Измерение физических величин, на грани возможностей современной техники Опции

[Alexandr]

Предлагаю обсудить осуществимость и методы измерения таких величин как нановольты, пикогенри, фемтофарады и т.д. Что может современная техника и что можем МЫ?

Тема навеяна обсуждением измерения микровольт в топике: "Усилитель биологических потенциалов".
http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=12404.

[Миша]

техника может, например, следущее:
http://www.prist.ru/produces/pdf/rlc/6520,6530,6540.pdf
Разрешающие способности:
R: 10 мкОм
C: 1 фФ
L: 0,1 нГн
стоимость ни в какие ворота не лезет.
Есть готовые чипы для работы с датчиками перемещений, например, ad7745 с разрешением 4aF (даже не понял сколько это), но всё это вещи низкочастотные (сотни герц) + зависимоть точности от шунтирующей проводимости.
Мне удавалось в "домашних" условиях на параллельном LC-контуре на 8 МГц методом компенсации внесённой ёмкости (по сдвигу фазы варикапом) определить С с точностью до 0,5 пФ при шунтировании проводимостями 100 мкСм - 10 мСм.
Проблема измерить всё это в полосе частот, скажем, от 1 Гц до ...... 100 МГц! Мда...

[LordN]

4aF (даже не понял сколько это),

атто = 10e-15

[Stanislav]

атто = 10e-15

Простите, но Вы ошиблись. Атто = 10e-18, фемто = 10e-15.

Вообще-то, обсуждение подобной темы рискует вылиться в грандиозный флейм. Поэтому, мне кажется, лучше приводить конкретные параметры измерительных устройств (подобно тому, как это сделал Миша), а также, если нужно сделать нечто экстраординарное, точные параметры (модели) источников сигнала и помех, чтобы поиметь почву для обсуждения.
Кому интересно, может поискать уровень сигнала от одного спутника, принимаемого GPS C/A приёмником на patch-антенну, а также разрешающую способность ёмкостного датчика перемещения, например, в MEMS акселерометре. Думаю, результаты впечатлят. А ведь это, по современным меркам, копеечные приборы...

[nadie]

To Миша
Wayne Kerr Electronics c Базовая погрешность 0,05% как то не очень (IMHO) подходит для прецизионных измерений емкости, и соответственно всех других физических величин измеряемых емкостными датчиками. В западных лабораториях для подобных измерений используется в основном AH 2700A или AH 2550A
http://www.andeen-hagerling.com/
с Accuracy порядка 10 ppm.
Цена порядка 10 kEuro за AH 2550A

To Stanislav

К сожалению MEMS датчики имеют достаточно ограниченный температурный диапазон. Поэтому (пока) не удается их достаточно активно использовать в различных приложениях, где температура может быть существенно ниже комнатной (жидкий азот или гелий).

[Миша]

Поставлю проблему измерения фазового сдвига на ВЧ без использования трансформаторов и т.п. Для измерения малых ёмкости, шунтированных (не обязательно) большими проводимости необходимо чувствовать сдвиг фазы тест-сигнала относительно опорного порядка 0,1° - 1° (см. маткадовский файл). На частоте 10 МГц 0,1° соответствует T/3600=0,1*10e-6/3600=~27,7 пс. Если измерительный сигнал преобразовать в прямоугольник и подсчитывать ко-во приходящих импульсов, то тактовая частота счетчика должна быть 27 ГГц .
Способы решения:
1. Перенести сигнал в область НЧ (например, на 1 кГц). и без особых проблем таймером / "исключающим или" + интегратор / D-триггером продетектировать. На практике получается отловить минимум 1 - 0,5 пФ.
Недостатки: нелинейность аналогового переноса на НЧ, зависимость от амплитуд входных сигналов, неочевидные метрологические выкладки.
2. Обеспечить циркуляцию измерительного сигнала: генератор даёт один период синусоидального тест-сигнала и отключается (чтобы не мешать). Сигнал при переходе со входа на выход сдвигается, скажем, на 10 пс; с выхода через ОС попадает обратно на вход, снова сдвигается на 10 пс , и так столько раз, сколько надо (чтобы можно было поставить счетчик, тактируемый хотя бы от 1 ГГЦ, а лучше ниже). Как организовать циркуляцию - голову уже сломал, начал перебирать старые патенты 80-х годов (много интересных идей). Пока не нахожу .

Прикрепленные файлы

 kontur_C_150p.zip ( 14.41 килобайт ) Кол-во скачиваний: 53

 

[nadie]

To Миша
Пожалуйста опишите подробнее вашу систему измерения емкости. Это трех контактный или 4 контактный способ. Приборы для прецизионного измерения емкости (AH 2550A) используют обычно трех контактную схему, чтобы исключить влияние емкости кабелей подключения.
У меня нет MatCad, если можно ваш расчет как pdf file

[forever failure]

Ну вот ещё в эу же тему.
Какое влияние могут оказывать на сигнал защитные диоды во входной цепи ? Сопротивление источника - порядка единиц килоом, преимущественно активное (не более 10к), полоса частот - 1 - 10000 Гц. Какую шумовую ЭДС будт создавать ток утечки диодов, стоит ли ставить в такие цепи диоды с особо малым током утечки типа 3N3595, которых хрен где найдёшь, или можно не парится, и поставить какие-нить широкораспространённые ? Вообще у кого какой опыт в по такой цепи ?

[Alexandr]

Ну вот ещё в эу же тему.
Какое влияние могут оказывать на сигнал защитные диоды во входной цепи ? Сопротивление источника - порядка единиц килоом, преимущественно активное (не более 10к), полоса частот - 1 - 10000 Гц. Какую шумовую ЭДС будт создавать ток утечки диодов, стоит ли ставить в такие цепи диоды с особо малым током утечки типа 3N3595, которых хрен где найдёшь, или можно не парится, и поставить какие-нить широкораспространённые ? Вообще у кого какой опыт в по такой цепи ?

Ваш вопрос в этом топике не корректен. Здесь все-таки обсуждаются вопросы измерения величин. Создайте тему в ветке "Вопросы аналоговой схемотехники"!

[Stanislav]

...К сожалению MEMS датчики имеют достаточно ограниченный температурный диапазон. Поэтому (пока) не удается их достаточно активно использовать в различных приложениях, где температура может быть существенно ниже комнатной (жидкий азот или гелий).

Ну, MEMS датчики ещё много где не могут работать - в морской воде, в огне, в эпицентре ядерного взрыва... Тем не менее, это не мешает им постоянно расширять и так неслабую область применения, особенно с учётом непрерывного улучшения точности и появления на рынке всё новых производителей. И насчёт комнатных температур Вы не правы - диапазон такой же, как и для большинства микросхем, изготовленных по кремниевой технологии, т.е., где-нибудь -55 - +125 С.
А для чего нужно помещать MEMS датчики в жидкий азот? С гелием вообще экстрим какой-то. Назовите хоть одно кремниевое устройство, реально работающее при такой температуре.

2 Миша
Простите, но мне кажется. что Вы пытаетесь поставить телегу впереди паровоза. Для начала, нужно указать точные параметры измеряемой цепи и допустимую погрешность измерения, а затем уж обсуждать возможные решения.
Вообще-то есть подозрение, что нужное Вам устройство называется фазовым детектором. О том, как его сделать, можно говорить только после выяснения этих параметров. И не забудьте указать, возможно ли усреднение результатов измерений во времени.

Сообщение отредактировал Stanislav - Apr 24 2006, 05:06

[nadie]

To Stanislav
В моем сообщении не было итверждения, что MEMS датчики имеют более ограниченный температурный диапазон, чем другие изделия изготовленные по кремниевой технологии.

В данном случае непонимание возникло из-за существенно различных областей применений. В моем случае, это физические исследования (в том числе физика твердого тела), при которых использование жидкого азота и гелия в большинстве случаев просто необходимо.
Кремневые устройства в этом случае не используются, используются различные емкостные, I-V, и т.п. датчики. Вопросы же точного измерения с помощью таких датчиков очень актуальны (для физиков).

[Миша]

nadie файл перевел в htm - смотрите. Схема измерения ёмкости: Генератор кварцованный на ттлш-логике (КР1531ЛА3, питание 0, +5 В). Превращаем его в генератор тока последовательным с нагрузкой резистором 15 кОм. Нагрузка - параллельный LC-контур, настроенный на 8 МГц - катушка, конденсаторы, подстроечники, варикапная матрица КВС111А трехвыводная. С контура 2 выхода - на амплитудный детектор АД (кд522а) и перемножитель К174ПС1 (питание 0, +9 В). С перемножителя фильтруем RC-цепочкой (выносной блок закончен) и по экранированному кабелю подаётся на стационарный "счетный блок" - активный фильтр на ОУ, компаратор (синус-прямоугольник, питание +9В, -9В), далее "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" на К561ЛП2 (питание 0, +9 В). Дальше интегратор - просто RC-цепочка со здоровенной ёмкостью - её выход на вольтметр (индикатор ёмкости) и на управляющий вывод варикапа.
Алгоритм работы: подключаемая к контуру проводимость снижает амплитуду колебаний, что отражается в показаниях АД. Фазу колебаний проводимость не сдвигает. Емкость же, наоборот, не снижает амплитуду и сдвигает фазу, которую надо отловить (см. маткадовский файл). для этого загоняем её в перемножитель, и дале по цепочке, в итоге на варикап е устанавливается напряжение (индикатор) такое, чтобы он скомпенсировал внесёную ёмкость.
Возможности этой схемы: измеряемые емкости, шунтированные любой проводимостью в диапазоне 0 -10 мСм: 0 - 20 пФ с разрешающей способностью 0,5 пФ (для целей диэлькометрического контроля, чем я и занимаюсь, должно быть 0,1 пФ). Измеряемая проводимость - 100 мкСм - 10 мСм.

