Способ настройки тензометрических мостов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

И9) ((1) (st)s G 01 R 17/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР йй1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4826423/21 (22) 15.03.90 (46) 30.08,92. Бюл. М 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

М 1174739, кл. G 01 В 7/18, 1985.

Авторское свидетельство СССР

N. 1448288, кл. G 01 R 17/10, G 01

В 7/18,1988. (54) СПОСОБ НАСТРОЙКИ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ МОСТОВ

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 иэ 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 тенэометрических мостов, когда компенсацию температурного дрейфа проводят подключением шунтирующего резистора, рассчитанного по температурному дрейфу выходного сигнала моста при подключении известного техно(57) Использование: измерительная техника, при настройке тенэометрических мостов, датчиков, изготовлен н ых по интегральной и металлопленочной технологии. Сущность изобретения: одновременно проводят компенсацию начального выходного сигнала и температурного дрейфа датчика только внешними шунтирующими резисторами и термореэистором. который конструктивно изготавливается внутри датчика, при настройке датчика не требуется проводить доработку замкнутой мостовой схемы датчика, изготовленной в едином технологическом цикле. 2 ил. логического шунта, а начальный выходной сигнал уменьшают до заданного значения подгонкой значения сопротивления одного из тензореэисторов (TP) моста без изменения ef.o температурного коэффициента сопротивления (ТКС).

Недостатком этого способа являются сложность, трудоемкость самой технологии подгонки номинала ТР без изменения его

TKC. Обычно это лазерная подгонка или подгонка механическим резанием, и сам процесс подгонки требует непрерывного измерения выходного сигнала; очень высо- кое требование к точности подгонки ТР, так для балансировки нуля с точностью 0,27; 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.

1758563

Цель достигается тем, что согласно способу настройки тензометрических мостов определяют сопротивление тензорезисторов моста для двух различных температур, плечо для включения шунтирующего резистора и рассчитывают значение этого резистора, но в отличие от прототипа, одновременно проводят компенсацию начального выходного сигнала и температурного дрейфа датчикa только внешними шунтирующими "резисторами йга, Rg и терморезистором Яа, котбрый 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 (RIa 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 R и Rg в тензометрический мост с терморезистором Ra, на фиг. 2 — схема включения датчика в измерительную цепь.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1-4 — тензорезисторы R1, R2, Кз, R4;

5 — терморезистор В; б и 7 — расчетные резисторы R»»» и Rg.

Расчет резисторов R и Rg производится на основе настроечных измерений по формулам;

В С АВ-С B-D A» (ВС+ D-CB-DA) -4(C A-AC)(D B-В D)

3 а(с л - с)

В» А+В (2)

С+О гдЕ А=-UR4R1, А =U R) R1;

B=UR4R1Ra В =U=R4 М Ra с=R»-UIR»+Bi): c =ßI-U (Rl+вД;

D=R4(R1+Ra) U(R4(R1+Ra)+R1Ra);

О =R3 (R(l + В)-U (ВЗ (R)) + В .) + R(I В;);

R4 Uo I R)I Uo

U =- — — —. U й4 + (1 Упит R4 ) R) (7пит где значение R1 определяется по формуле: (R,l »RR. р», @2»)2»2ц» К ) »4)г (,) (Rq al-я,,) ()

gR„/а1-К»-R»„) где а1 = (UI»»1 О)/0пит, a4 = (0ш4 0сЬ пит, а значение R)l находится из решения уравнения (4) численно на 3ВМ (R»)»2R R, ((R»)»RR .R»7» 4Rw (R+I (R; a<-R i A I (R») (4»На»1»2й» R„- ((u »I lI»I/а4Ь2й R»7-4(К„ +й»)(К») R

2(4", Р„ 1

Значение Ra находится по формуле г

Rà = при Uo Uo >0; (1-y) yR

R1R)I г

Ra при Uo- Uo < 0;

