Способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности с учетом положительной нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика

Авторы патента:

Солуянов Денис Александрович (RU)

Тихоненков Владимир Андреевич (RU)

G01B7/16 - для измерения деформации твердых тел, например проволочными тензометрами

Владельцы патента RU 2506534:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике. Способ заключается в том, что при сопротивлении нагрузки R_н>500 кОм определяют температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) мостовой цепи и при температуре t⁺, и t^-, соответствующей верхнему и нижнему пределу рабочего диапазона температур, и нелинейность ТКЧ мостовой цепи . Если полученное значение Δα_до является положительным, то преобразуют положительную нелинейность ТКЧ мостовой цепи в отрицательную путем включения термозависимого резистора R_αвх в диагональ питания при одновременном шунтировании входного сопротивления мостовой цепи термонезависимым резистором R_ш. Для этого определяют входное сопротивление и ТКС входного сопротивления, а также ТКЧ тензорезисторов и при температуре t⁺ и t^- и вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи Если и Δα_д оказываются в области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, то принимают номинал термонезависимого резистора R_ш равным входному сопротивлению, вычисляют номинал резистора R_αвх. Включают резисторы R_αвх и R_ш в диагональ питания мостовой цепи. Определяют ТКЧ мостовой цепи при температуре t⁺и t^-, вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи Δ_αдо. Если Δ_αдо принимает отрицательное значение, то производят компенсацию мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи путем включения термозависимого резистора R_αвых, зашунтированного термонезависимым резистором R_двых, в выходную диагональ мостовой цепи при сопротивлении нагрузки R_н≤1 кОм. Технический результат: повышение точности компенсации. 3 ил., 3 табл.

Известен способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности с учетом нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика (см. Патент на изобретение RU 2443973 С1, G01B 7/16 «Способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности с учетом нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика», опубликованный 27.02.2012 в Бюл. №6), принятый за прототип, в котором для компенсации мультипликативной температурной погрешности при сопротивлении нагрузки R_H>500 кОм определяют ТКЧ мостовой цепи и для диапазона температур Δt⁺=t⁺-t₀ и Δt^-=t^--t₀, где t₀, t⁺, t^- - нормальная температура, верхний и нижний предел рабочего диапазона температур соответственно. Вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи . Если Δα_до принимает отрицательное значение, то датчик подключают к нагрузке R_н≤2 кОм. Определяют выходное сопротивление мостовой цепи, ТКС выходного сопротивления датчика. Проверяют нахождение ТКЧ мостовой цепи и его нелинейности в области применения способа, если данные параметры датчика оказываются в области применения, вычисляют требуемый номинал термозависимого резистора R_αвых и термонезависимого резистора R_двых. Устанавливают резистор R_αвых, зашунтированный резистором R_двых, в выходную диагональ мостовой цепи.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что нелинейность ТКЧ мостовой цепи может принимать как отрицательные, так и положительные значения, как показано в описании прототипа. Прототип позволяет производить полную компенсацию мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи, удовлетворяющей неравенству Δα_до≤-2·10^-6 1/°С. В описании прототипа также показано, что отсутствие учета нелинейности ТКЧ мостовой цепи позволяет произвести компенсацию мультипликативной температурной погрешности в одной крайней точке рабочего диапазона температур, для которой вычислялись номиналы компенсационных резисторов R_αвых и R_двых, что позволяет получить мультипликативную чувствительность датчика к температуре в пределах ±1·10^-4 1/°С в данной точке рабочего диапазона температур. В другой крайней точке рабочего диапазона температур мультипликативная чувствительность датчика к температуре составляет порядка ±2·10^-4 1/°С и более, превышая допустимое значение, которое составляет ±1·10^-4 1/°С.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности, который позволил бы повысить точность компенсации мультипликативной температурной погрешности в процессе настройки при положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи.

Технический результат заключается в повышении точности в процессе настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности при положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что производят предварительное преобразование положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи датчика в отрицательную и последующую компенсацию мультипликативной температурной погрешности в соответствии с прототипом.

