МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Анализ задач, связанных с определением значений параметров двухполюсников

Актуальность вопросов, возникающих при нахождении параметров электрических цепей с двумя доступными полюсами, постоянно возрастает. Это вытекает, с одной стороны, из большого числа такого рода задач в различных областях знания, а, с другой стороны, из бурного развития средств измерительной техники, использующих ОУ, МП и ПЭВМ,

В литературе рассмотрены различные задачи, требующие определения значений параметров двухполюсников (ДП), которые по области применения условно могут быть разделены на четыре большие группы:

  • — научные исследования;
  • — контроль радиоэлектронной аппаратуры (РЭА);
  • — преобразование неэлектрических величин;
  • — биология и медицинская диагностика.

Особое внимание в первой группе уделяются задачам электрохимии, связанным с использованием кинетики электрохимических реакций. Параметры двухполюсника соответствуют определённым параметрам электрохимической системы и являются важным источником знаний о её свойствах. Электрохимическая система при прохождении через неё переменного тока ведёт себя как двухполюсник. Характерно, что одной и той же электрохимической системе может соответствовать несколько схем замещения в зависимости от учёта тех или иных физических и химических явлений. Схемы замещения электрохимических систем, вообще говоря, являются электрическими цепями с распределёнными параметрами. Однако можно считать, что с достаточной степенью точности многие электрохимические системы описываются линейными двухполюсниками с сосредоточенными параметрами.

Значительное количество таких проблем при научных исследованиях связано с кинетикой электрохимических реакций.

Разнообразие электрохимических систем и протекающих в них процессов приводит к большому числу эквивалентных схем замещения, число элементов которых может быть значительным — 10—15.

Электрохимическая система при достаточно малой амплитуде напряжения переменного тока (1...20 мВ) между электродами электрохимической ячейки может быть представлена линейной электрической цепью. Приведём некоторые типичные эквивалентные схемы различных электрохимических систем, в которых на границе электрод — электролит протекают реакции.

Схема замещения для определения характеристик диэлектрика

Рис. 3.1. Схема замещения для определения характеристик диэлектрика

При определении характеристик диэлектрика используется эквивалентная схема замещения, изображённая на рисунке 3.1, на которой сопротивление R характеризует сквозную проводимость, С равно сумме ёмкостей диэлектрика в вакууме и электронной поляризации, а цепочки Rk - Ск, где к = l...m описывают различные виды поляризации.

Структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) представляют большой интерес с точки зрения изучения свойств поверхности полупроводников. Эти свойства определяют надёжность и стабильность полупроводниковых приборов. Прогрессу электроники многофазных слоистых систем металл — диэлектрик — полупроводник в значительной мере способствовало развитие методов измерения параметров МДП-структур. Эквивалентная схема такой структуры в режиме обеднения изображена на рисунке 3.2.

Схема замещения МДП-структуры

Рис. 3.2. Схема замещения МДП-структуры

Полупроводниковый р-п переход является двухполюсником, который способен выполнять в схемах различные функции в зависимости от приложенного напряжения, а также от профиля примесей и геометрии перехода. При его исследовании ёмкостными методами схема замещения показана на рисунке 3.3.

Изучение многих биологических объектов, выработка мер техники безопасности от поражения электрическим током также требуют решения задач определения ДП. Так, при электроскопических методах исследования может быть получена информация о строении различных фазовых областей в гетерогенной структуре, что характерно для живых тканей, и т. д.

Схема замещения р-п перехода

Рис. 3.3. Схема замещения р-п перехода

Контроль элементов и узлов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в процессе производства и эксплуатации отнесён ко второй большой группе. Значительное влияние на динамические параметры быстродействующих интегральных схем оказывают паразитные ёмкости и индуктивности их корпусов. Эквивалентная схема замещения адаптерной платы, создающей необходимые режимы измерения интегральной схемы, включает в себя достаточно большое число параметров. Поэтому при контроле интегральных схем, естественно, возникает задача нахождения ДП.

Упрощённая эквивалентная схема р-п перехода, изображённая на рисунке 3.4, может быть использована при контроле полупроводниковых приборов: транзисторов, диодов и т. д.

Упрощённая схема р-п перехода при контроле полупроводниковых приборов

Рис. 3.4. Упрощённая схема р-п перехода при контроле полупроводниковых приборов

Третью группу задач, требующих определения ДП, составляют разнообразные задачи, связанные с преобразованием выходных величин датчиков в системах контроля и управления.

В последнюю группу входят задачи, связанные с медицинской диагностикой, импендансной плетизмографией (реографией, электроплетизмографией), позволяющей изучать колебания интенсивности кровотока в органе или кровеносном сосуде; реонцефалографией, предназначенной для исследования церебрального (мозгового) кровообращения, и импедансной пневмографией, используемой для регистрации величины лёгочной вентиляции. Эти методы диагностики основаны на регистрации изменений комплексного сопротивления различных участков тела.

Рассмотренные задачи определения ДП характеризуются большим многообразием видов объектов измерения, которые являются линейными пассивными двухполюсниками. Поэтому при разработке средств измерения ДП возникает проблема описания и классификации исследуемых объектов измерения, которая тесно связана с чёткой постановкой задачи определения ДП.

В реальных задачах научных исследований, контроля РЭА, медицинской диагностики и т. п. может быть не определена схема замещения исследуемого объекта в виде двухполюсника.

Естественной является задача упрощения электрической схемы замещения исследуемого объекта. Наиболее простым в настоящее время является представление её в виде трёхэлементного двухполюсника (ТДП).

Так, в ряде отраслей народного хозяйства и науки, таких как электрохимия, электронная и электротехническая промышленность, нефтедобыча и нефтепереработка, биология, медицина, биофизика и др., распространёнными электрическими моделями физических объектов являются линейные трёхэлементные двухполюсники, параметры R, L, С которых несут в себе важную информацию об объекте исследования или контроля на переменном токе. Используемые на практике трёхэлементные двухполюсники могут иметь смешанную, последовательную, параллельную схемы соединения элементов R, L, С. Под последовательно-параллельными двухполюсниками понимают смешанные ТДП, в которых одноэлементный участок последовательно соединён с двухэлементным параллельным участком. В параллельно-последовательных ТДП одноэлементная ветвь параллельна двухэлементной последовательной ветви.

Приведённые на рисунке 3.5 а, б двухполюсники являются схемами замещения диэлектриков, кондуктометрических полуячеек, полупроводниковых структур, диодных преобразователей, электролитических конденсаторов. Схема (рис. 3.5 в) эквивалентна обратно смещённому р-п переходу, а также является моделью электролюминесцентных конденсаторов. Схему (рис. 3.5 г) используют в качестве модели для исследования датчиков влажности, а также модели процессов на границе двух электропроводных фаз, ёмкостных бесконтактных преобразователей. Схема (рис. 3.5 д) отображает потери активной мощности в катушках индуктивности для широкого диапазона частот. Электрическую модель индуктивного датчика влагомера представляют двухполюсником (рис. 3.5 е). Двухполюсник (рис. 3.6 з) является одной из возможных схем замещения синхронной машины. Резонансный ТД (рис. 3.6 а) является схемой замещения проволочного резистора, катушек индуктивности, моделью резистора на высоких частотах, индуктивных датчиков, резистивного делителя напряжения. Двухполюсник (рис. 3.6 в) используют в качестве схемы замещения электрической дуги и ёмкостных датчиков. Схему замещения (рис. 3.6 г, е) имеют конденсаторы на высоких частотах. Резонансный ТДП (рис. 3.6 д) используют в качестве модели тонкослойной структуры металл — диэлектрик — металл, а ТДП (рис 3.6 г) является также моделью пьезорезонансного датчика.

Схемы нерезонансных ТД

Рис. 3.5. Схемы нерезонансных ТД

Схемы резонансных ТД, имеющих активные потери (а—з), а также не имеющих активных потерь (к—н)

Рис. 3.6. Схемы резонансных ТД, имеющих активные потери (а—з), а также не имеющих активных потерь (кн)

В последнее время в медицине получили развитие электрические методы измерения, используемые при диагностике в кардиометрии, томографии, рефлексотерапии, энцефалографии и онкологии. С их помощью исследуют параметры биотканей, белковых растворов и других культуральных сред по схеме (рис. 3.5 а), костных тканей по схеме (рис. 3.5 в), кожного покрова по схеме (рис. 3.5 г).

Схемы (рис. 3.5 а, в) эквивалентны схемам (рис. 3.5 б, г), и их параметры могут быть пересчитаны друг в друга. В свою очередь схемы (рис. 3.5 а, б, в, г) дуальны схемам (рис. 3.5 б, е, ж, з). Это позволяет в случае нерезонансных двухполюсников ограничиться исследованием только схем (рис. 3.5 а, б).

Однозначное нахождение эквивалентной схемы замещения объекта в виде ТДП является задачей структурно-параметрической идентификации. Она содержит два важных аспекта:

  • 1) нахождение схемы замещения исследуемого объекта в виде двухполюсника;
  • 2) измерение параметров элементов полученной эквивалентной схемы.

Решение этих сложных задач невозможно без использования соответствующих современных средств измерения. На сегодняшний день это невозможно без применения МП, ПЭВМ и других средств автоматизации. Поэтому необходим обзор методов и средств измерения параметров ДП.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >