Тенденции и перспективы развития современных датчиков

Общие тенденции развития современных датчиков

В современном мире датчики определяют общий уровень развития информационно-измерительных систем с целью надежного функционирования, управления и контроля сложных производственно-технологических объектов в таких наукоемких областях, как энергетика, авиация, ракетно-космическая техника (РКТ), вооружение и военная техника (ВВТ) и т. д.

В частности, согласно анализу анкетных опросов предприятий — потребителей информационно-измерительных преобразователей — датчиков для обеспечения надежной и эффективной работы перспективных изделий РКТ разрабатываемая аппаратура должна обладать:

  • — повышенной в 2—3 раза точностью измерения;
  • — расширенными диапазонами измеряемых параметров, особенно в области малых значений;
  • — повышенной надежностью для датчиков системы аварийной защиты;
  • — повышенным ресурсом до 150 000 ч для датчиков космических аппаратов с длительным сроком функционирования и возможностью надежного резервирования[1].

Дальнейшее перспективное развитие датчиковой аппаратуры в ведущих зарубежных странах, также и в России сводится к эффективному совершенствованию технико-экономических характеристик, таких как точность, надежность, расширение эксплуатационных возможностей а также уменьшение массы и энергопотребления за счет внедрения новейших достижений микро-электроники и современных технологий, использования перспективных высокостабильных материалов, микропроцессорных модулей и наиболее перспективных интеллектуальных датчиков, которые позволяют осуществлять:

  • 1) самокалибровку, самодиагностику и тестирование по внешнему запросу;
  • 2) адаптацию к изменению внешней окружающей среды и контролируемым диапазонам с целью повышения точности и достоверности измерений;
  • 3) внутридатчиковую предварительную обработку, анализ и оценку информации с целью ее корректировки и сжатия для запоминания особо важной составляющей информации, преобразования и передачи;
  • 4) многофункциональность (одновременное измерение нескольких физических параметров: давление, температура, ускорение и др.);
  • 5) построение распределенных систем и сетей как отдельных датчиков, так и множества датчиков с отдельными блоками сбора и передачи информации, в том числе по радиоканалам.

Кроме того, все современные датчики должны предусматривать:

  • 1) расширенный диапазон измерений измеряемых величин;
  • 2) быстродействие, реализуемое в основном за счет применения современной элементной базы;
  • 3) точность измерений, реализуемую главным образом в результате применения наиболее эффективных принципов преобразования и разработки интеллектуальных технологий;
  • 4) виброустойчивость, реализуемую преимущественно за счет уменьшения габаритов и массы, применения компенсационных элементов, технологий микромеханики;
  • 5) дистанционность измерений;
  • 6) помехоустойчивость вследствие использования корреляционных методов измерений, передачи информационных сигналов с использованием волоконно-оптических линий связи, применения избыточных кодов, аналоговой и цифровой фильтрации;
  • 7) увеличение ресурса работы датчиков за счет подбора особо стабильных и прочных материалов;
  • 8) повышение надежности благодаря резервированию и применению элементов с малой или равной интенсивностью отказов;
  • 9) снижение затрат на обслуживание и эксплуатацию;
  • 10) широкую унификации и стандартизацию датчиков.

Из всех общих требований необходимо выделить особые, предъявляемые к разработчикам датчиков профессиональной аппаратуры (ДПА) космических аппаратов (КА).

Как правило, ДПА КА должны иметь очень высокие показатели по безотказности работы (Р > 0,995—0,999 за 10—15 лет эксплуатации), тогда как вероятность безотказной работы для общих стендовых датчиков в среднем определена цифрами 0,95—0,98 за 10 лет, а для датчиков, устанавливаемых на двигательных установках, ракетах-носителях и разгонных блоках, составляет 0,99—0,995 за несколько часов.

Датчики должны быть работоспособны при длительном воздействии негативных факторов открытого космоса, таких как радиационные пояса Земли; галактические космические лучи; солнечные космические лучи; магнитосферная плазма; метеоритно-техногенные тела; высокоэнергетические электроны; глубокий вакуум и др.

Кроме того, к ДПА для КА предъявляются более жесткие требования по энергетическим и габаритно-массовым показателям, чем к аппаратуре других групп.

К настоящему времени стало бесспорным, что микроэлектронная технология радикально улучшает все типы приборов и встроенных в них датчиков. А это приводит к тому, что датчики, построенные на традиционных принципах преобразования (индуктивный, емкостный, тензорезистивный, пьезоэлектрический и др.), получают бесспорную возможность дальнейшего совершенствования в вопросах эффективного улучшения метрологических и конструкторско-эксплуатационных характеристик.

Отдельно существует проблема материалов, используемых при построении датчиков, так как кардинальный прорыв в области повышения качества датчиков в первую очередь связан с применением новых и совершенствованием традиционных конструкционных, функциональных и «интеллектуальных» материалов.

К сожалению, Россия за последние десятилетия утратила приоритеты по многим научно-техническим направлениям, в частности по материаловедению. Это заставляет разработчиков и изготовителей ДПА ориентироваться на зарубежных поставщиков, что в большинстве случаев неприемлемо при комплектации изделий РКТ и ВВТ.

Основное внимание в датчиках физических величин уделяется функциональным материалам, непосредственно участвующим в процессе преобразования входной измеряемой величины в выходную.

Здесь процесс преобразования заключается в использовании определенных физических эффектов, присущих данному электротехническому материалу (ЭТМ), для однозначной идентификации входной величины. На практике известны и находят все большее применение следующие функциональные ЭТМ: сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические, пироэлектрические, фотоэлектрохими-ческие, с ионной и смешанной электропроводностями, полупроводниковые, металлические тонкопленочные электропроводящие материалы, сверхпроводящие, магнитные, электрооптические, диэлектрические. В области перспективных функциональных ЭТМ следует отметить достижения в области органичес-ких пьезоэлектриков и токопроводящих полимеров1.

  • [1] Фрайден Дж. Современные датчики : справочник / пер. с англ. Ю. А. Заболотной ; под ред. Е. Л. Свинцова. М. : Техносфера, 2006; Дмитриенко А. Г. и др. Тенденции развития датчиков, преобразователей и на их основе систем измерения, мониторинга и контроля технически сложных объектов ракетно-космической техники // Датчики и системы. 2012. № 9. С. 19—25.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >