Высокоточное измерение изменения емкости Опции

[Konrad]

Здравствуйте, коллеги.
Жизнь заставляет заняться новой для меня темой - электроникой для твердотельного волнового гироскопа (ТВГ). Опыта в этой сфере нет, а задачи ставятся очень непростые...

Необходимо измерять изменение емкости емкостного датчика +-1пФ с точностью 0.01фФ... Ну, точность, ясно, запредельная. но нужно получить максимум возможного. Емкость меняется по синусоидальному закону с частотой ~3кГц (частота резонанса ТВГ).

Коллеги, есть у кого опыт работы с ТВГ в целом, и прецизионного измерения изменения емкости в частности?

[novikovfb]

Посмотрите 1310НМ01
PS Вы не из Фиолента?

[Konrad]

Посмотрите 1310НМ01
PS Вы не из Фиолента?

я из НИИ командных приборов

Посмотрите 1310НМ01

не нашел нигде описания, но подозреваю, что это что-то типа AD7745/AD7746.
Мне имхо нужно что-то более быстрое. Мне известны моменты времени, когда емкость достигает своего максимума и минимума. Я бы хотел производить в эти моменты измерения и брать их разность, получая таким образом амплитуду и исключая ошибки связанные со всяческими смещениями и погрешностями по постоянному току.

[Tanya]

Необходимо измерять изменение емкости емкостного датчика +-1пФ с точностью 0.01фФ... Ну, точность, ясно,

А какова величина емкости? Какое можно подать напряжение на этот конденсатор?

[novikovfb]

не нашел нигде описания, но подозреваю, что это что-то типа AD7745/AD7746.
Мне имхо нужно что-то более быстрое. Мне известны моменты времени, когда емкость достигает своего максимума и минимума. Я бы хотел производить в эти моменты измерения и брать их разность, получая таким образом амплитуду и исключая ошибки связанные со всяческими смещениями и погрешностями по постоянному току.

Невнимательно прочитал Ваши требования. Миландровская микросхема побыстрее (2000 выборок в секунду), но хуже точность (12 разрядов), не подходит под эти требования. Почему они убрали описание - не знаю.

[Konrad]

А какова величина емкости? Какое можно подать напряжение на этот конденсатор?

Выясню на днях. Пока только такие вводные.

[rudy_b]

Необходимо измерять изменение емкости емкостного датчика +-1пФ с точностью 0.01фФ... Ну, точность, ясно, запредельная. но нужно получить максимум возможного. Емкость меняется по синусоидальному закону с частотой ~3кГц (частота резонанса ТВГ).

А какова базовая емкость? Та, которая меняется на +-1пФ?

Т.е. можно измерять по мостовой (компенсационной) схеме, что повысит точность, но нужно знать величину самой емкости, чтобы оценить достижимую точность.

И на какой частоте можно работать? Если, допустим, 100 МГц допустимо, то задача упрощается - модуль сопротивления 1 пФ - порядка 1.6 кОм.

[Konrad]

А какова базовая емкость? Та, которая меняется на +-1пФ?

номинал - 20пФ, макс. напряжение - 100В.

И на какой частоте можно работать? Если, допустим, 100 МГц допустимо, то задача упрощается - модуль сопротивления 1 пФ - порядка 1.6 кОм.

не совсем понимаю, чем она (частота) определяется?

[novikovfb]

не совсем понимаю, чем она (частота) определяется?

Насколько понимаю устройство ТВГ, там в одном объеме собраны 4 или более конденсатора, емкость которых надо измерять. Т.е. будет еще и взаимовлияние этих конденсаторов. Чем выше частота, на которой измеряется реактивное сопротивление конденсатора - тем тщательнее надо учитывать переизлучения и прочие побочные эффекты.
Как еще один способ - подать на конденсаторы постоянное напряжение 100 В и следить за током зарядки/разрядки при изменении емкости конденсаторов. Амплитуда тока порядка 0,1 мкА, на резисторе в 1 МОм будет весьма ощутимое падение напряжения. Т.к. надо мерить не абсолютное значение, а размах (точнее - соотношение размахов между конденсаторами) - может что-то хорошее и получится.

Сообщение отредактировал novikovfb - Jul 6 2017, 11:36

[rudy_b]

Ага, потихоньку просачивается важная инфа - оказавается емкость еще и к чему-то подключена - на ней есть напряжение 100 В.

И как отличить изменение параметров емкости от изменения параметров этого "чего-то"?

[Konrad]

Как еще один способ - подать на конденсаторы постоянное напряжение 100 В и следить за током зарядки/разрядки при изменении емкости конденсаторов. Амплитуда тока порядка 0,1 мкА, на резисторе в 1 МОм будет весьма ощутимое падение напряжения. Т.к. надо мерить не абсолютное значение, а размах (точнее - соотношение размахов между конденсаторами) - может что-то хорошее и получится.

Да. Именно к этому варианту я и склоняюсь. Так снимается сигнал с конденсаторных микрофонов. И номинал резистора и напряжение мне пришли в голову примерно такие же. Но разработчики железки сказали, что подав постоянное высокое напряжение, я создам электростатическую демпфирующую силу, которая может глушить колебания. При этом в одной книжке по ТВГ я видел как раз именно такой способ измерения.
Но в нашей конторе еще давным давно заказали у другой конторы что-то вроде эскизного проекта. В нем рекомендовали модулировать изменением емкости ВЧ-несущую и потом детектировать огибающую. В итоге все мои предшественники городили какие-то модуляторы-демодуляторы на 10 МГц...

А как правильно, ХЗ

Ага, потихоньку просачивается важная инфа - оказавается емкость еще и к чему-то подключена - на ней есть напряжение 100 В.

И как отличить изменение параметров емкости от изменения параметров этого "чего-то"?

нет, я имел ввиду максимально-допустимое напряжение

[blackfin]

В нем рекомендовали модулировать изменением емкости ВЧ-несущую и потом детектировать огибающую. В итоге все мои предшественники городили какие-то модуляторы-демодуляторы на 10 МГц...

Видимо, пытались изобразить что-то похожее на: Figure 3.
Метод измерения, НЯМС, подробно рассмотрен в: IEEE.

[novikovfb]

Но разработчики железки сказали, что подав постоянное высокое напряжение, я создам электростатическую демпфирующую силу, которая может глушить колебания.

Насколько помню физику, демпфировать может только резистор, включенный последовательно с этим конденсатором, т.к. механическая энергия колебаний будет расходоваться на протекание тока через резистор. Отбираемую мощность легко посчитать. Просто приложенное напряжение будет создавать статическое усилие без какого-либо демпфирования, т.е. может только изменить резонансную частоту (и то на очень малую величину, учитывая размеры обкладок). Изменение температуры даст гораздо большее изменение резонанса.
Можно вместо простого резистора подключить трансимпедансный усилитель, демпфирование уменьшится на 4-6 порядков.
А вот высокочастотный сигнал на конденсаторах может дать паразитные колебания и как они повлияют на механику - одному Богу известно.

[Konrad]

Сегодня поставил эксперимент с ТВГ. Подключил к емкостному датчику резистор 1М, подал через него на емкость 40В, подал на электроды возбуждения импульсы ~3кГц и стал смотреть осциллографом сигнал на емкости. На частоте 3кГц, в моменты фронтов импульсов возбуждения я увидел иголки вроде таких:

http://www.electronicsblog.ru/wp-content/u...D0%BF%D0%B8.png

короче, возбуждение лезет в емкостной датчик и теперь ясно, почему предшественники модулировали ВЧ-несущую (10 МГц)... Чтобы отсечь помеху на частоте резонанса (3 кГц). Видимо мне тоже придется городить модулятор-демодулятор.

[Plain]

Обычно достаточно осциллятора и фазового детектора на 1G86.

[=L.A.=]

Сегодня поставил эксперимент с ТВГ. Подключил к емкостному датчику резистор 1М, подал через него на емкость 40В,

*
Выше вы писали про точность измерения в 0,01 пФ. Вы посмотрели по докам: какова собственная ёмкость резистора?
И особенно собственная ёмкость щупа осциллографа.

Сообщение отредактировал =L.A.= - Jul 8 2017, 11:56

[Konrad]

*
Выше вы писали про точность измерения в 0,01 пФ. Вы посмотрели по докам: какова собственная ёмкость резистора?
И особенно собственная ёмкость щупа осциллографа.

1) Я писал про точность 0.01 фФ
2) На данном этапе я просто хотел удостовериться в принципиальной возможности/невозможности снимать сигнал с емкостного датчика данным способом. Стало ясно, что способ не катит.

Обычно достаточно осциллятора и фазового детектора на 1G86.

А что это за элемент - 1G86 ? Я не смог по этому названию ничего нагуглить.

[Plain]

не смог по этому названию ничего нагуглить

Странно, у меня ответ в первой же строчке:

https://www.google.com/search?&q=1G86

https://www.digikey.com/products/en/integra...mp;pageSize=100

[=L.A.=]

1) Я писал про точность 0.01 фФ

*
Что такое "фФ"? фемтофарады?

Сообщение отредактировал =L.A.= - Jul 10 2017, 19:22

[Konrad]

*
Что такое "фФ"? фемтофарады?

да

[novikovfb]

Обычно достаточно осциллятора и фазового детектора на 1G86.

Надо бы еще уточнить, сколько там в одном корпусе таких изменяющихся конденсаторов. Насчет взаимной экранировки - не очень, потому как

Сегодня поставил эксперимент с ТВГ. Подключил к емкостному датчику резистор 1М, подал через него на емкость 40В, подал на электроды возбуждения импульсы ~3кГц и стал смотреть осциллографом сигнал на емкости. На частоте 3кГц, в моменты фронтов импульсов возбуждения я увидел иголки вроде таких:

http://www.electronicsblog.ru/wp-content/u...D0%BF%D0%B8.png

короче, возбуждение лезет в емкостной датчик и теперь ясно, почему предшественники модулировали ВЧ-несущую (10 МГц)... Чтобы отсечь помеху на частоте резонанса (3 кГц). Видимо мне тоже придется городить модулятор-демодулятор.

Соответственно, эти осцилляторы дружно синхронизируются и вместо показаний емкости каждого конденсатора будет что-то среднее, да еще синхронизированное с импульсами возбуждения.

[Plain]

На каждый датчик по детектору, а генератор один.

[Konrad]

А кто-нибудь знает как в Мультисиме смоделировать емкостной датчик? Чтобы емкость менялась относительно среднего значения по синусоидальному закону?

[Степ_дубль]

А кто-нибудь знает как в Мультисиме смоделировать емкостной датчик? Чтобы емкость менялась относительно среднего значения по синусоидальному закону?

SPICE модель емкости, управляемой напряжением.

CODE

*-----------------------------------------------------------------------------
* Example uses:
* - voltage-controlled capacitor ... use "variable admittance"
* - voltage-controlled inductor ... use "variable impedance"

* Variable admittance: Yout = Yref * V
* control input: voltage
* | reference capacitor/conductance (connect other lead to ground)
* / \ | output: floating admittance
* + - | / \
.subckt YX-X 1 2 3 4 5
ecopy 3 6 poly(2) (1,2) (4,5) 0 0 0 0 1
fout 4 5 vsense 1
rin 1 2 1G
vsense 0 6 0
.ends
*

