СПОСОБ НАСТРОЙКИ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТЕНЗОМОСТА С ПИТАНИЕМ ОТ ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 1997 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам настройки интегральных тензометрических мостов, предназначенных для работы в условиях переменных температур.

Известен способ настройки интегрального тензомоста с питанием от источника тока, заключающийся в том, что измеряют сопротивление диагонали питания тензомоста при двух различных температурах, измеряют начальный выходной сигнал тензомоста при питании его от источника постоянного напряжения для тех же двух значений температур, по полученным данным определяют требуемое значение напряжения на выходе тензомоста, затем устанавливают это напряжение путем введения в одно из плеч места в зависимости от знака аддитивной температурной чувствительности, компенсационного резистора, выполненного из того же материала, что и другие резисторы тензомоста /1/.

Недостатком этого способа настройки является то, что он позволяет стабилизировать только начальный выходной сигнал тензомоста.

Наиболее близким техническим решением является способ настройки интегрального тензомоста с питанием от источника тока, заключающийся в том, что для стабилизации чувствительности тензомоста подключают параллельно диагонали питания тензомоста термостабильный резистор, сопротивления которого определяют из результатов измерений сопротивления диагонали питания при двух различных температурах и по результатам измерений диапазона изменения выходного сигнала для тех же температур при питании тензомоста от источника тока, а температурную коррекцию начального выходного сигнала осуществляют путем введения в плечи поста компенсационных резисторов, сопротивления которых подбирают, устанавливая на выходе тензомоста требуемое значение напряжения, рассчитанное по результатам измерения начального выходного сигнала для тех же двух значений температуры при питании моста от источника напряжения /2/.

Однако данный способ имеет следующий недостаток. Температурная коррекция чувствительности описанным способом зависит от температурного коэффициента сопротивления (ТКС) диагонали питания тензомоста и недостаточно эффективно в случае, когда этот коэффициент мал (1•10^-5 5•10^-5 1/^oC), а когда температурный коэффициент модуля упругости подлежки, на которой сформирован тензомост, противоположен по знаку температурным коэффициентам тензорезисторов, описанный способ неэффективен еще в большей степени.

Технической задачей способа является повышение точности за счет стабилизации чувствительности
Технический результат достигается тем, что в способе настройки, включающем измерение сопротивления диагонали питания тензомоста при различных температурах, измерения диапазона и изменение выходного сигнала тензомоста для тех же температур при питании тензомоста от источника тока, подключения параллельно диагонали питания тензомоста термостабильного резистора, измерение начального выходного сигнала тензомоста и введение в одно из плеч моста термокомпенсационного резистора, измерении сопротивления диагонали питания тензомоста и диапазона изменения выходного сигнала проводят при трех различных температурах, соответствующих нижней, средней и верхней точкам рабочего диапазона температур, перед подключением термостабильного резистора включают последовательно с диагональю питания термозависимый резистор с ТКС того же знака, что и у диагонали питания моста, причем термостабильный резистор подключают параллельно включениям последовательно диагонали питания и термозависимому резистору, а для определения значений сопротивления термозависимого и термостабильного резисторов используют выражения:


где R_т1(T₂) значение сопротивления термозависимого резистора при температуре Т₂, Ом
R(Т₁), R(Т₂), R(Т₃) сопротивление диагонали питания тензомоста при температурах Т₁, Т₂, Т₃ соответственно, Ом,
α_RC ТКС термостабильного резистора, 1/^oC,
V_тр<V_д(Т₁) нормативная величина диапазона изменения выходного сигнала тензомоста от воздействия номинального значения измеряемой величины, мВ,
V_д(Т₁), V_д(Т₂), V_д(Т₃) - диапазоны изменения выходного сигнала тензомоста от воздействия измененного значения измеряемой величины при температурах Т₁, Т₂, Т₃ соответственно, мВ,
α+Rти

,α-Rти ТКС термозависимого резистора в интервале температур от Т₂ до Т₃ и от Т₂ до Т₁ соответственно, 1/^oC,
Т₁, Т₂, Т₃ значения температуры, соответствующие нижней, средней и верхней точкам рабочего диапазона температур тензомоста, С.

