость вращения платформы относительно неподвижного основания.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введены четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, девять дополнительных неподвижных электродов электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, шестнадцать «П»-образных систем упругих балок, выполненные в виде пластин из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, и двадцать одна дополнительная опора, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введены четыре дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсатор с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь дополнительных опор, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, восемь дополнительных «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с трех сторон, четыре неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений объединены в один, а инерционная масса выполнена с перфорацией.

Устройство относится к измерительной технике, а именно к датчикам угловых ускорений, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции. Датчик угловых ускорений с жидкостным ротором содержит чувствительный элемент и тороидальный корпус, заполненный жидкостью.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в МЭМС акселерометрах и гироскопах. Емкостный датчик перемещений содержит широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод и выполненные на изоляционных обкладках неподвижные электроды, размещенные симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, каждый неподвижный электрод разделен пополам, а одинаковые части, размещенные с разных сторон подвижного электрода на одинаковом расстоянии от оси качания, соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые при равных зазорах имеют одинаковую емкость, при этом неподвижные электроды, находящиеся на одной изоляционной обкладке, разделены асимметрично относительно оси качания и перекрывают всю площадь подвижного электрода, а ответные неподвижные электроды выполнены симметрично относительно плоскости подвижного электрода.

Изобретение относится к навигационным устройствам, в частности может быть использовано для определения направления на географический север. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения направления на географический север.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит две дифференциальные измерительные емкости, источник опорного напряжения, пару ключей зарядки измерительных емкостей, генератор тактовых импульсов, инвертор напряжения, пару ключей для съема сигнала с измерительных емкостей и фильтр нижних частот.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического гироскопа выполнен из монокристаллического кремния, представляющий конструкцию «рамка в рамке».

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический демпфер содержит демпфирующий узел, выполненный в виде сосредоточенной массы, соединенной с помощью упругих подвесов с демпфируемым узлом, с целью получения оптимального демпфирования, при этом в устройстве выполнено следующее соотношение между параметрами: Kд1 - абсолютный коэффициент демпфирования внешнего узла (демпфируемого); Kд2 - абсолютный коэффициент демпфирования внутреннего узла внешнего узла (демпфирующего); m1 - масса внешнего узла; m2 - масса внутреннего узла; G1 - жесткость подвеса внешнего узла; G2 - жесткость подвеса внутреннего узла; χ - коэффициент механической связи между внешним и внутренним узлами.
Наверх