Содержание

Добавил:

korayakov Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Предмет:

Системотехника измерительных устройств

Файл:

Лекции / СИУ-часть1.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

17.04.2013

Размер:

947.82 Кб

Скачать

☆

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

Московский институт электронной техники (технический университет)

Факультет Микроприборов и технической кибернетики

Кафедра Вычислительной техники

Топильский В.Б., Штыков Г.К.

Учебно-методическое пособие по курсу лабораторных работ

«Системотехника измерительных устройств»

Часть 1

Москва, МИЭТ, 2006

Для регистрации результатов моделирования рекомендуется приносить на занятия флэш-память.

Содержание
Лабораторная работа № 1 Моделирование интегрального тензомоста........................	2
Часть 1. Теоретические сведения по работе тензомоста................................................................	2
Часть 2. Моделирование температурной чувствительности тензомоста в Multisim 9................	6
Часть 3.Методика и пример расчета параметров модели. .............................................................	9
Часть 4. Порядок выполнения работы. ........................................................................................	13
Содержание отчета ..........................................................................................................................	14
Контрольные вопросы. ....................................................................................................................	14
Лабораторная работа № 2. Моделирование емкостных датчиков. .............................	18
Часть 1. Теоретические сведения о работе емкостных датчиков................................................	18
Часть2. Моделирование емкостных датчиков. .............................................................................	24
2.1 Моделирование однополярного емкостного датчика с усилителем заряда...............	24
2.2 Моделирование дифференциального емкостного датчика с усилителем заряда......	28
2.3 Моделирование дифференциального емкостного датчика с усилителем
напряжения.............................................................................................................................	31
2.4 Моделирование дифференциального емкостного датчика с Т-мостом в цепи
обратной связи. ......................................................................................................................	33
Содержание отчета ..........................................................................................................................	36
Контрольные вопросы.....................................................................................................................	36
Литература..........................................................................................................................	37
Приложение. Краткое руководство по работе с программой моделирования
Multisim.................................................................................................................................	38
Часть1. Основы работы с программой Multisim...........................................................................	38
Часть 2. Использование измерительных инструментов...............................................................	41

Лабораторная работа № 1. Моделирование интегрального тензомоста

Часть 1. Теоретические сведения по работе тензомоста.

В общем случае относительное изменение номинала резистора моста ε=ΔR/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

ε = ε(x, T )

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

R1 = R0 (1 +εx +εT );

R2 = R0 (1 −εx +εT );

R3 = R0 (1 −εx +εT );

R4 = R0 (1 +εx +εT );

где εT = γ

T ,

T =T −T0,

γ = R ( T R0 ) - температурный коэффициент

сопротивления

(ТКС)

резистора R0 моста. Подставляя указанные значения

резисторов в основное уравнение моста и проводя преобразования, получим

Uвых = Eεx

= Eε

(1)

1 +εT

+γ

∂Uвых = E

(2)

∂εx

+γ

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

Особенно		актуальна		проблема	температурной		чувствительности
полупроводниковых тензодатчиков, которые обладают значительной величиной γ.
Заметим, что хотя ТКЧ(x) в общем случае является нелинейной функцией от Т, но
при γ T <<1 средняя величина ТКЧ(x) может быть определена как
ТКЧ(x) ≈		U (T )	= β
	U (T ) T
		0
На рис.1 приводятся рассчитанные по формуле (1) передаточные
характеристики		кремниевого		интегрального		тензомоста	с	типичными
характеристиками		γ = 0,25 % С−1, R = 500 (Oм), E = 5 (B) ,					иллюстрирующие
				0
значительный ТКЧ(x) измерительного моста ( β = −(0,2 −0,3) % C−1 ).
		Uвых(мВ)
		60		T =-40oC
				T =-40oC
		40		2
		40		T =25oC
		20		0
		20
		0			T1=125oC
		-20
		-40
		-60				ε(%)
		-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
		Uвых
	R2	R4
Рис.2. Термокомпенсация моста
с помощью терморезистора
		3

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 +γ T ) - эквивалентное сопротивление моста. Подставляя (3)

в (1) с учетом квазилинейности изменения резистора от температуры, т.е. полагая Rc (T ) = Rc0 (1 +α T ) , получим

Uвых = Eε			1			.	(4)
	1	+ (Rc0	/ R0 ) (1 +α	T ) +γ	T

где α- ТКС компенсационного резистора.