Это достигается тем, что включают в диагональ питания мостовой цепи термозависимый резистор R_αвх, что дает смещение нелинейности ТКЧ мостовой цепи датчика в сторону отрицательных значений. Для расширения области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную входное сопротивление мостовой цепи шунтируют термонезависимым резистором R_ш. Номинал резистора R_αвх выбирают исходя из необходимости обеспечения отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи Δα_до≤-2·10^-6 1/°С, при которой возможно использование прототипа для компенсации температурной погрешности. Для этого, если нелинейность ТКЧ мостовой цепи является положительной, при R_н>500 кОм определяют ТКЧ тензорезисторов и для диапазона температур Δt⁺ и Δt^- соответственно и вычисляют нелинейность ТКЧ тензорезисторов . Определяют величину входного сопротивления R_вх, TKC входного сопротивления , для диапазона температур Δt⁺ и Δt^- соответственно. Проверяют принадлежность и Δα_д области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную. Если и Δα_д удовлетворяют области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, то принимают номинал термонезависимого резистора R_ш равным входному сопротивлению мостовой цепи, поскольку меньшие номиналы шунта приведут к чрезмерному уменьшению чувствительности, что затруднит последующую настройку датчика по чувствительности. Вычисляют номинал термозависимого резистора R_αвх. Устанавливают резистор R_αвх в диагонали питания мостовой цепи, шунтируют входное сопротивление мостовой цепи резистором R_ш. Вычисляют ТКЧ мостовой цепи и его нелинейность после включения термозависимого резистора R_αвх и термонезависимого резистора R_ш.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено влияние термозависимого резистора R_αвх на нелинейность ТКЧ мостовой цепи при шунтировании входного сопротивления мостовой цепи термонезависимым резистором R_ш, номинал которого равен входному сопротивлению мостовой цепи, на фиг.2 - область преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, на фиг.3 - схема включения резисторов R_αвх, R_ш, R_αвых и R_двых.

Способ осуществляется следующим образом.

Как показано в описании прототипа, нелинейность ТКЧ мостовой цепи включает в себя две составляющие:

1) нелинейность, вносимая тензорезисторами, установленными на упругом элементе, которая может принимать как отрицательное, так и положительное значение;

2) нелинейность, вносимая измерительной схемой, которая всегда является отрицательной при использовании мостовой цепи.

В соответствии с пунктом 2 можно получить отрицательную нелинейность ТКЧ мостовой цепи, изменяя составляющую нелинейности ТКЧ мостовой цепи, вносимую измерительной схемой. Для этого в мостовую цепь следует включить термозависимый резистор R_αвх. Выходное напряжение мостовой цепи после включения термозависимого резистора R_αвх при воздействии температуры определяется выражением:

где U_выхt - выходное напряжение мостовой цепи при воздействии температуры;

U_пит - напряжение питания мостовой цепи;

k=R₁/R₂=R₃/R₄ - коэффициент симметрии мостовой цепи;

R_вх - входное сопротивление мостовой цепи датчика;

α_вх - ТКС входного сопротивления;

Δt=t-t₀ - изменение температуры;

α_д - ТКЧ тензорезисторов;

R_αвх - номинал термозависимого резистора, включенного в цепь питания;

α_κ - ТКС термозависимого резистора R_αвх;

t - воздействующая температура;

t₀ - нормальная температура.

Анализ знаменателя зависимости (1) позволяет сделать вывод о том, что после включения резистора R_αвх у зависимости напряжения питания от температуры будет составляющая, обратно пропорциональная росту температуры, что приведет к смещению зависимости нелинейности ТКЧ мостовой цепи в сторону отрицательных значений.

С уменьшением ТКС входного сопротивления влияние термозависимого резистора R_αвх на отрицательную составляющую нелинейности ТКЧ мостовой цепи возрастает, числитель выражения (1) меньше увеличивается при воздействии температуры, что увеличивает смещение нелинейности ТКЧ мостовой цепи в область отрицательных значений. Таким образом, уменьшение ТКС входного сопротивления расширяет область преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную путем включения термозависимого резистора R_αвх. Для уменьшения ТКС входного сопротивления следует произвести шунтирование входного сопротивления термонезависимым резистором R_ш, номинал которого должны быть не менее входного сопротивления мостовой цепи, как показано выше. В последующем будем принимать номинал шунта R_ш равным входному сопротивлению мостовой цепи датчика.

Выведем зависимость ТКЧ мостовой цепи от параметров датчика после включения термозависимого резистора R_αвх в цепь питания мостовой цепи, входное сопротивление которой зашунтировано термонезависимым резистором R_ш. С учетом равенства номинала резистора R_ш и входного сопротивления после шунтирования величина входного сопротивления примет следующее значение:

где R_вхш - входное сопротивление мостовой цепи, зашунтированной термонезависимым резистором R_ш.

При воздействии температуры входное сопротивление мостовой цепи датчика может быть представлено следующим образом:

где R_вхшt - входное сопротивление мостовой цепи, зашунтированной резистором R_ш, при воздействии температуры.

Входное сопротивление мостовой цепи после включения термонезависимого резистора R_ш при воздействии температуры может быть представлено также следующим образом:

где α_вхш - ТКС входного сопротивления зашунтированной мостовой цепи.

Приравнивая правые части уравнений (3) и (4) можно вывести расчетную зависимость ТКС входного сопротивления после шунтирования:

С учетом (1) и (2) зависимость выходного сигнала датчика при нормальных условиях можно представить следующим образом:

Зависимость выходного сигнала датчика при воздействии температуры с учетом (1), (2) и (5) примет вид:

Как показано в описании прототипа, ТКЧ можно выразить через выходные сигналы датчика:

Подставив (6) и (7) в выражение (8) можно получить зависимость ТКЧ мостовой цепи:

Нелинейность ТКЧ мостовой цепи после включения термозависимого резистора R_αвх и термонезависимого R_ш, может быть представлена следующим образом:

где Δt⁺=t⁺-t₀, Δt^-=t^--t₀ - положительный и отрицательный диапазон температур;

t₀ - нормальная температура;

t⁺, t^- - верхний и нижний предел рабочего диапазона температур;

, - ТКЧ мостовой цепи датчика при температуре t⁺ и t^- соответственно;

, - ТКЧ тензорезисторов при температуре t⁺ и t^- соответственно;

, - ТКС входного сопротивления зашунтированной мостовой цепи датчика при температуре t⁺ и t^- соответственно;

Δα_до - нелинейность ТКЧ мостовой цепи.

Для определения влияния термозависимого резистора R_αвх на нелинейность ТКЧ мостовой цепи при шунтировании входного сопротивления мостовой цепи термонезависимым резистором R_ш была вычислена нелинейность ТКЧ мостовой цепи по формуле (10) при следующих исходных данных:

1. Входное сопротивление мостовой цепи: R_вх=1000 Ом;

2. Сопротивление шунта равно входному сопротивлению мостовой цепи: R_ш=1000 Ом;

3. ТКЧ тензорезисторов принимает значения: α_д=(1, 5, 10)·10^-4 1/°С;

4. нелинейность ТКЧ тензорезисторов принимает следующие значения:: ;

5. ТКС входного сопротивления: α_вх=5·10^-4 1/°C;

6. нелинейность ТКС входного сопротивления: ;

7. ТКС компенсационного резистора: α_κ=4·10^-3 1/°С;

8. Величина термозависимого резистора R_αвх=(1, 10, 50, 100).

Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Анализ полученных данных (см. таблицу 1) позволяет сделать следующие выводы:

1. Нелинейность ТКЧ мостовой цепи зависит от номинала термозависимого резистора R_αвх.

2. При малых значениях номинала резистора R_αвх порядка 1 Ом нелинейность ТКЧ мостовой цепи в основном определяется нелинейностью ТКЧ тензорезисторов, установленных на упругом элементе (фиг.1).

3. При включении термозависимого резистора R_αвх нелинейность ТКЧ мостовой цепи смещается в область отрицательных значений, когда номинал составляет 10 Ом и более.

Таблица 1
Влияние резистора Raex на нелинейность ТКЧ мостовой цепи
, 1/°С	Δα_вх·10^-6, 1/°С		Δα_д·10^-6, 1/°С	R_αвх	Δα_до·10^-6, 1/°С
5	-5	1	1	1	1,208
				10	4,012
				50	33,305
100	96,273
5	-5	1	5	1	5,205
				10	7,894
				50	37,176
100	100,043
5	-5	1	10	1	10,201
				10	12,948
				50	42,015
100	104,755
5	-5	5	1	1	0,608
				10	-1,878
				50	5,931
100	45,883
5	-5	5	5	1	4,605

Продолжение таблицы 1
, 1/°С	Δα_вх·10^-6, 1/°С		Δα_д·10^-6, 1/°С	R_αвх	Δα_до·10^-6, 1/°С
5	-5	5	5	10	2,093
				50	9,802
100	49,653
5	-5	5	10	1	9,602
				10	7,058
				50	14,641
100	54,365
5	-5	10	1	1	-0,141
				10	-9,241
				50	-28,286
100	-17,105
5	-5	10	5	1	3,856
				10	-5,269
				50	-24,415
100	-13,335
5	-5	10	10	1	8,852
				10	-0,305
				50	-19,576
100	-8,623

Таким образом, подбором номинала термозависимого резистора R_αвх можно преобразовать положительную нелинейность ТКЧ мостовой цепи в отрицательную.

Области применения прототипа определяется системой неравенств:

С учетом системы (11) применение прототипа возможно, когда нелинейность ТКЧ мостовой цепи Δα_до≤-2·10^-6 1/°С. По этой причине для преобразования положительной нелинейности в отрицательную, обеспечивающую применение прототипа, следует решить следующее уравнение:

С целью определения областей преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи датчика в отрицательную была произведена оценка номинала термозависимого резистора R_αвх, необходимого для преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, когда это возможно, при шунтировании входного сопротивления мостовой цепи термонезависимым резистором R_ш, номинал которого равен входному сопротивлению мостовой цепи. Для этого было решено уравнение (12) при следующих условиях:

1) Входное сопротивление мостовой цепи: R_вх=1000 Ом;

2) Сопротивление шунта равно входному сопротивлению датчика: R_ш=1000 Ом;

3) ТКЧ тензорезисторов принимает значения: α_д=(0…10)·10^-4 1/°С;

4) нелинейность ТКЧ тензорезисторов принимает следующие значения: Δα_д=(0, 1, 5, 10)·10^-4 1/°С;

5) ТКС входного сопротивления: ;

6) нелинейность ТКС входного сопротивления: ;

7) ТКС компенсационного резистора: α_κ=4·10^-3 1/°С.

При оценке области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную рассматривалось одно из предельных значений нелинейности ТКС входного сопротивления (Δα_вх=-5·10^-6 1/°С), поскольку ранее был проведен численный эксперимент, который позволил установить, что влияние нелинейности ТКС входного сопротивления на предельное значение нелинейности ТКЧ мостовой цепи, при котором возможно преобразование положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, во всем диапазоне возможных значений ТКС входного сопротивления и его нелинейности является малым (не более 2%).

Поскольку с ростом номинала термозависимого резистора R_αвх происходит уменьшение чувствительности датчика, то при расчетах номинала резистора R_αвх следует выбирать меньший из корней.

Результаты расчетов для Δα_д=(0, 1, 5, 10)·10^-4 1/°С 1/°С приводятся в таблице 2, в которую вносили меньший из корней уравнения (12), когда преобразование положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную возможно.

Таблица 2
Пределы области получения отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи
, 1/°С	Δα_вх·10^-6, 1/°С	Δα_д·10^-6, 1/°С		R_αвх, Ом
0	-5	0	1,981	Корней нет
0	-5	0	1,982	12,444
10,000	1,264
0	-5	1	2,424	Корней нет
2,425	15,508

Продолжение таблицы 2
, 1/°С	Δα_вх·10^-6, 1/°С	Δα_д·10^-6, 1/°С		R_αвх, Ом
0	-5	1	10,000	1,907
0	-5	5	3,697	Корней нет
0	-5	5	3,698	24,224
10,000	4,561
0	-5	10	4,829	Корней нет
0	-5	10	4,830	32,537
10,000	8,081
1	-5	0	2,474	Корней нет
1	-5	0	2,475	2,616
10,000	1,348
1	-5	1	2,918	Корней нет
1	-5	1	2,919	15,717
10,000	2,035
1	-5	5	4,190	Корней нет
1	-5	5	4,191	24,495
10,000	4,880
1	-5	10	5,322	Корней нет
1	-5	10	5,323	32,712
10,000	8,681
5	-5	0	4,313	Корней нет
5	-5	0	4,314	13,455
10,000	1,770

Продолжение таблицы 2
, 1/°С	Δα_вх·10^-6, 1/°С	Δα_д·10^-6, 1/°С		R_αвх, Ом
5	-5	1	4,757	Корней нет
			4,758	16,756
10,000	2,682
5	-5	5	6,029	Корней нет
			6,030	25,687
10,000	6,535
5	-5	10	7,160	Корней нет
			7,161	34,454
10,000	11,923
10	-5	0	6,282	Корней нет
			6,283	14,272
10,000	2,584
10	-5	1	6,726	Корней нет
			6,727	17,590
10,000	9,500
10	-5	5	7,996	Корней нет
			7,997	27,544
10,000	10,059
10	-5	10	9,126	Корней нет
			9,127	36,163
20,137

Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. С помощью схемы компенсации, состоящей из термозависимого резистора R_αвх, установленного в цепь питания мостовой схемы, входное сопротивление которой зашунтировано термонезависмым резистором R_ш, можно преобразовать положительное значение нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательное в ограниченной области значений ТКЧ тензорезисторов и ТКС входного сопротивления мостовой цепи.

