Часть 2. Моделирование температурной чувствительности тензомоста в Multisim 9

Укрупненная схема моделирования температурной чувствительности тензомоста (рис.4) содержит помимо полного резистивного моста (R₁-R₄) генератор входных воздействий (ГВВ), генератор напряжения компенсации (ГНК) и выходной диф. усилитель, включенный в диагональ моста. В качестве плеч моста выбраны представленные в библиотеке Multisim 9 резисторы, управляемые напряжением. Входные напряжения управляемых резисторов вырабатываются с помощью ГВВ в зависимости от входной величины (например, микродеформаций в тензомосте) и температуры .

Компенсация температурной чувствительности моста может осуществляться либо с помощью терморезистора (ключ SA1 в положении 1), либо дополнительного компенсационного резистора R_K постоянного номинала (ключ SA1 в положении 2). Для исследования исходной термочувствительности моста резистор R_K устанавливается близким к нулевому значению (например, R_K=1 Ом).

Входные воздействия формируются на сумматорах и содержат дифференциальную и синфазную составляющую (рис.5). Дифференциальные составляющие , прикладываемые к смежным плечам моста, характеризует входное воздействие и изменяются в общем случае по произвольному закону (в данной работе для простоты изменяются по пилообразному закону). Синфазная составляющая характеризует воздействие температуры и влияет на все плечи моста одинаково. Для установки начального значения сопротивления плеча моста (при нулевых значениях ) используется напряжение .

Сопротивление управляемого резистора в общем случае определяется как

где - чувствительность управляемого резистора (Ом/В), - напряжение управления, прикладываемое к резистору. Напряжения управления плеч моста в соответствии с рис.5 составят

где

Амплитуда сигнала управления может быть найдена из соотношения

Учитывая, что , получим

(8)

Для компенсации температурной чувствительности тензомоста с помощью тензорезистора с отрицательным ТКС также как и в плечах моста используется управляемый напряжением резистор. Напряжение компенсации вырабатывается с помощью дополнительного специального генератора ГНК (рис.6). Он состоит из инвертора на (для получения отрицательного ТКС) и сумматора на . Для установки начального значения сопротивления терморезистора при используется напряжение . Т.о.

где

Амплитуда сигнала управления может быть найдена из соотношения

где - ТКС терморезистора, - температурный диапазон. Из последнего выражения следует, что

(9)

Часть 3.Методика и пример расчета параметров модели.

Принципиальная схема моделирования тензомоста приведена на рис. 7.

В схему входят полный мост на управляемых резисторах U1, U2, U3,U4, который подключается к источнику постоянного питания V1 либо через компенсационный резистор R1, либо через терморезистор U5. Выбор варианта термокомпенсации осуществляется ключом J1 с помощью клавиши Space («Пробел»). Напряжение с диагонали моста снимается с помощью дифференциального усилителя на ОУ D1.

Генератор входных воздействий (ГВВ) X1, который формирует сигналы ,частично реализован в виде подсхемы (рис.9) и включает два сумматора на ОУ D2 и ОУ D3, многофункциональный генератор XPG1 (для задания входных воздействий в диапазоне ) и источники V3,V4 (для задания температурного воздействия в диапазоне ). С помощью многофункционального генератора XPG1 задаются частота, амплитуда дифференциальных пилообразных сигналов и напряжение смещения , определяющие соответственно частоту, диапазон входного воздействия и номинал резистора моста (окно параметров приведено на рис.8 и вызывается двойным щелчком по изображению XPG1). Рекомендуется частоту входного воздействия выбирать в пределах до 100 Гц.

Генератор напряжения компенсации (ГНК) X2 реализован в виде подсхемы (рис.10) на ОУ D4 (сумматор), ОУ D5 (инвертор) и источнике напряжения смещения V2. Напряжение компенсации с выхода ОУ D5 контролируется вольтметром постоянного тока U6.

Источники питания V3, V4 с номиналами, соответствующими крайним точкам температурной шкалы , для удобства подключаются к схеме через ключ J2 с помощью клавиши A (латинский алфавит). Напряжение, соответствующее текущей температуре, контролируется вольтметром постоянного тока U7.

Перед началом моделирования задаемся исходными данными (для базового варианта они приведены в Табл.1) и проводим вычисления параметров модели.

Табл. 1 Исходные данные базового варианта тензомоста

Параметр							Е (В)
Величина				1,0		1,0	10,0

1.Устанавливаем номинальные сопротивления плеч моста . (Рассчитываем по заданному и произвольно выбранному )

2.Вычисляем амплитуду вxодного воздействия U_Д по рассчитанному и выбранным значениям

3. Вычисляем синфазную (температурную) составляющую в сигнале управления

4.Вычисляем номинальное сопротивление терморезистора при заданном (см. теорию)

5. Устанавливаем номинальное сопротивление терморезистора (вычисляем напряжение смещения )

После установки параметров модели запускается моделирование.

На рис.11 приводятся осциллограммы различных точек схемы, полученные при моделировании базового варианта. Амплитуды сигналов удобно измерять с помощью маркеров на экране осциллографа. На рис.12 приводятся параметры виртуального ОУ, используемого в данном примере при моделировании.

В результате моделирования для различных вариантов термокомпенсации могут быть получены сравнительные оценки:

• чувствительности тензомоста,

• температурной чувствительности тензомоста.

Результаты моделирования сведены в табл.2

Табл.2 Результаты моделирования тензомоста при

Вариант		Результаты моделирования						Оценка результатов моделирования
		(Ec(T)=0 мВ)		(Ec(T)=-125 мВ)		(Ec(T)=+125 мВ)		U1=Uвых1- Uвых0 (мВ)	U2= Uвых2- Uвых0 (мВ)	Термочувствит средняя (мкВС-1).	Термочувствит расчетная (мкВС-1).	Чувствит-ть. мос-та при T=T0 (мВ/%)
		Uвых0 (мВ)	UТ (мВ)	Uвых1 (мВ)	UТ (мВ)	Uвых2 (мВ)	UТ (мВ)
Без компен-сации	х= 0,5%	502	253	574	378	446	128	72	-56	128	-98	100,4
	х=-0,5%	-492		-563		-437		-71	55	-126	163	98,4
компенсац. RК=1кОм	х= 0,5%	251		268		236		17	-15	33	-28	50,2
	х=-0,5%	-246		-262		-231		-16	15	-33	36	49,2
компенсац. RК=1,5кОм	х= 0,5%	200		211		191		11	-9	20	-18	40,0
	х=-0,5%	-196		-207		-187		-11	9	-20	22	39,2
Компенсац.. RТ=250 Ом	х= 0,5%	401		400		401		-1	0	0	0	80,2
	х=-0,5%	-393		-392		-393		1	0	0	0	78,6

Примечания.

1.Средняя чувствительность моста для каждого варианта при - (В/%)

где К- коэффициент усиления выходного усилителя.

2.Средний температурный коэффициент чувствительности ТКЧ(x) при заданных для каждого варианта термокомпенсации вычисляется

(ВС^-1)

3.Расчетный ТКЧ(Т) в локальной точке с координатами (см. теорию) составит