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

ТКЧ(x) =	∂Uвых		= E	1		,	(5)
				1 + (R / R ) (1 +α T ) +γ	T
	∂ε	x
				c0 0

а температурная чувствительность моста с последовательным резистором Rc

определяется как

ТКЧ(Т) =	∂Uвых	= −Eεx	(Rc0	/ R0 ) α+γ	.	(6)
	∂T		[1+(Rc0 / R0 ) (1+α T )+γ T ]2

Приравнивая (6) к нулю получаем условие термокомпенсации моста

R	= −	γ	R .	(7)
		α
c0			0

Условие (7) имеет физический смысл, если α и γ 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 α = −1% C−1 и расчетным значением

Rc0 =125 Ом.

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

(| α << γ ). 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	= −Eε			γ	.	(8)
ТКЧ(Т) =	∂T	= −Eε	x [1+(R / R )+γ T ]2			.	(8)
	∂T		x [1+(R / R )+γ 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

спомощью ГВВ в зависимости от входной величины x (например, микродеформаций

втензомосте) 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).

(D1, D2 )

Входные воздействия (UA (x, T ), UB(x, T )) формируются на сумматорах 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,

, Ec (T ) )

используется

Uд

напряжение (U0 ).

UВ

UА

Rос

) R3

U (X)

Uд(X

Ec(T)

Рис.5.

Функциональная схема генератора входных воздействий

Сопротивление управляемого резистора в общем случае определяется как

R = g Uу

где g - чувствительность управляемого резистора (Ом/В), Uу- 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 = Rос R1 , a1 = Rос R2 , a3 = Rос R3

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 = α T R0 = EC (T ) a4 g

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

EC (T ) =	α R0		T	(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 U A (x,T ), U B (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

± xmax

( % C−1)

( 0 C)

(кОм)

(%)

(кОм/В)

(В)

Величина

0,25

−1

±50

1,0

± 0,5

1,0

10,0

1.Устанавливаем номинальные сопротивления плеч моста R0 . (Рассчитываем U0 по

заданному R0, g и произвольно выбранному a1 =1)

103

U0 = −

= −

= −1(B)

g a1

103

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

UД = ±xmax U0 a2 = ±5 10−3 1 = ±5 (мВ) a1 1

3. Вычисляем синфазную (температурную) составляющую в сигнале управления

	γ R		T		(0,25 10−2 ) 103 (±50)
Ec =	0			=			= ±0,125 (B)
	a4	g			1	103

4.Вычисляем номинальное сопротивление терморезистора при заданном α = −1 % C1

(см. теорию)

R	= −	γ R	= −	0,25 10−2	103	= 250 (Ом)
		0
		α
T 0		α		(−1) 10	−2
				(−1) 10	−2

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

Uсм = gRTa05 = 1032500,25 =1 (B)

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

γ = +0,25 % C −1 , α = −1,0 % C −1 , T = ± 50 0 C, R0 =1 кОм, xmax = +0,5 %

Вариант						Результаты моделирования					Оценка результатов моделирования
				T =T0 ,			T =T1		T =T2		мВ(0вых)	U	1)-	1)-		та- /%)
												0
				(Ec(T)=0 мВ)			(Tmin )		(Tmax )			вых	.	.		Чувствит-ть. мос
				(Ec(T)=0 мВ)			(Tmin )		(Tmax )				.	Термочувствит расчетная(мкВС
				U )мВ(		U	U )(мВ	U	U )(мВ	U	U	U	Термочувствит средняя(мкВС	Термочувствит расчетная(мкВС			T=Tпри
											1 вых	2 вых					мВ (
							(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

Безкомпенсации	х=	0,5%		502			574		446		72	-56	128	-98		100,4
	х=	0,5%
	-=х	0,5%		-492			-563		-437		-71	55	-126	163		98,4
				-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
						253		378		128
компенсац. R	-=х х=	0,5%0,5%		200		253	211	378	191	128	11	-9	20	-18		40,0
кОм
=1,5				-196			-207		-187		-11	9	-20	22		39,2
К				-196			-207		-187		-11	9	-20	22		39,2

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

	Примечания.
	1.Средняя чувствительность								моста	для каждого			варианта		при		T =T0 -
	ST		=	Uвых0		(В/%)
	ST		=		x K	(В/%)
					x K

где К- коэффициент усиления выходного усилителя.

2.Средний		температурный коэффициент чувствительности ТКЧ(x)			при
заданных xmax для каждого варианта термокомпенсации вычисляется
	U1	− U2	-1
βср =			(В С	)
	2	T K

3.Расчетный ТКЧ(Т) в локальной точке с координатами (x, T ) (см. теорию)

составит

βр =

∂Uвых

∂

E x

K ∂T

/ R0 ) (1+α

T ) +γ

∂T 1+ (RT0

−

E x

(RT0 / R0 ) α +γ

[1+ (R / R ) (1+α T ) +γ

T ]2

1 / 31 2 3 > Следующая >>>