1
(21)4826423/21
(22) 15.03.90
(46) 30.08.92. Бюл. № 32
(71)Ульяновский научно-производственный комплекс Центр микроэлектроники и автоматизации в машиностроении
(72)А.И.Жучков, В.А.Тихоненков и А.В.Иго (56) Авторское свидетельство СССР
ISfc 1174739. кл. G 01 В 7/18, 1985.
Авторское свидетельство СССР № 1448288, кл. G 01 R 17/10, G 01 В 7/18,1988.
(54) СПОСОБ НАСТРОЙКИ ТЕНЗОМЕТРИ- ЧЕСКИХ МОСТОВ
(57) Использование: измерительная техника, при настройке тензометрических мостов, датчиков, изготовленных по интегральной и металлопленочной технологии. Сущность изобретения: одновременно проводят компенсацию начального выходного сигнала и температурного дрейфа датчика только внешними шунтирующими резисторами и терморезистором, который конструктивно изготавливается внутри датчика, при настройке датчика не требуется проводить доработку замкнутой мостовой схемы датчика, изготовленной в едином технологическом цикле. 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензометрических мостов, датчиков, изготовленных по интегральной и металлопленочной технологии.
Известен способ настройки тензометрических мостов, заключающийся в том, что в одно из плеч моста вводят термочувствительный резистор, измеряют температурный дрейф выходного сигнала, рассчитывают величину сопротивления термочувствительного резистора, необходимого для компенсации, и с помощью напыления технологической перемычки подгоняют величину сопротивления термочувствительного резистора.
Наиболее близким к предлагаемому является способ настройки тензометрических мостов, когда компенсацию температурного дрейфа проводят подключением шунтирующего резистора, рассчитанного по температурному дрейфу выходного сигнала моста при подключении известного технологического шунта, а начальный выходной сигнал уменьшают до заданного значения подгонкой значения сопротивления одного из тензорезисторов (ТР) моста без изменения его температурного коэффициента сопротивления (ТКС),
Недостатком этого способа являются сложность, трудоемкость самой технологии подгонки номинала ТР без изменения его ТКС. Обычно это лазерная подгонка или подгонка механическим резанием, и сам процесс подгонки требует непрерывного измерения выходного сигнала; очень высокое требование к точности подгонки ТР, так для балансировки нуля с точностью 0,2% требуется точность подгонки 0,008 Ом при сопротивлении плеча мостовой схемы 1 кОм, так как у металлопленочного датчика полное изменение сопротивления мостовой схемы 4 Ом при номинальном значении измеряемого параметра.
Целью изобретения является повышение точности настройки датчика.
XI
СП 00 СЛ О
со
Цель достигается тем, что согласно способу настройки тензометрических мостов определяют сопротивление тензорезисто- ров моста для двух различных температур, плечо для включения шунтирующего резистора и рассчитывают значение этого резистора, но Б отличие от прототипа, одновременно проводят компенсацию начального выходного сигнала и температурного дрейфа датчика только внешними шунтирующими резисторами Рш, Rg и терморезистором Ra, который конструктивно изготавливается внутри датчика и при настройке датчика не требуется проводить доработку замкнутой мостовой схемы датчика, изготовленной в едином технологическом цикле.
Использование в качестве настроечных элементов высокоомных шунтов (Нш 20- 30 кОм) уменьшает требования, предъявляемые к точности их подгонки к расчетному значению для балансировки нуля, тем самым повышается максимально возможная точность настройки.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где изображена схема включения расчетных резисторов Нш и Rg в тензомет- рический мост с терморезистором Ra,1 на фиг. 2 схема включения датчика в измерительную цепь.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1-4 - тензорезисторы Ri, R2, Вз, R4; 5 - терморезистор Ra; 6 и 7 - расчетные резисторы RUI и Rg.
Расчет резисторов Кш и Rg производится на основе настроечных измерений по формулам:
BlC A D-C 6-D A44 b C+A D-C1a-DrA -4(C1A-A Cl(D B-B1D) ,л «„ггт:-гг-:; ()
2(С А-А С)
„ Rg А Ч- В
ш Rg С + D
Rm -
(2
rfleA UR4Ri: A U RiR1 :
B UR4RlRa; R Ral (R4+Ri); -U1 (R4 +
()-U(R4(Rl+Ra)+RlRa);
(R + Rl)-U (R4 (R + Rl) + F$ Ra);
U
R4
u° . R5i
U
+ Ri Упит R4 + R
где значение R определяется по формуле:
„i (,7+4Rj,(Rt4)J(() M t uiRi/of-Rj-Ri.
где
al (и{ш1 U /Unnr: a4 ( Up/Unnr:
а значение R находится из решения уравнения (4) численно на ЭВМ
f i № № frwlK l wl№(R;lcii-K.(t}
2(Rt/Qi-R C)
, Rl-(Ry« /o41t2gSR -4((
Q Значение Ra находится по формуле
прииЬ-иоХ,: Ш (1 - у) у R
Rl 1 + t при и1о-и0 0; 15Ri+Ri-RVy
(5)
30
Ua Up R4
(-.
UnHTR + Rj,
2Q где измеряемые величины Ri, R4 - значения сопротивлений тензорезисторов;
Ra - значение сопротивления терморезистора;
Uo - величина начального разбаланса ос тензометрической мостовой схемы;
U о- то же, при второй температуре t;
UUH - величина разбаланса тензометрической мостовой схемы при второй температуре t при подключении технологического шунта RUJ параллельно тензорезистору RI;
Uui4 - величина разбаланса тензометрической мостовой схемы при второй температуре t при подключении технологического 35 шунта RUJ параллельно тензорезистору R4;
Ua величина разбаланса тензометрической мостовой схемы при второй температуре t при подключении терморезистора Ra параллельно к выбранному тензорезистору. 40 Выбор осуществляется следующим образом.
При Uo-Uo 0 Ra подключаем к RI, а при Uo-Uo 0 Ra подключаем к R4; ипит - напря- 45 жение питания.
Пример. Применяем предлагаемый способ для настройки полупроводникового датчика давления ДДП 001, который имеет
50 замкнутую тензометрическую мостовую схему с терморезистором (фиг. 2). При температуре измеряем значения сопротивления ,9 кОм; ,0 кОм; кОм; напряжение питания ,0 В; на55 чальный выходной сигнал ,845 мВ, помещаем датчик в печь и нагреваем на At 100°C, измеряем ,687 мВ, подключаем кОм к RI, измеряем uLi 570,20 мВ, подключаем Кш к R/J, измеряем
L)U -407,43 мВ. так как o 0, то Ra подключаем к RI и измеряем ,51 мВ.
Для определения R решаем уравнение (4) с помощью программы COMPENSI (приложение 1). Программа написана на языке ПАСКАЛЬ и реализует численный метод решения уравнения одной переменной методом половинного деления, Нижний предел интервала поиска корня уравнения (4) задается требованием положительности подкоренного выражения
Рчмин -
4Нш
(1 +1/а4)|а4Г а верхний выбираем из максимально
возможных ТКС ТР: Н5|макс 5,5 кОм (ТКС 0;00375 1/°С); для заданной точности нахождения корня ,00001 время счета 1 с. В результате расчета получаем
,,4 кОм. По формуле (3) находим:
,271 кОм, по формуле (5) кОм; и по формулам (1, 2) рассчитываем ,14 кОм и ,371 кОм.
После подключения расчетных значений начальный выходной сигнал при
,0002 мВ, а при t 120°C ,0014 мВ; и дополнительная температурная погрешность, вызванная изменением начального выходного сигнала:
с и 1.2 10-7 1/°С,
ином At
где мВ - значение выходного сигнала датчика при подаче номинального значения давления;
Таким образом, расчетные значения дали хорошую компенсацию температурной погрешности датчика.