Затем проводят измерение начального выходного сигнала тензомоста при питании его от источника тока для двух значений температур, соответствующих нижней и верхней точкам рабочего диапазона температур, измерение диапазона изменения выходного сигнала при температуре, соответствующей средней точке рабочего диапазона температур, и по полученным данным определяют значение сопротивления компенсационного резистора, предназначенного для температуры коррекции начального выходного сигнала и выполненного из материала с ТКС на два порядка выше ТКС тензорезисторов, по формуле:

где: R_T0(Т₂) значение сопротивления компенсационного резистора при температуре Т₂, Ом,
V_д(Т₂) диапазон изменения выходного сигнала тензомоста от воздействия номинального значения измеряемой величины при температуре Т₂, измеряемый до подключения резисторов R_Ти, R_с, мВ,
диапазон изменения выходного сигнала тензомоста от воздействия измененного значения измеряемой величины при температуре T₂, измерений после подключения резисторов R_Ти, R_с мВ,
α_RTo ТКС компенсационного резистора, 1/^oС,
V_н(Т₁), V_н(Т₃) значения начального выходного сигнала тензометра при температурах Т₁, Т₃ соответственно, мВ,
I_пит(Т₁), I_пит(Т₃) значения тока питания тензомоста при температурах Т₁, Т₃ соответственно, МА.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что для стабилизации чувствительности в цепь питания тензомоста дополнительно включают термозависимый резистор, имеющий ТКС одного знака с ТКС диагонали питания тензомоста, причем термозависимый резонатор подключают последовательно с двигательно питания тензомоста, а термостабильный параллельно диагонали питания тензомоста и термозависимому резистору.

Сопротивление термозависимого и термостабильного резисторов определяют по результатам измерений сопротивления диагонали питания тензомоста при трех различных температурах и по результатам измерений диапазона изменения выходного сигнала для тех же температур при питании тензомоста от источника тока.

Температурную коррекцию начального выходного сигнала осуществляют включением в одно из плеч места компенсационного резонатора с ТКС на два порядка больше ТКС тензорезисторов, сопротивление которого определяют по результатам измерения и начального выходного сигнала для двух значений температур, соответствующих нижней и верхней температурам рабочего диапазона температур и по результату измерения диапазона изменения выходного сигнала при температуре, соответствующей средней точке рабочего диапазона температур.

На фиг. 1 представлен пример топологии и на фиг.2 электрическая схема интегрального тензомоста, предназначенного для настройки предлагаемым способом.

Интегральный тензомост содержит рабочие тензорезисторы R₁ - R₄, компенсационный резистор R_та, изготовленный из материала с ТКС на два порядка больше ТКС тензорезисторов и закороченный в исходном состоянии перемычкой П1, контактные площадки К1-К7, а также дополнительный термозависимый резистор R_ти с перемычками П₂-П₇, имеющий ТКС одного знака с ТКС диагонали питания тензонаста.

Значения сопротивлений R_то, R_ти при проектировании выбирают такими, чтобы они превышали продольно необходимо для температурной компенсации.

Дополнительный резистор R_с находится за пределами подложки, на которой сформирован тензомост, и представляет собой постоянный термостабильный резистор, например типа C2-36.

Настройку интегрального тензомоста осуществляют следующим образом.

При трех различных температурах Т₁, Т₂, Т₃, соответствующих нижней, средней и верхней точкам рабочего диапазона температур тензомоста, измеряют сопротивление диагонали питания тензомоста R(T₁), R(Т₂), R(T₃) между контактными площадками К₂ и К₇.

Температуру Т₂ выбирают, как правило, равной температуре нормальных климатических условий (25+10)^oC. Подключают диагональ питания к источнику тока и измеряют диапазон изменения выходного сигнала тензомоста от воздействия номинального значения измеряемой величины для тех же значений температур V_д(Т₁), V_д(Т₂) и V_д(Т₃) при фиксированном значении тока питания I_пит. Рассчитывают значения сопротивления дополнительного термозависимого резистора R_ти по формуле (I). Путем разрыва перемычек П₁-П₆ устанавливают расчетные значения R. Рассчитывают по формуле (2) значение сопротивления термостабильного резистора P_c и выбирают из ряда постоянных резисторов, например типа C2-36 ОЖО, 467, 089 ТУ с ТКС не более +75•^-6 1/^oC в интервале температур от минус 60 до +155^oC, наиболее близкий (в пределах +0,5%) по номиналу к расчетному значению.

Включают резисторы R_ти и R_с в измерительную схему и подключают диагональ питания схемы к источнику тока. При температурах Т₁ и Т₃ измеряют значение начального выходного и сигнала тензомоста и при температуре Т₂ диапазон изменения выходного питания от изменения номинального значения измеряемой величины. Рассчитывают по формуле (3) значения сопротивления компенсационного резистора и включают его в одно из плеч места в зависимости от знака температурного изменения начального выходного сигнала, удалив предварительно перемычку П₁. Необходимое значение сопротивления компенсационного резистора подбирают, закорачивая отдельные участки компенсационного резистора перемычками из золотой микропроволоки.

Настройка тензомоста описанным способом позволяет стабилизировать его чувствительность и начальный уровень выходного сигнала при работе в широком диапазоне переменных температур.

Физический смысл процесса компенсации температурных изменений чувствительности и начального выходного сигнала заключается в следующем.

При работе в условиях переменных температур происходит изменение чувствительности тензомоста. Величина изменения чувствительности зависит от ТКС тензорезисторов, от температурного коэффициента тензочувствительности материала тензорезисторов, от температурного коэффициента модуля упругости подложки, на которой сформирован тензомост.

Шунтирование диагонали питания тензомоста термостабильным резистором вызывает распределение тока питания между диагональю тензомоста и шунтирующим резистором. При изменении температуры изменяется сопротивление диагонали питания за счет ее ТКС, что приводит к перераспределению тока между термостабильным резистором и диагональю питания тензомоста.

Рассчитав соответствующим образом сопротивление термостабильного резистора, можно осуществить компенсацию температурного изменения чувствительности и тензомоста обратно пропорциональным изменением тока, протекающего через диагональ питания.

Однако этот способ компенсации эффективен только при достаточно большом значении ТКС диагонали питания. Если же ТКС диагонали питания ≈5•10^-5 1/^oC, а величина изменения чувствительности обычно оказывается больше той величины, на которую она может быть скомпенсирована изменением тока питания моста.

Указанный недостаток устраняется в способе настройки увеличением ТКС диагонали питания на необходимую величину путем включения последовательно с диагональю питания термозависимого резистора с ТКС того же знака, что и ТКС диагонали питания. При этом термостабильный резистор включается параллельно термозависимому резистору и диагонали питания. Сопротивление термозависимого и термостабильного резисторов рассчитывают таким образом, чтобы любое температурное изменение чувствительности компенсировалось обратно пропорциональным изменением тока питания моста.

Эффективность предлагаемого способа настройки подтверждена экспериментально. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 1. Определение температурных погрешностей проводилось в диапазоне температур от минус 60 до +165^oC.

У существующих тензорезисторных датчиков давления, например Вт206, Вт212, температурные погрешности нуля и чувствительности составляют соответственно +0,02% ^oC и +0,05% ^oC. Таким образом, результаты экспериментов показывают, что проведение настройки предлагаемым способом позволяет на порядок повысить стабильность начального выходного сигнала и чувствительности тензомостов в диапазоне температур от минус 60 до +165^oC.

Вывод формул (1), (2) осуществлен следующим образом.

При питании тензомоста постоянным током выходной сигнал тензомоста (диапазон изменения выходного и сигнала V_д(Т) связан с током питания I_пит тензомоста соотношением
u_д(T) = ΔR(T)•I_пит (4)
где ΔR(T) изменение сопротивления плеч тензомоста от входной величины (например давления).

При включении источника постоянного тока согласно предлагаемой схеме справедливы следующие соотношения:
R_c(T₂) = R_c(T_i)•[1+α_RC•(T₂-T_i)], (5)

R_ти(T₂) = R_ти(T_i)•[1+α_Rти•(T₂-T_i)], (7)
I_c+I_д=I_пит (8)

где R_с(Т₂), R_с(Т_i) значение сопротивления термостабильного резистора при значениях температуры Т₂ или Т_i, принимающей значение Т₁ при i=1 или Т₃ при i=3 соответственно,
α_RC температурный коэффициент сопротивления (ТКС) термостабильного резистора в интервале температур от Т₂ до Т_i,
R(Т₂), R(Т_i) значения сопротивления диагонали питания тензомоста при значениях температуры Т2 и Т_i соответственно,
R_ти(T₂), R_ти(Т_i) -значения сопротивления термозависимого резистора при значениях температуры Т₂ и Т_i,
α_RTи ТКС термозависимого резистора и интервала температур от Т₂ до Т_i,
I_c, I_д значения тока, протекающего через резисторы R_c и R_ти соответственно,
I_пит значение тока питания схемы.

I_пит=const
u_тр= ΔR(T)•I_д= const
где V_тр требуемое значение выходного сигнала, V_тр<V(Т_i, V_тр<V(Т₂)
При

С учетом формулы (10)

Или

Обознач.

Получаем

С другой стороны

Сделав необходимые преобразования после раскрытия скобок, получаем:

Обозначив:

Получаем

Или
Riти

(T₂)•(C_i-B_i) = R(T₂)•(A_i-C_i) (25)
Или

В общем случае
R1ти(T₂) ≠ R3ти(T₂) (27)
Поэтому расчет значения термозависимости резистора для интервала температур проведены по формуле:

Переобозначив

производя необходимые подстановки, получаем выражение для R_Ти(Т₂) в общем виде


Формулу для расчета R_то(Т₂) получаем, исходя из известного выражения для расчета термокомпенсационного сопротивления нуля (Проектирование датчиков для измерения механических величин под ред. Е.П.Осадчего, М, Машиностроение, 1979г.)

где r_β значение термокомпенсационного сопротивления нуля,
a_r ТКС поста,
α_β ТКС компенсационного сопротивления,
r сопротивление одного плеча моста.

Для определения ТКС моста необходимо знать величины выходного сигнала с тензомоста при двух температурах: Т₁ и Т₃.

Расчет проводится по формуле:

где V_н(Т₃), V_н(T₁) величины выходного сигнала тензомоста при температурах Т₃ и Т₁ соответственно.

K=r1/r2=r3/r4 коэффициент симметрии моста (обычно К=1),
V_пит напряжение питания моста.

Поскольку выходной сигнал тензомоста прямо пропорционален напряжению питания и замеры выходного сигнала при различных температурах разнесены во времени для исключения влияния нестабильности, расчет ТКС моста следует проводить по формуле:

После подставки выражения для α_r, формулы для r_β получим

Поскольку V_пит(Т) R(Т)•I_пит(Т),
где R(Т) сопротивление диагонали питания при питании тензомоста от источника постоянного тока,
I_пит(Т) ток питания тензомоста.

Учитывая, что
u_д(T) = ΔR(T)•I_пит(T) (36)
и реальный ток питания тензомоста зависит от степени гашения чувствительности за счет дополнительных сопротивлений R_Ти и R_с, причем

Вследствие малости ΔR (Т) (доли Ом) зависимостью ΔR от температуры можно пренебречь

или

С учетом этого в формулу для r_β введен коэффициент, равный отношению диапазонов изменения выходного сигнала до и после введения термокомпенсации чувствительности:

Преобразовав термокомпенсационное сопротивление нуля и его ТКС
r_β= β_то(T₂) α_β= α_Рто
и введя новые обозначения в выражение (41), получаем выражение (3) для значения сопротивления компенсационного резистора при температуре Т₂.

Эффективность предлагаемого способа настройки подтверждена экспериментально. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 2. Определение температурных погрешностей проводилось в диапазоне температур от минус 60 до +165^oC.

У существующих тензорезистивных датчиков давления, например Вт206, Вт212, температурные погрешности нуля и чувствительности составляют соответственно +0,02%/^oC и +0,05%/^oC. Таким образом, результаты эксперимента показывают, что проведение настройки предлагаемым способом позволяет на порядок повысить стабильность начального выходного сигнала и чувствительности тензомостов в диапазоне температур от минус 60 до +165^oC.

Использование: контрольно-измерительная техника. Сущность изобретения: способ настройки интегрального тензомоста с питанием от источника тока заключается в том, что измеряют сопротивление диагонали питания тензомоста при различных температурах, измеряют диапазон выходного сигнала тензомоста для тех же значений температур при питании тензомоста от источника тока, затем подключают параллельно диагонали питания тензомоста термостабильный резистор, измеряют начальный выходной сигнал тензомоста и вводят в одно из плеч компенсирующий резистор. Сопротивление диагонали питания тензомоста и диапазон изменения выходного сигнала измеряют при трех различных температурах, соответствующих нижней, средней и верхней точкам рабочего диапазона температур, перед подключением термостабильного резистора включают последовательно с диагональю питания термозависимый резистор с температурным коэффициентом сопротивления того же знака, что и у диагонали питания моста. Термостабильный резистор подключен параллельно диагонали питания и включенному последовательно с ней термозависимому резистору, затем измеряют начальный выходной сигнал тензомоста при питании его от источника тока для двух значений температур, соответствующих нижней и верхней точкам рабочего диапазона температур, измеряют диапазон изменения выходного сигнала при температуре, соответствующей средней точке рабочего диапазона температур, и определяют значения сопротивления компенсационного резистора, выполненного из материала с температурным коэффициентом сопротивления на два порядка выше температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов. 2 ил.

Способ настройки интегрального тензомоста с питанием от источника тока, заключающийся в том, что измеряют сопротивление диагонали питания тензомоста при различных температурах, измеряют диапазон изменения выходного сигнала тензомоста для тех же значений температур при питании тензомоста от источника тока, затем подключают параллельно диагонали питания тензомоста термостабильный резистор, измеряют начальный выходной сигнал тензомоста и вводят в одно из плеч компенсирующий резистор, отличающийся тем, что сопротивление диагонали питания тензомоста и диапазон изменения выходного сигнала измеряют при трех различных температурах, соответствующих нижней, средней и верхней точкам рабочего диапазона температур, перед подключением термостабильного резистора включают последовательно с диагональю питания термозависимый резистор с температурным коэффициентом сопротивления того же знака, что и у диагонали питания моста, причем термостабильный резистор подключают параллельно диагонали питания и включенному последовательно с ней термозависимому резистору, а для определения требуемых значений сопротивлений термозависимого и термостабильного резисторов используют выражения


где R_Tи значение сопротивления термозависимого резистора при температуре T₂, Ом;
R(T₁), R(T₂), R(T₃) сопротивление диагонали питания тензомоста при температурах T₁, T₂, T₃ соответственно, Ом;
α_RC ТКС термостабильного резистора, ^oC^-1;
U_тp <U_д(T₁) нормативная величина диапазона изменения выходного сигнала тензомоста от воздействия номинального значения измеряемой величины, мВ;
U_д(T₁), U_д(T₂), U_д(T₃) - диапазоны изменения выходного сигнала тензомоста от воздействия номинального значения измеряемой величины при температурах T₁, T₂, T₃ соответственно, мВ;
α+Rти

,α-Rти ТКС термозависимого резистора в интервале температур от T₂ до T₃ и от T₂ до T₁ соответственно, ^oC^-1;
T₁, T₂, T₃ значения температуры, соответствующее нижней, средней и верхней точкам рабочего диапазона температур тензомоста, ^oC,
затем измеряют начальный выходной сигнал тензомоста при питании его от источника тока для двух значений температур, соответствующих нижней и верхней точкам рабочего диапазона температур, измеряют диапазон изменения выходного сигнала при температуре, соответствующей средней точке рабочего диапазона температур, а для определения значения сопротивления компенсационного резистора, выполненного из материала с температурным коэффициентом сопротивления на два порядка выше температурного коэффциента сопротивления тензорезисторов, используют выражение

где Rт_o(T₂) значение сопротивления компенсационного резистора при температуре T₂, Ом;
U_д(T₂) диапазон изменения выходного сигнала тензомоста от воздействия номинального значения измеряемой величины при температуре T₂, измеренный до подключения резисторов R_ти, R_c, мВ;
диапазон изменения выходного сигнала тензомоста от воздействия номинального значения измеряемой величины при температуре T₂, измеренный после подключения резисторов R_ти, R_c, мВ;
ТКС компенсационного резистора, ^oC^-1;
U_н(T₁), U_н(T₂) значения начального выходного сигнала тензомоста при температурах T₁ и T₃ соответственно, мВ;
I_пит(T₁), I_пит(T₃) значения тока питания тензомоста при температурах T₁ и T₃ соответственно, мА.