Добавил:

el_rad1o Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Предмет:

Преобразователи информации и датчики физических величин

Файл:

ДФВ-ЛР1

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

01.07.2024

Размер:

279.96 Кб

Скачать

☆

1 / 21 2 > Следующая >>>

Лабораторная работа № 1. Моделирование интегрального тензомоста

Часть 1. Теоретические сведения по работе тензомоста.

В общем случае относительное изменение номинала резистора моста R/R0 зависит не только от входной величины х (давления, силы, ускорения и т.д.) но и от ряда дестабилизирующих факторов. Важнейшим из них является температура, т.к. при изменении температуры изменяется удельное сопротивление материала и механические напряжения, т.е. относительная величина входного воздействия является функцией двух переменных

(x, T )

Рассмотрим полную мостовую схему, в которой температура действует синфазно на резисторы моста, т.е.

R1 R0 (1 x T );	R2 R0 (1 x T );
R3 R0 (1 x T );	R4 R0 (1 x T );
где T T, T	T T0 , R ( T R0 ) - температурный коэффициент

сопротивления (ТКС) резистора R0 моста. Подставляя указанные значения резисторов в основное уравнение моста и проводя преобразования, получим


Uвых	E x			1	E	1	(1)
Uвых	E x				E	1 T	(1)
			1 T			1 T
Uвых E				1			(2)
Uвых E		1		T			(2)
x		1		T

Т.о. чувствительность моста к входному воздействию (крутизна передаточной характеристики) будет зависеть от температуры. При T 0 чувствительность моста будет падать, т.е. мост будет характеризоваться отрицательным температурным коэффициентом чувствительности по входу (ТКЧ(x)), а при T 0 ТКЧ(x), будет положительным.

Особенно			актуальна			проблема	температурной		чувствительности
полупроводниковых тензодатчиков, которые обладают значительной величиной .
Заметим, что хотя ТКЧ(x) в общем случае является нелинейной функцией от Т, но
при T 1 средняя величина ТКЧ(x) может быть определена как
ТКЧ(x)		U (T )
	U (T ) T
			0
На рис.1 приводятся рассчитанные по формуле (1) передаточные
характеристики			кремниевого			интегрального		тензомоста	с	типичными
характеристиками				0,25 % С 1, R 500 (Oм), E 5 (B) ,					иллюстрирующие
						0
значительный ТКЧ(x) измерительного моста ( (0,2 0,3) % C 1 ).
			60	Uвых(мВ)
			60			T =-40oC
						T =-40oC
			40			2
			40			T =25oC
			20			0
			20
			0				T1=125oC
			-20
			-40
			-60					(%)
			-1,0		-0,5	0	0,5	1,0
			Рис.1.Температурная чувствительность тензомоста

Распространенным вариантом компенсации ТКЧ(x) моста, является
последовательное включение с мостом (рис.2) компенсирующего термозависимого
резистора (термистора) Rc .
Rс	V
	R1		R3
E		Uвых
	R2	Uвых	R4
	R2		R4
Рис.2. Термокомпенсация моста
с помощью терморезистора
		4

В этом случае напряжение питания моста будет определяться выражением

V E	R(T )	(3)
V E	R (T ) R(T )	(3)
	с

где R(T ) R0 (1 T ) - эквивалентное сопротивление моста. Подставляя (3) в (1) с учетом квазилинейности изменения резистора от температуры, т.е. полагая Rc (T ) Rc0 (1 T ) , получим

Uвых E			1	.	(4)
	1	(Rc0	/ R0 ) (1 T ) T

где - ТКС компенсационного резистора.

Как следует из (4) чувствительность моста к входному воздействию определяется выражением

ТКЧ(x) =	Uвых E			1	,	(5)
			1 (R	/ R ) (1 T ) T
		x
			c0	0

а температурная чувствительность моста с последовательным резистором Rc определяется как

ТКЧ(Т) =	Uвых	E x	(Rc0	/ R0 )	.	(6)
	T		[1 (Rc0 / R0 ) (1 T ) T ]2

Приравнивая (6) к нулю получаем условие термокомпенсации моста

R	R .	(7)

c0	0

Условие (7) имеет физический смысл, если и имеют противоположные знаки. Например, для кремниевого тензомоста, где резисторы имеют положительный ТКС, в качестве термокомпенсатора подходят терморезисторы, имеющие отрицательный ТКС. На рис.3 приводится передаточная характеристика

термокомпенсированного моста (кривая 1) с 1% C 1 и расчетным значением

Rc0 125 Ом.

Uвых(мВ)
60
40			1
40
20
0				2
				2
-20
-40
-60				(%)
-1,0	-0,5	0	0,5	1,0
Рис.3	Термокомпенсация тензомоста резистором:
1 - R =125 Ом, -1% C-1 ;2			- R =500 Ом,
c			c

Некоторым недостатком термокомпенсации с помощью терморезистора является снижение чувствительности мостовой схемы. Для работы в ограниченном температурном диапазоне для уменьшения ТКЧ(Т) часто качестве Rc устанавливают сравнительно высокоомный резистор постоянного номинала с низким ТКС ( ). При этом исходят из того, что хотя ТКЧ(x) моста в этом случае падает обратно пропорциональна Rc0 , ТКЧ(Т) моста уменьшается обратно пропорциональна квадрату Rc0 . Как следует из (6) в этом случае

ТКЧ(Т) =	Uвых	E x
	T				.	(8)
			[1 (R	/ R ) T ]2
			c0	0

Однако в этом простейшем случае происходит лишь частичная термокомпенсация (кривые 2 на рис.3).

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 UA (x, T ), UB (x, T ) управляемых резисторов вырабатываются с помощью ГВВ в зависимости от входной величины x (например, микродеформаций в тензомосте) и температуры T .

Генератор

UT(T)

напряжения

RТ

RК

компенсации

EC(T)

SA1

UA(X,T)

Генератор

входных

Uвых

UB(X,T)

воздействий

Рис. 4 Укрупненная структурная схема моделирования измерительного моста с термокомпенсацией

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

Входные воздействия UA (x, T ), UB (x, T ) формируются на сумматорахD1, D2 и содержат дифференциальную и синфазную составляющую (рис.5).

Дифференциальные составляющие Uд(x), Uд(x) , прикладываемые к смежным плечам моста, характеризует входное воздействие x и изменяются в общем случае по произвольному закону (в данной работе для простоты изменяются по пилообразному закону). Синфазная составляющая Ec (T ) характеризует воздействие температуры T и влияет на все плечи моста одинаково. Для установки начального значения сопротивления плеча моста R0 (при нулевых значениях Uд, Uд, Ec (T ) ) используется напряжение U0 .

UВ

UА

Rос

U (X)

Uд(X

) R3

Ec(T)

Рис.5. Функциональная схема генератора входных воздействий

Сопротивление управляемого резистора в общем случае определяется как

R g U у

где g - чувствительность управляемого резистора (Ом/В), U у- напряжение

управления, прикладываемое к резистору. Напряжения управления плеч моста в соответствии с рис.5 составят

UA U0 a1 Uд(x) a2 Ec (T ) a3 UB U0 a1 Uд(x) a2 Ec (T ) a3

где a1 RосR1 , a1 RосR2 , a3 RосR3

Амплитуда сигнала управления Uд(x) может быть найдена из соотношения

xmax R0 (x)max
R0
Учитывая, что R0 (x)max Uд(x) a2 g,	R0 Ec (T ) a3 g , получим
Uд(X ) xmax Ec (T )	(8)

Для компенсации температурной чувствительности тензомоста с помощью тензорезистора RT 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 D1 (для получения отрицательного ТКС) и сумматора на D2 . Для установки начального значения сопротивления терморезистора RT при T T0 используется напряжение Uсм . Т.о.

RT (Ec (T ) a4 Uсм a5 ) g где a4 R6 R4, a5 R6 R5

EC(T) R

Uсм

Рис. 6. Функциональная схема генератора напряжения компенсации

Амплитуда сигнала управления EC (T ) может быть найдена из соотношения

RT (T )max T R0 EC (T ) a4 g

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


EC (T )	R0		T	(9)
EC (T )	a4	g		(9)
	a4	g

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 UA (x,T ), UB (x,T ), Ec (T ) ,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 xmax ) и источники V3,V4 (для задания температурного воздействия в диапазоне T ). С помощью многофункционального генератора XPG1 задаются частота, амплитуда дифференциальных пилообразных сигналов UД (x) и напряжение смещения U0 , определяющие соответственно частоту, диапазон входного воздействия xmax и номинал резистора моста R0 (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 UT (T ) с выхода ОУ D5 контролируется вольтметром постоянного тока U6.

Источники питания V3, V4 с номиналами, соответствующими крайним точкам температурной шкалы T , 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							T			R0	xmax	g	Е
		( % C 1)			( % C 1)		(	0	C)	(кОм)	(%)	(кОм/В)	(В)
Величина		0,25			1		(		C)	1,0		1,0	(В)
Величина		0,25			1			50		1,0		1,0	10,0
											0,5

1.Устанавливаем номинальные сопротивления плеч моста R0 . (Рассчитываем U0 по
заданному R0, g и произвольно выбранному a1 1)
	R		103
U0	0				1(B)
U0	g a1		103		1(B)
	g a1		103	1

2.Вычисляем амплитуду вxодного воздействия UД по рассчитанному U0 и выбранным значениям a1 1, a2 1

3 1

UД xmax U0 a

5 (мВ)

3. Вычисляем синфазную (температурную) составляющую в сигнале управления

(0,25 10 2 ) 103

( 50)

0,125 (B)

1 103

4.Вычисляем

номинальное

сопротивление терморезистора при заданном

1 % C1 (см. теорию)

0,25 10

2 103

250 (Ом)

T 0

( 1) 10 2

5. Устанавливаем номинальное сопротивление терморезистора RT 0 (вычисляем напряжение смещения Uсм)

Uñì	RT 0	250	1 (B)
		103 0,25
	g a5

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

					0,25 % C 1 , 1,0 % C 1 , T 50						0 C, R0 1 êÎì,			xmax 0,5 %

Вариант				Результаты моделирования					Оценка результатов моделирования
			T T0,		T T1		T T2		мВвых)(0	0			.		та
									мВвых)(0	U		.	.		та
					(Tmin )		(Tmax )		1вых	вых		-1)	-1)		/%)мВ(
									1вых	2вых		-1)	-1)		/%)мВ(
			(Ec(T)=0 мВ)						U	U		Термочувствит средняя(мкВС	Термочувствит расчетнаямкВС(		Чувствит-тьмос. - T=Tпри
			U )мВ(	U	U )(мВ	U	U )(мВ	U	U	U		Термочувствит средняя(мкВС	Термочувствит расчетнаямкВС(		Чувствит-тьмос. - T=Tпри
					(Ec(T)=-125 мВ)		(Ec(T)=+125 мВ)		U	-
									-
			0	мВ( )	1	(мВ)	2	(мВ)	=U	=U					0
			вых	Т	вых	Т	вых	Т	1	2

компенБез - сации	-=хх=	0,5%0,5%	502		574		446		72	-56		128	-98		100,4
компенБез - сации	-=хх=	0,5%0,5%
			-492		-563		-437		-71	55		-126	163		98,4

компенсац. R	=х-=х	0,5%0,5%	251		268		236		17	-15		33	-28		50,2
компенсац. R	=х-=х	0,5%0,5%
кОм
кОм			-246		-262		-231		-16	15		-33	36		49,2
=1			-246		-262		-231		-16	15		-33	36		49,2
К	=х-=х	0,5%0,5%		253		378		128
.компенсац R	=х-=х	0,5%0,5%		253		378		128
кОм			200		211		191		11	-9		20	-18		40,0
кОм
=1,5
К			-196		-207		-187		-11	9		-20	22		39,2
К

Компенсац.. R	=х-=х	0,5%0,5%	401		400		401		-1	0		0	0		80,2
Ом
=250
			-393		-392		-393		1	0		0	0		78,6
Т

Примечания.

1.Средняя чувствительность моста для каждого варианта при T T0 -

ST UxвыхK0 (В/%)

где К- коэффициент усиления выходного усилителя.

1 / 21 2 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке Лабораторная работа №2

#
01.07.20241.19 Mб1lab2 preobrazovateli.docx
#
01.07.2024279.96 Кб0ДФВ-ЛР1.pdf
#
01.07.2024322.09 Кб1Что-то вроде дополнения к 2 лабе.docx