Приложение 1
PROFRAM COMPENS 1:
USES Printer; CONST
.5;
utsh1 0.57020;
utsh4 -0.40743;
.088687;
uta .42 051 ;
.031845;
.9:
.0;
tol 1e-5; VAR
a,b,x,fa,fb,fx,root:real;
converged :boolean;
a1,a4 :real;
0
5
0
r1t,r11t,r12t: real;
rait,arg.brg,erg,ka.kb.kc.kd: real;
kat,kbt,kdt,kct1r4t,yal,nu,nut,rg,rsunt: real; FUNCTION sing(x:real):real;
BEGIN
IAx 0.0 THEN slgn: -1
ELSEslgn: 1;
END;
FUNCTION ZERO(X:REAL);REAL; VAR
z.e,r: REAL- BEGIN
();
t: x/a1-x-rsh;
(x(1+1/a4));
zero:(z+sqrt())/2/e+
+{r-sqrt((x+rsh)))/2/(x+rsh); END; BEGIN .
a1:(utsh1-uto)/u;
a4:(utsh4-uto)/u;
((1+1/a4)(H-1/a4)a4J;
(a); (b);
IFsign(fa).OTHEN
wrlteln( FUNC DOES NOT CHANGE SIGN ) ELSE
BEGIN
converged; abs(a-b) tot;
WHILE NOT converged DO
BEGIN
.5(b-a); (x);
IFslgn(fa).0 THEN
BEGIN
END
ELSE
BEGIN
END;
converged: abs(b-a) tol;
root:(b+a)/2
END;
r11t: sqr(root)+2 rsh root;
r12t : (root/a 1-root-rsh);
r1t:(r11t+sqrt(sqr(r11t)(root) r12t))/2/r12t;
r4t: root;
yal :(utal-uto)/u+r4t/(r4t+r1t);
ralt: r1 (1-yal)/(yal(r4t+r1 );
{rez. determ }
(r4+r1)-uo/u; (r4t+r1t)- uto/u;
kc: r4-nu(r4+r1); kct: r4t-nut(r4t+r1t);
(r1+ral)-nii(r4(r1+ral)
(r1t+ralt)-nut(r4t(r1t+ralt)+r1t ralt);
arg: ka kct-kat kc; brg: kct kb+ka kdt- kbt kc-kat kd;
crg: kat kb-kd kbt;
rgK-brg+sqr-t(sqr(brg)))/2/arg; rsunt:(rg ka+kb)/(rg kc+kd); write n(LST Compute Rg (Rsh ); writeln(LST, ).
writeln(LST, R1 , rl:2:3, R4 , r4:2 3 Uo , uo:2:7);
Uot ,uto:2:7);
writeln (LST, Utsht , utshl:2:7 Utsh4 , utsh4 :2:7.
Utal, utal:2:7);
writeln(LST, , ral, result- Rg ,rg:3:4, Rsh , rsunt:3:4, kOm V
END .
Формула изобретения
Способ настройки тензометрических мостов, заключающийся в том, что определяют сопротивление тензорезисторов, расположенных в соседних плечах моста, температурный дрейф начального выходного сигнала моста для двух различных температур, плечо для включения шунтирующего резистора и рассчитывают значение этого резистора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности настройки, определяют сопротивление терморезистора, плечо подключения терморезистора, подключают в выявленное плечо моста шунтирующий терморезистор, измеряют температурный дрейф выходного сигнала
моста при подключенном терморезисторе, рассчитывают требуемое значение дополнительного резистора по формуле
ffleA UR4Ri; A HJIRij B UR4RiRa,-
(R4+Ri); c -Rfc -U1 (R$ + R))(Rl+Ra)-U((Ri+Ra)+RiRa);
(R + (Rjj (Rt, + Rt) + ft Rt).
.
ипит
Rl + RI U
пит
где RL R - сопротивление тензорезисторов, к которым подключаются шунты;
Ra - сопротивление терморезистора;
RI , R5i, Ra - их расчетные значения при второй температуре t;
Uo - величина начального разбаланса тензометрической мостовой схемы;
U0- то же. при второй температуре t;
иПит - напряжение питания, рассчитывают требуемые значения шунта по формуле
Ra А + В
RHI -
Rg С + D
и подключают терморезистор Ra и резисторы Rg и RUJ с расчетными значениями в вы- 35 явленные плечи-моста.
Фиг.1
Фиг 2.