Теперь про фазовый детектор. Выходное сопротивление источников двух синусоид - зависит от измеряемой проводимости (!), частота синусоид - 1 Гц - 100 МГц (это нормальный диапазон для исследования физико-химических свойств проводящих сред). Габариты - минимум (это должен быть датчик с низкочастотным выходным сигналом для передачи на 0,5-5 метров). Усреднение во времени возможно (по крайней мере, на ВЧ). Метрология: разрешающая способность должна быть 0,01 - 0,1°, погрешность - 0,001 - 0,01°. Всё это идельные требования, так что их можно снижать в разумных пределах (в 2-5 раз все параметры).

[Миша]

Нет маткада - смотреть в htm

Прикрепленные файлы

 kontur_C_100p.htm ( 10.89 килобайт ) Кол-во скачиваний: 128

 

[Electrovoicer]

разрешающая способность должна быть 0,01 - 0,1°, погрешность - 0,001 - 0,01°.

как-то это не корректно звучит. обычно наоборот бывает

[nadie]

To Миша
Можете pdf или что-то подобное сделать. kontur_C_100p.htm у меня не видно графики.

[Миша]

забыл соответствующую папку загрузить, поэтому без графики. 1.zip - то же самое, только в формате mht

? не прикрепились

Прикрепленные файлы

 1.ZIP ( 155.03 килобайт ) Кол-во скачиваний: 74

 

[TED17]

Хотелось бы услышать ваше мнение о предельных минимальных величинах, динамическом диапазоне и точности измерений интенсивности светового потока с учетом постобработки. Источник - фотодиод(ы), период измерения - менее 50мс.

[khach]

Хотелось бы услышать ваше мнение о предельных минимальных величинах, динамическом диапазоне и точности измерений интенсивности светового потока с учетом постобработки. Источник - фотодиод(ы), период измерения - менее 50мс.

Если в системе есть синхронный детектор (lock-in) то порядков 10 получить можно. Минимум определяется собственным шумом диода и преобразоветеля ток-напряжение. Зависит от площади фотодиода и напряжения смещения. Обычно для неохлаждаемых диодов это на уровне долей пикоампера. Максимум ( для такого же диода)- десятки миллиампер. Потом начинаются заморочки с переключением пределов преобразователя ток-напряжение, изменением напряжения смещения ( для сохранения линейности при высоких фототоках смещение надо увеличивать) итд. Труднее всего "сшить" диапазоны, чтобы ступенек на передаточной функции небыло.

[Electrovoicer]

порядков десять с поддиапазонами естественно.

[DS]

порядков десять с поддиапазонами естественно.

Диоды обычно допускают предельный ток в 1 ма, поэтому если 10 порядков, то по мощности. По напряжению будет ограничено шумами темновогот тока.
У очень дорогих диодов с площадкой 3мм темновой ток порядка 100 - 300 па при комнате. Если усреднять очень долго, то еще порядок с (трудом) наберется.

А вообще вопрос поставлен некорректно - если надо измерять солнечный свет - это одно, непрерывный лазер - это другое, импульсный - третье. В каждом случае свой подход и свои ограничения.

[TED17]

Мерить хотелось непрерывный лазер(850нм) -временную огибающую напряжения. Время между отсчетами 50мс, длмна графика -минуты. Наибольший интерес представляет относительная точность на указанном интервале времени, при предельной чувствительности. Диапазонную нелинейность можно скорректировать обработкой, проблемы в первом диапазоне.
Даст ли эффект запараллеливание нескольких фотодиодов, до какой температуры есть смысл охлаждать, есть ли какие не классические методы уменьшения влияния темнвых шумов?
10 порядков очень бы неплохо, пока прсматривается 7 - 1ма/0,1на.

[DS]

Для 50 мс, 1 ма как раз в пределе и будет около 7 порядков - за счет дробового шума. Лазер скорее всего на несколько порядков больше шумит. Темновой ток - он же в основном постоянный, шум темнового тока - вопрос отдельный. А в чем физический смысл такого измерения ? Вы поглощение какое-нибудь хотите замерить ?

[TED17]

Да поглощение, в биоматериалах. Нужна предельная чувствительность, а тут не понять- то ли шум - то ли синал елозит. Лазер достаточно чист - его НЧ шумы ниже.

[DS]

Да поглощение, в биоматериалах. Нужна предельная чувствительность, а тут не понять- то ли шум - то ли синал елозит. Лазер достаточно чист - его НЧ шумы ниже.

Так он у Вас скорее всего из-за рефлексов, интерференции на детекторе и еще черт знает каких причин елозит. Я что-то не припоминаю, чтобы удавалось в лоб за 50 мс померить такое поглощение. Кстати, обязательно в таких случаях измерять reference сигнал. Для измерения поглощений в относительно однородных средах используются хитрые модуляционные методики, посмотрите в журналах по оптике.
Навскидку
Groll H., Zybin A.V., Niemax K., Schnurer-Patchan C. Diode lasers in atomic absorption analytical spectroscopy: reduction of detection limits by measurements of small absorptions. Opt. Spectrosk., 76, No З, 502 (1994).
Liger V.V., Zybin A.V., Kuritsyn Yu.A., Niemax K. Diode-laser atomic-absorption spectrometry by the double-beam - double-modulation technique. Spectrochim. Acta Part B, 52, 1125 (1997).

Может чем поможет.

[TED17]

Так он у Вас скорее всего из-за рефлексов, интерференции на детекторе и еще черт знает каких причин елозит.

Причина все же в детекторе- охлаждение фотодиода элем пельтье снижает елозенье в несколько раз
(но не на порядки). сильно охлаждать нельзя- все термостатировано, или придется серьезно переделывать оборудование.
За мысль с модуляционными методиками Спасибо. Статьи обязательно посмотрю.

[DS]

Ну тогда у Вас диод очень фиговый. При 1 ма фототока не должны влиять флуктуации темнового тока. Или может быть Вы перегрузили диод и у него место контакта с кристаллом перегревается - ток не даром ограничивают небольшим значением. Для таких точных измерений надо у Hamamatsu диоды покупать. Смотрите pdf ки на их американском сайте.

[TED17]

to DS
Диод нормальный шум порядка 200ра, при 20грС, ток диода при измерениях обычно 1-50мка, просто отклонения хочется мерить с точностью более 6 порядков. Читаю статьи- мощности у них там ломовые -2мвт, да и по частоте модулировать- та же нестабильность наберется только с другого боку.

[DS]

ШУм большой, у нормального диода весь темновой ток такой. А вот фототок маловат. При таком токе Вы не сможете из-за дробового шума фотонов даже теоретически получить такую чувствительность.

Ссылки я не даром дал. Группы Niemaxа и Курицына, а также Надеждинского из ФИАН - рекордсмены по измерению поглощения с помощью диодных лазеров и фотодетекторов. Вряд ли удастся легко их перепрыгнуть. А какие шишки и грабли они собрали имеет смысл почитать.
Еще этим серьезно занимаются в Хьюстоне - RICE, Tittel там такой есть, тоже я думаю, полезно будет ознакомится с их работами.

[TED17]

Приемник - часть амермканского рефрактометра. Диод вклеен насмерть в металл- ломать нет смысла, как и наворачивать суперрешения.
Проблема все же решилась применением квазисинхронного (черезсэмплового) коммутирования лазера с последующим вычитанием сэмплов на РС. Шумы диода, наконец, утонули в шумах лазера и охлаждение диода более чем на 10гр эффекта не дает. Общий вымгрыш составил около 1,5 порядка и это всех пока устраивает. Метод отмечается в литературе как устареший, но если делается за полдня и дает результат- то почему бы и нет. Спасибо DS за ссылки на Троицк- по ним и накопал. Ну а если дойдет до штурма шумов лазера - тут уже Frank Tittel.
Еще раз спасибо за отклики.

[DS]

Вы бы сразу подробней описали задачу - я бы не поленился, дошел до Курицына и выспросил бы конктретно по ней. Или Tittellu в лабораторию позвонил.

[TED17]

Предлагаю обсудить осуществимость и методы измерения таких величин как нановольты, пикогенри, фемтофарады и т.д. Что может современная техника и что можем МЫ?

Немного зажали тему. Предельльные измерения довольно широкая и интересная область.
Обсуждение её еще полезно тем, что методики двольно схожи.