Часть 2. Моделирование температурной чувствительности тензомоста в Multisim 8/9

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 (ключSA1в положении 1), либо дополнительного компенсационного резистораR_K постоянного номинала (ключ SA1в положении 2). Для исследования исходной термочувствительности моста резисторR_K устанавливается близким к нулевому значению (например, R_K=1 Ом).

Входные воздействия формируются на сумматорахи содержат дифференциальную и синфазную составляющую (рис.5). Дифференциальные составляющие, прикладываемые к смежным плечам моста, характеризует входное воздействиеи изменяются в общем случае по произвольному закону (в данной работе для простоты изменяются по пилообразному закону). Синфазная составляющаяхарактеризует воздействие температурыи 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 терморезистораприиспользуется 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 U2, U4, U6,U8, который подключается к источнику постоянного питания V2 либо через компенсационный резистор R16, либо через терморезистор U9. Выбор варианта термокомпенсации осуществляется ключом J1 с помощью клавиши Space («Пробел»). Напряжение с диагонали моста снимается с помощью дифференциального усилителя на ОУ U1.

Генератор напряжения компенсации (ГНК) реализован на ОУ U7 (инвертор), ОУ U5 (сумматор) и источнике напряжения смещения V5. Напряжение компенсации с выхода ОУU5 контролируется вольтметром постоянного тока U3.

Генератор входных воздействий (ГВВ), который формирует сигналы , включает два сумматора на ОУU10 и ОУ U11, многофункциональный генератор XPG1 (для задания входных воздействий в диапазоне ) и источникиV3, V4 (для задания температурного воздействия в диапазоне ). С помощью многофункционального генератораXPG1 задаются частота, амплитуда дифференциальных пилообразных сигналов и напряжение смещения, определяющие соответственно частоту, диапазон входного воздействияи номинал резистора моста(окно параметров приведено на рис.8 и вызывается двойным щелчком по изображениюXPG1). Рекомендуется частоту входного воздействия выбирать в пределах до 100 Гц.

Источники питания V3, V4 с номиналами, соответствующими крайним точкам температурной шкалы , для удобства подключаются к схеме через ключJ2 с помощью клавиши A (латинский алфавит). Напряжение, соответствующее текущей температуре, контролируется вольтметром постоянного тока U12.

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 . (Рассчитываемпо заданномуи 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.9 приводятся осциллограммы различных точек схемы, полученные при моделировании базового варианта. Амплитуды сигналов удобно измерять с помощью маркеров на экране осциллографа. На рис.10 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		(U0=0 мВ)		(U0= +125мВ)		(U0= -125мВ)		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