Тензорезисторное устройство Советский патент 1979 года по МПК G01B7/16 

(54) ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОЕ УСТРОЙСТВО

бочей температуре тензодатчика со сдвигом во времени.

Наиболее близким к заявленному устройству по технической сути является тензорезисторное зстройство, содержащее четырехплечую тензорезисторную мостовую схему, одна точка диагонали питания которой подключена к клемме источника питания, два резистора, подключенные к общей клемме источника питания, и усилитель 3.

Полная схема известного устройства содержит четыре активных теизорезистора, соединенных по мостовой схеме, зависимый источник тока, усилитель, делитель из двух резисторов и третий резист ор, причем делитель из дпух резисторов включен между клеммами питания, вход зависимого источника тока соэдинен с выходом делителя, а выход источника тока включен между одной вершиной диагонали питания тензорезистивной мостовой схемы и, через третий резистор, общей шиной питания. Вторая вершина диагонали питания мостовой схемы соединена с другой шиной питания, выход тензорезистиБиой мостовой схемы соединен с входом усилителя.

Напряжение с измерительной диагонали мостовой схемы подается на усилитель, в котором предусмотрена компенсация погрещности нуля и чувствительности путем введения обратных связей.

Независимость изменения тензорезисторов от температуры и незначительиое изменение сопротивлений мостовой схемы в заданном рабочем диапазоне температур достигаются выполнением ряда требований технологического характера к процессу диффузии при изготовлении тензосопротивлений и Т10ЧИОЙ подгонкой резисторов.

Недостатками рассматриваемого устройства являются небольшой рабочий диапазон температур (28°С), тогда как работа датчиков специального назначения осуществляется в более широком диапазоне температур (от -60 до -f 100°С и выше), и большая ошибка измерения при работе в переходных температурных режимах.

Цель изобретения - расщирение диапазона рабочих температур и повышение точности контроля при переходных температурных режимах.

Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено масштабным усилителем, сумматором, первый вход которого соединен с измерительной диагональю мостовой схемы и тензорезистором, включенным между клеммой источника питания и одним из резисторов, другой резистор соединен с другой точкой диагонали питания мостовой схемы, к общим точкам соедииения тензорезистор - резистор и мостовая схема - резистор подключен вход масщтабного усилителя, выход которого связан

с вторым входом сумматора, а выход последнего - с входом усилителя.

На чертеже приведена блок-схема устройства.

Устройство содержит тензорезисторы /- 5, резисторы 6 и 7, масштабный усилитель 8, сумматор 9 и усилитель 10. Тензорезисторы 2-5 являются тензопреобразователями и образуют внутреннюю четырехплечую

тензорезисторную мостовую схему 11. Тензорезистор 1, Бнутреняя мостовая схема П, резисторы 6 -л 7 образуют внешнюю мостовую схему 12.

Точка 13 диагонали 13-14 питания схемы // подключена к клемме 15 питания. Другая точка 14 диагонали соединена с резистором 7. Точки 16 и 17 измерительной диагонали мостовой схемы // соединены с первым входом 18 сумматора 9, выход которого связан с входом усилителя 10. Второй вход 19 сумматора соединен с выходом масштабного усилителя 8.

Тензорезистор / :И резистор 6 соединены последовательно и включены между клеммой 15 и общей клеммой 20 питания. К этой же клемме 20 подключен второй конец резистора 7. Точки 14-21 измерительной диагонали мостовой схемы 12 соединены с входом масштабного усилителя 8.

Устройство работает следующим М.

Электрическая схема тензопреобразователя состоит из внутренней мостовой схемы // и внешней четырехплечей мостовой схемы 12.

Внутреннюю мостовую схему // образуют четыре тензорезистора 2-5, причем тензорезнсторы 2 и 5 воспринимают деформадию растяжения, а тепзорезисторы 3 и 4 - такую же по величине деформацию сжатия.

Тензорезисторы /-5 находятся в одинаковых температурных условиях. С точек 16 и 17 диагонали мостовой схемы // снимают сигаал V, а с точек 14-20 диагонали мостовой схемы 12 снимают сигнал 1 2Эти сигналы можно разложить в ряд Тейлора и показать, что оба они несут информацию об измеряемой механической нагрузке и о температуре тензорезисторов.

В результате теоретического анализа сигналов, представленных в виде разложения в ряд Тейлора, было замечено, что, если сигнал Vz умножить на некоторый коэфkфициент Y -, который представляет собой отношение коэффициентов пропорциональности при линейных членах ряда Тейлора для У и Уа, и взять разность Vi-у Vz, то получим скорректированный сигнал

V,V,-yV,(k,-ym,)L,

(1)

где k VI т - коэффициенты пропорщональности при разложении сигналов У и в ряд Тейлора;

L - механическая нагрузка. Работа устройства осуществляется в соответствии с первой частью алгоритма (1). Масштабный усилитель 8 служит для усиления дополнительного сигнала Vi, снимаемого с точек 14-21 внешней мостовой

схемы /2 в 7 раз. Коэффициент у -- зависит от номинальной величины сопротивлений тепзорезисторов /-5.

Сумматор 9 алгебраически суммирует выходные сигналы Vi внутренней мостовой схемы // и масштабного усилителя 8.

8результате на выходе сумматора формируется скорректированный по температуре сигнал . После этого усилитель 10 усиливает выходной сигнал сумматора

9до величины, удобной для регистрации сигнала.

Расчетным путем было установлено, что отклонение сигнала Vk в диапазоне температур ±100° С пе превышает 4% значения Vk при температуре 20° С.

Введение тензорезистора 1, который соединяет резистор 6 с клеммой 20 питания, подключение второго резистора 7 к другой точке 14 диагонали 13-14 питания плечей тепзорезисторной мостовой схемы 11 и образование таким образом внешней мостовой схемы 12, точки 14-21 измерительной диагонали которой подключены к входу масштабного усилителя 8, дает возможность получить два линейно независимых сигнала. Один из них является основным, а другой дополнительным и может быть использован для температурной коррекции основного сигнала.

Таким образом, для получения информации о температуре с целью осуществления коррекции основного сигнала в качестве термозависимых сопротивлений используются сами тензорезисторы преобразователя. Это обеспечивает повышение точности коррекции основного сигнала, а следовательно и точности измерения механических нагрузок с помощью преобразователя при работе в переходном и установившемся тепловом режимах и расширение рабочего диапазона температур. Введение масштабного усилителя, вход которого соединен с измерительной диагональю внешнего моста, а выход - с вторым входом сумматора, позволяет применять тензопреобразователи с различным номинальным сопротивлением тензорезисторов.

Формула изобретения

Тензорезисторное устройство, содержащее четырехплечую тензорезисторную мостовую схему, одна точка диагонали питания которой подключена к клемме нсточпика питания, два резистора, подключенных

к общей клемме источника питания, и усилитель, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля при переходных температурных режимах, оно снабжено масштабным усилителем, сумматором, первый вход которого соединен с измерительной диагональю мостовой схемы, и тензорезистором, включенным между клеммой источника питания и одним из резисторов, другой резистор соединен с другой

точкой диагонали питания мостовой схемы, к общим точкам соединения тензорезистор - резистор и мостовая схема - резистор подключен вход масштабного усилителя, выход которого соединен с вторым

входом сумматора, а выход последнего - с входом усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Патент США № 3447362, кл. 73-88.5, 1974.

2.Патент США Яе 3290929, кл. 73-88.5, 1973.

3.Кремниевый тензодатчик с автоматическим компенсационным преобразователем. Реферат 83. Экспресс-информация. Испытательные приборы и стенды. 1970, Л 12.

ВыкоЭ