По теме - можно попробовать БМК 5503ХМ1У-499.
Есть у них - www.tcen.ru
фФ конечно не получится. Но хоть что-то.
Как вариант: да мостовая схема с модуляцией повышенной частотой (на практике МГц не особо нужны - до сотен кГц - 1МГц нормально) и последующим детектированием. "ВЧ" модуляцию можно делать не обязательно синусоидальную (меандра хватит) - а значит, синхронный детектор (не фазовый) простым будет (ОУ + ключ).
Если не секрет - чей ТВГ? Именно "рюмка"?
У нас просто задачи схожие)

[Konrad]

Если не секрет - чей ТВГ? Именно "рюмка"?
У нас просто задачи схожие)

сами делаем (НИИ Командных приборов)

[Konrad]

а значит, синхронный детектор (не фазовый) простым будет (ОУ + ключ).
[/quote]
а зачем там синхронный детектор? мы реализуем компенсационный режим (компенсируем сдвиг стоячей волны) и колебания в узлах минимальны. Так что у меня обычный диодный детектор

[bravissimo]

Т.е. вы желаете иметь разрешение по емкости -5, и при этом возбуждаете свой стакан электростатически прямоугольными импульсами 3 кгц, так?
Имхо Вам от синхронного детектирования увернутья не удастся.
мерять такое отклонение измерением колебаний заряда имхо дохлый номер, по крайней мере столь простыми мерами.
Насчет возбуждения паразитных колебаний зондирующим сигналом, если не ошибаюсь Вам придется поднятт частоту измерения на 10^5 относительно резонанса дабы вылезти за гранцы желаемой погрешности.:-) и не валить уровень зондирующего сигнала до неприличия.
До 3*10^8гц?
Или М.б. узкий фап пристроить частоту мерять?:-):-):-)

Сообщение отредактировал bravissimo - Jan 17 2018, 10:04

[Степ_дубль]

Т.е. вы желаете иметь разрешение по емкости -5, и при этом возбуждаете свой стакан электростатически прямоугольными импульсами 3 кгц, так?
Имхо Вам от синхронного детектирования увернутья не удастся.

О том и речь.

to Konrad

компенсационный режим - раз качаете прямоугольником, значит для компенсации как-то меняете амплитуду? Или там простая компенсация - сняли-перевернули-отправили обратно?
В любом случае - для озвученных точностей рекомендуется синхронный детектор. Иначе с точностью проблемы будут. Плюс - любая нестабильность за пределами самой механики будет лезть на выход (и ВЧ иголки тоже). Синхронный детектор гарантирует, что погрешности будут преимущественно от датчика, а не проводов, схемы предусилителя (особенно 1/f шум гадит картину) и т.п. Вам же точность нужна?
Совет - поищите описание схемы ДУС SIRRS (как-то так) от Silicon Sensing. У них достаточно красиво схема разрисована.

to bravissimo
Для вторичной накачки там много, наверное, не надо - у них сам датчик высокодобротный должен быть - он сам как фильтр отрежет все "высокие" частоты.

[smk]

Есть две идеи. 1. Если общая емкость большая. Измерять точно временной интервал между 0,5 от напряжения начала заряда до этого уровня при достижении заряда. 2) Если общая емкость малая. Использовать емкость как запоминающую в УВХ и сравнивать при некотором маленьком интервале времени когда она не успевает до конца зарядиться.

[Konrad]

to bravissimo, Степ_дубль

Возбуждаю и компенсирую я синусоидальным напряжением (амплитуда возбуждения - 100В, амп. компенсации может регулироваться от 0 до 100В)

Снимаю сигнал с емкостного диф. датчика вот так:


Слева заходит 250 кГц, к ХТ2, ХТ8 цепляются емкостные датчики, чья емкость изменяется в противофазе. На выходе ИУ получаю переменный сигнал, соответствующий изменению емкости.

Как сделать прецизионный синхронный детектор на сотни килогерц, я не знаю... Вернее, я почти уверен, что мне не удастся сделать его на спецстойкой отечественной ЭКБ

Сообщение отредактировал Konrad - Feb 16 2018, 16:18