книги из ГПНТБ / Эрлер, В. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами

9. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИП

9.1.Принципы построения измерительных систем

сполупроводниковыми измерительными преобразователями

Система измерений на основе полупроводниковых измери­ тельных преобразователей предназначена для электрических из­ мерений механических величин, таких, как деформация е, сила F, давление Р, ускорение а и перемещение |. Величины F, Р а и £ преобразовываются механическим путем в пропорциональ­ ную им деформацию. Преобразование же деформации в элек­ трическую величину осуществляется с помощью схемы моста

Уитстона. Она содержит два или четыре полупроводниковых тензорезистора, сопротивления которых на линейном участке изменяются пропорционально изменению деформации. Выходное напряжение Um на измерительной диагонали моста является мерой, эквивалентной измеряемой механической величине. Мост, как правило, питается постоянным током от высоко­ стабильного блока питания. Для полупроводниковых измери­ тельных преобразователей рассматриваемой измерительной си­ стемы характерно, что номинальному значению измеряемой величины An соответствует выходное напряжение UmN — = 100 мВ при нагрузке в 1 кОм (фиг. 9.1). Такое относительно высокое выходное напряжение допускает при сохранении вели­ чины сопротивления нагрузки 1 кОм непосредственную реги­ страцию с помощью стрелочного прибора, самописца или дру­ гих подобных устройств. Если же измеряемая величина значи­ тельно меньше номинального значения, если необходимо про­ вести измерения в относительно узком интервале изменения измеряемой величины или если для последующей регистрации необходим высокий уровень сигнала, рекомендуется использо­ вать регистрирующий прибор с предварительным усилением сигнала (например, HLA111, фиг. 9.2),

9 Зак. 845

При необходимости одновременного измерения в нескольких точках целесообразно использовать многоканальные промежу­ точные преобразователи, такие, как HLS151 (5 каналов) или

Усилит ель

Фиг. 9.2. Схема измерительной системы с усилением.

HLS171 (7 каналов). В них предусмотрена возможность сум­ мирования выходных напряжений отдельных каналов с учетом их знака.

9.2.Измерительные преобразователи

ивторичные электронные приборы системы измерения

сполупроводниковыми тензорезисторами

Втабл. 9.1 и 9.2 систематизированы соответственно первич­ ные измерительные преобразователи и вторичные электронные приборы системы измерения с полупроводниковыми тензорези­

сторами.

мая деформация 0,3%

Таблица 9.2

ВТОРИЧНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ

Для непосредственного подключения к выходу промежуточ­ ных преобразователей при проведении точных или динамиче­ ских измерений пригодны следующие типы регистрирующих приборов: цифровые вольтметры 4014 и 4015 (Эрфуртский ра­ диозавод), многорядное печатающее устройство eKV (100 мВ), электронный регистратор AFE (100 мВ), самопишущие точеч­ ные приборы с падающей дужкой SO120 и K.DS100, регулятор

9

Вторичные электронные приборы HLS. Выходное напряжение моста Um, которое прямо пропорционально напряжению пита­

разд. 9.3.2, процедура балансировки может быть значительно сокращена.

Вторичные электронные приборы HLA. Для вторичных элек­ тронных приборов, работающих с усилителем, напряжение пи­ тания моста USp остается неизменным. При этом балансировка заметно упрощается: начальное напряжение компенсируется по­ средством UK и выходное напряжение устанавливается на ве­ личину UmN — 100 мВ при А =» An за счет регулировки уси­ ления, причем эти операции полностью независимы друг от друга. Одновременно для HLA сохраняется возможность рас­ ширения диапазона измерений: если, например, измеряемая ве­ личина А изменяется от 0,4 An д о 0,6 An, т о Um (0,4 AN) ком­ пенсируется напряжением UK, a Um (0,6 AN) устанавливается на величину 100 мВ с помощью v. Для отсчета диапазона (0,4 ... 0,6)Ajv служит вся шкала показывающего прибора.

9.3.2. Сквозная градуировка

При сквозной градуировке измерительному преобразова­ телю задается точное воздействие измеряемой величины, и вы­ ходное напряжение балансируется в соответствии с изложен­ ным в разд. 9.3.1. В частности, для вторичных электронных приборов HLS целесообразно выполнить следующие операции:

1. Оценить необходимое напряжение питания

величины определить и записать выходное напряжение Uml.

и»1

5.Напряжение питания моста Usp при А — AN установить таким, чтобы на выходе получить рассчитанную величину Um2.

6.При А = 0 с помощью компенсирующего напряжения UK

точно установить нулевое значение.

Эти простые операции позволяют точно отградуировать из­ мерительное устройство при единичном воздействии измеряемой величины. При использовании в качестве регистрирующего при­ бора четырехразрядного цифрового вольтметра погрешность градуировки будет меньше 0,1%.

Для вторичных электронных приборов HLA сначала грубо оценивают с учетом усиления величину напряжения питания Usp, а затем выбирают его окончательное значение.

Если в результате скачкообразного изменения измеряемой величины в измерительном преобразователе предполагается возникновение ползучести, то при максимуме усиления выби­ рают минимальное напряжение питания.

В случае квазистатического или периодического динамиче­ ского воздействия измеряемой величины пользуются малым уси­ лением при повышенном напряжении питания с тем, чтобы свести к минимуму влияние дрейфа усилителя. Далее можно придерживаться последовательности, аналогичной для вторич­ ных электронных приборов HLS. Только величина Um 2 устанав­ ливается изменением коэффициента усиления.

9.3.3. Косвенная градуировка

Косвенная градуировка в силу большого числа включенных в нее составляющих является менее точной. Основная погреш­ ность составляет около 0,5%. Такая градуировка допустима при невозможности проведения сквозной градуировки или при слишком высокой ее стоимости. Следовательно, заданное зна­ чение С/гр для напряжения питания должно определяться чисто расчетным путем, когда при А = AN с измерительного преобра­ зователя на регистратор поступает выходное напряжение UmN. Величина Urр является мерой напряжения питания (в случае

Введенные, но не поясненные в разд. 2 символы имеют сле­ дующее значение;

того чтобы можно было рассчитать Urp, должен быть по воз­ можности точно известен или рассчитан ряд дополнительных параметров, которые автоматически учитываются при сквозной градуировке.

стабилизации при подключении полного четырехплечего моста на 120 Ом не должны превышать 0,25 Ом на провод. В случае использования проводов стабилизации максимальная величина активных сопротивлений может составлять 5 Ом на провод. Но следует помнить, что падение напряжения на проводах пита­ ния не должно превышать 1 В.

Коэффициент b учитывает потери на проводах стабилизации и равен 0,996 ... 1. При длине проводов менее 10 м величину Ь можно не определять.

9.3.4. Градуировка с электрическим имитатором динамометров KDN101

Для динамометров на полупроводниковых тензорезисторах Типа KWH, как правило, необходимо питание порядка 4 В. Ве­ личина Urр для косвенной градуировки будет соответственно