R R) — /у

15 (5) Пример. Применяем предлагаемый способ для настройки полупроводникового датчика давления ДДП 001, который имеет

50 замкнутую тензометрическую мостовую схему с терморезистором (фиг. 2). При температуре 1=20 С измеряем значения сопротивления R1=3,9 кОм; R4=4,0 кОм; Ra=20 кОм; напряжение питания U»»»4»вЂ” = 10,0 В; на55 чальный выходной сигнал Uo=31,845 мВ, помещаем датчик в печь и нагреваем на

А=100 С, измеряем Uo=88,687 мВ, подключаем RIIl*--20 кОм к R1, измеряем 0 ш1

=570,20 мВ, подключаем Вга* к R4, измеряем

Ua Uo+ М у (7пит R11 ) R) где измеряемые величины R1, R4 — значения сопротивлений тензорезисторов;

Ra — значение сопротивления терморезистора;

Uo — величина начального разбаланса

25 тензометрической мостовой схемы;

Uto- то же, при второй температуре t; (7 ш1 — величина разбаланса тензометрической мостовой схемы при второй температуре t при подключении технологического шунта RIlI* параллельно тензорезистору R1;

UIU4 — величина разбаланса тензометрической мостовой схемы при второй температуре t при подключении технологического шунта R»a* параллельно тензорезистору R4, U, - величина разбаланса тензометрической мостовой схемы при второй температуре t при подключении терморезистора Ra параллельно к выбранному тензорезистору.

Выбор осуществляется следующим образом, ПРи (4-UO > 0 Ra подключаем к R1, а пРи

Uo-UO<0 Ra подключаем к R4; Uo» — напРЯ45 жение питания, 1758563

U 4 =407,43 мВ, так как Ua — U p> О, то R подключаем к R1 и измеряем Ua=420,51 мВ.

Для определения R3 решаем уравнение (4) c 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

4Вш

Ммин = а верхний выбираем из максимально возможных ТКС TP: В1макс=5,5 кОм (ТКС=О;00375 1/ С); для заданной точности нахождения корня tol--0,00001 время счета < 1 с. В результате расчета получаем

R3=4,3999=4,4 кОм, По формуле (3) находим:

Rti=4,271 кОм, по формуле (5) В =30 кОм; и по формулам (1, 2) рассчитываем R =18,14 кОм и Вц=34,371 кОм.

После подключения расчетных значений начальный выходной сигнал при т=20 С

Up=0,0002 м8, а при t--120 С Но=0,0014 мВ, и дополнительная температурная погрешность, вызванная изменением начального выходного сигнала: а --„— -Д- — t,г 10-7 1! С, Оном где 0н м=100 м — 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 г42=5.5; мз Ь1=0.57020; мз Ь4=0.40743;

uto=0.088687;

uta i=0.42051;

uo=0.031845;

u=10; га!-20;

rsh=20;

r1=3.9; г4=4.0; то!=1е-5;

VAR а, Ь,х,ЛаЛЫх,гоос real;

converged:boolean; а1,a4; real;

r1t,r11t,r12t: real;

ralt,arg,brg,crg,ka,kb.kc,kd; геа1;

kat,kbt,kdt,kct,r4t,yal,nu,nut,rg,rsunt:

real;

FUNCTION sing(x råà!):real;

5 BEGIN

1А х < 0.0 THEN sign:=-1

ELSE sign:=1;

END;

FUNCTION Zего(X:REAL) REAL;

10 VAR

z,е,r: REAl;

В EG IN

z:=x*(x+2*rs h);

t:=x/à1-х-rs h;

15 г:=х*(х*(1+1/а4)+2*гзh);

zего: (z+sqrt(z*z+4*rsh*x*x*e))/2/е+

+(r-sqrt(r*r-4*х*х*гз Ь*(х+гз Ь)))/2/(x+rsh);

END;

