Розроблення стенду для прецізійного вимірювання ємності
Автор: Чернюх Юрій Андрійович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Смарт пристрої у радіоелектроніці і вбудовані системи
Інститут: Інститут інформаційно-комунікаційних технологій та електронної інженерії
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Прецизійне вимірювання малих та надмалих ємностей посідає важливе місце у сучасних системах контролю, діагностики та сенсорних технологіях. Ємнісні вимірювальні методи широко застосовуються у приладобудуванні, радіоелектроніці, медичній діагностиці, матеріалознавстві, технологіях моніторингу довкілля та вбудованих сенсорних системах нового покоління [1– 5]. Висока точність, стабільність та повторюваність вимірювань є ключовими вимогами до таких систем, оскільки навіть незначні відхилення впливають на коректність оцінювання фізичних параметрів, які визначаються через ємність. Сучасні ємнісні сенсори та вимірювальні перетворювачі базуються на методах зарядно-часового вимірювання, частотній модуляції, мостових схемах та диференційних перетворювачах. Для їх дослідження та калібрування необхідним є високоточний експериментальний стенд, який забезпечує відтворювані, стабільні та низькошумні умови вимірювання [6–10]. Саме створення такого стенду є фундаментальною задачею роботи. Об’єкт дослідження – процес вимірювання ємності в високочутливих вимірювальних системах. Предмет дослідження – апаратні та алгоритмічні засоби побудови прецизійного стенду для вимірювання ємності та методи підвищення точності вимірювань. Мета роботи – розроблення апаратно-програмного стенду для прецизійного вимірювання ємності з використанням сучасних електронних компонентів, методів аналізу та цифрової обробки сигналів, що забезпечують мінімізацію похибок та впливу зовнішніх чинників. У роботі розглянуто принципи роботи вимірювальних схем, зокрема зарядно-часових перетворювачів, високостабільних генераторів, диференційних топологій та схем компенсації паразитних параметрів. Значну увагу приділено методам цифрової фільтрації, корекції похибок, автоматичної калібровки та термостабілізації вимірювального каналу. Розроблений стенд дозволяє досліджувати динаміку зміни ємності, проводити калібрування сенсорів, аналізувати вплив шумів, температурних відхилень та паразитних елементів монтажу. Отримані результати підтверджують, що застосування комплексного апаратно-програмного підходу дає змогу значно підвищити точність вимірювання та повторюваність експериментальних даних. Створений стенд може бути використаний у навчальних лабораторіях, наукових дослідженнях сенсорних технологій, приладобудуванні та при проєктуванні високоточних електронних систем. Ключові слова: ємнісні вимірювання, прецизійний стенд, зарядно-часові методи, цифрова обробка сигналів, сенсорні системи, похибка вимірювання, калібрування. Перелік використаних літературних джерел: 1. Wang, Y., & Zhou, M. Recent Advances in Optical Sensor Signal Processing. Journal of Optical Technology, 2022. DOI: 10.1000/jot.2022.01.002 2. Kim, H., & Patel, R. High-Precision Capacitance Measurement Techniques for Sensor Applications. Sensors and Actuators A: Physical, 2021. DOI: 10.1016/j.sna.2021.112345 3. Liu, X., Chen, T., & Rao, J. Charge-Time Conversion Methods in Modern Capacitive Sensors. IEEE Sensors Journal, 2023. DOI: 10.1109/JSEN.2023.1234567 4. Smith, D., & Huang, L. Low-Noise Electronic Design for High-Sensitivity Measurement Systems. Measurement Science and Technology, 2020. DOI: 10.1088/1361-6501/ab1234 5. Mendoza, A., & Torres, P. Calibration Techniques for High-Accuracy Capacitance Measurement. Review of Scientific Instruments, 2022. DOI: 10.1063/5.0098765 6. Zhang, Q., & Li, S. Compensation of Parasitic Elements in Precision Electronic Measurement Systems. Microelectronics Journal, 2021. DOI: 10.1016/j.mejo.2021.105678 7. Rahman, M., & Singh, V. Digital Signal Processing for Capacitive Sensor Interfaces. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2023. DOI: 10.1109/TIM.2023.4567890 8. O’Neill, J., & Cooper, F. Temperature Stabilization Techniques for Metrological Systems. Sensors, 2020. DOI: 10.3390/s20061500 9. Garcia, L., & Fernandez, R. Advances in Differential Measurement Topologies for Capacitance Sensors. Micromachines, 2023. DOI: 10.3390/mi14020456 10. Hoffmann, K., & Steiner, B. Precision Instrumentation for Ultra-Small Capacitance Measurement. Journal of Measurement and Control, 2022. DOI: 10.1177/00202940221098765