BEGIN

20 а1:=(utsh1-uto)/u; а4:=(цтз Ь4-u to)/u; а:=-4*rs h g(1+1/а4)*(1+1/а4)*аф

Ь:=r42;

fa: zего(a); fb:=zåго(Ь);

25 IF sign(fa)*fb > 0.0 THEN

writeln(FUNC DOES NOT CHANGE

БОМ )

ELSE

BEGiN

30 сопчегцей=abs(a-b) < tot;

WHILE NOT converged 00

B EG IN х:=а+0.5*(b-a); fx:=zего(x);

IF sign(fa)*fx < 0,0 THEN

35 В EGIN

Ь:=х; Ь:=Ь;

END

ELSE

BEGIN

40 а:=x; fa:=fx;

END; сопчег9ей=аЬз(Ь-а)< toi; гоаб=(Ь+а)/2

END;

45 г1 1t:=sqr(root)+2*rsh*root;

r1 2t:= (root/a1-root-rsh);

r1 сgr11t+sqrt(sqr(r11t)+4+rsh*sqr(root)

*r12t)) /2/r12t;

r4t:=root;

50 yai: (ойа1-uto)/u+r4t/(r4t+r1t); га!с=r1t*r4t*(1-уа1)/(ya l*(r4t+r1t)-r4t); (rez. deterrn j

nu:=r4/(r4+r1)-uo/u; nut:=r4t/(r4t+r1t)uto/u;

55 ka:=nu*r4*r1; kat;=nut*r4t*r1t;

kb:=raI*ka; kbt:=ralt*kat;

kc:=r4-nu*(r4+r1); kct:=r4t-па*(г4с+г1t);

kd:=r4*(r1+ra l)-nu*(r4*(r1+ra l)+r1*ra t;

1758563

kdt;=r4t*(r1t+ra it)-nut*(r4t*(r1t+ra it)+r1t

*rait); а rg:=kà*kct-kàt*kc; brg:=kct*kb+ka*kdtkbt*kc-kat*kd; сrg:=kat*kb-kd*kbt;

rg: +bгц+зцп(эс1т(Ьго)-4*а rg*crg))/2/arg; гз оп 1:=(rg*ka+k b)/(rg*kc+kd);

wr1teln(LST ****Compute Rg (Rsh **** );

}}чг11е!п(1 ЯТ, **+***** );

writeln(LST, R1=, rl:2:3, R4=, г4:2:3, Uo=, uo:2:7);

Uot =, uto:2:7 );

writeln (LST, . Utshl =, utshl:2:7, Utsh4 =, tltsh4;2:7, Utai=, utal:2:7);

wrlteln(LST, Ral=, гаl, *** result:

Rg,rg:3:4, Rsh=, гзоп1:3:4, kOm );

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, отл ича ю щийс я 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 гдЕ A=UR4R1; А =О1М R l;

В=ОЯ4В1Ва В =О=В3 R) Ra, с-R4 U(Re+Rq}; с =}а -и (R$ + R}}};

0=В4(Й1+Йа) U(R4(R1+Ra)+R1Ra);

D1=R) (R) + Rtj U1(R) (1 т1 1 Ra) + Rt Rt)

15 U 4 Оо . U} М Оо

R4 + R1 Опит Я4 + Rli Опит где R1, R4 — сопротивление тензорезисторов, к которым подключаются шунты;

20 Ra сопротивление терморезистора, Rl, R), Ra — их расчетные значения

1 при второй температуре t;

Uo — величина начального разбаланса тензометрической мостовой схемы;

U>- то же, при второй температуре t;

Опит — напряжение питания. рассчитывают требуемые значения шунта по формуле зо R-Ъ "+B ш 1 .C+D ° и подключают терморезистор Ra и резисторы Rg и R}}} с расчетными значениями в вы35 явленные плечи моста.

1758563

Составитель И, Бадигина

Техред M,Mîðãåíòàë Корректор Н. Ревская

Редактор С. Лисина

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2997 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5