2. Область преобразования сокращается с ростом положительной нелинейности ТКЧ тензорезисторов для всех значений ТКС входного сопротивления, см. фиг 2, таблицу 3.

3. Область преобразования сокращается с ростом ТКС входного сопротивления.

4. Область преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную сокращается с уменьшением ТКЧ мостовой цепи.

5. ТКЧ мостовой цепи в области преобразования уменьшается по сравнению с ТКЧ тензорезисторов.

На основе результатов решения уравнения (12) были установлены области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, заданные таблицей 3.

Таблица 3
Пределы области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную
Нелинейность ТКЧ тензорезистора Δα_д·10^-6, 1/°С	Минимальное значение ТКЧ тензорезистора
0	0,4301·α_вх+1,982·10^-4
1	0,4301·α_вх+2,426·10^-4
2	0,4300·α_вх+2,800·10^-4
3	0,4299·α_вх+3,129·10^-4

Продолжение таблицы 3
Нелинейность ТКЧ тензорезистора Δα_д·10^-6, 1/°С	Минимальное значение ТКЧ тензорезистора
4	0,4299·α_вх+3,426·10^-4
5	0,4299·α_вх+3,698·10^-4
6	0,4298·α_вх+3,952·10^-4
7	0,4298·α_вх+4,189·10^-4
8	0,4297·α_вх+4,414·10^-4
9	0,4297·α_вх+4,627·10^-4
10	0,4297·α_вх+4,830·10^-4

Для проверки правильности предложенного решения произведем расчет компенсационных элементов и мультипликативной чувствительности датчика после компенсации.

Пример

Произвести компенсацию мультипликативной температурной погрешности и определить температурные чувствительности датчика с равноплечей мостовой измерительной цепью при температурах, соответствующих пределам рабочего диапазона температур, с учетом следующих исходных данных:

- сопротивления тензорезисторов: R₁=R₂=R₃=R₄=1000 Ом;

- ТКС термозависимых резисторов R_αвх и R_αвых составляет: α_к=4·10^-3 1/°С;

- ТКС выходного сопротивления при температурах, соответствующих пределам рабочего диапазона температур: ;

- ТКС входного сопротивления при температурах, соответствующих пределам рабочего диапазона температур: ;

- ТКЧ тензорезисторов при температурах, соответствующих пределам рабочего диапазона температур: ;

- суммарное относительное изменение сопротивления тензорезисторов при номинальном значении измеряемого параметра ;

- температурный диапазон эксплуатации датчика: 20±100°С;

- напряжение питания U_пит=10 В.

Поскольку нелинейность ТКЧ мостовой цепи и сопротивление источника питания пренебрежимо мало, то для обеспечения отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи датчика следует включить термозависимый резистор R_αвх в цепь питании и произвести шунтирование входного сопротивления термонезависимым шунтом R_ш. Для проверки возможности применения предлагаемого схемного способа следует проверить принадлежность ТКЧ мостовой цепи и его нелинейности области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную. С учетом того, что , , в соответствии с таблицей (3) область преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную определяется неравенством:

Выполнение данного неравенства позволяет сделать вывод о том, что преобразовать положительную нелинейность ТКЧ мостовой цепи в отрицательную можно путем включения термозависимого резисторами R_αвх в цепь питания мостовой цепи, входное сопротивление которой зашунтировано термонезависимым резистором R_ш.

Выходное сопротивление зашунтированной мостовой цепи составит:

ТКС входного сопротивления зашунтированной мостовой цепи, в соответствии с (5) при t⁺=120°С:

При t^-=-80°С ТКС зашунтированной мостовой цепи составит:

Для вычисления номинала термозависимого резистора R_αвх следует решить уравнение (12):

Решением данного уравнения является номинал R_αвх=20,138 Ом. В этом случае номинальный выходной сигнал, в соответствии с (6), составит:

При температуре t⁺=120°С выходное напряжение мостовой цепи в соответствии с (7) составит:

При температуре t^-=-80°С выходное напряжение мостовой цепи составит:

Тогда ТКЧ мостовой цепи после включения термозавсимого резистора R_αвх составит:

;

С учетом ТКС выходного сопротивления мостовой цепи , полученного значения ТКЧ мостовой цепи и его нелинейности Δα_д=-2·10^-6 1/°С система (11), определяющая область применения прототипа, примет вид:

Приведенная система подтверждает, что для компенсации мультипликативной температурной погрешности можно включить термозависимый резистор R_αвых, зашунтированный термонезависимым резистором R_двых, в выходную диагональ мостовой цепи датчика. Сопротивление нагрузки должно составлять R_н≤2 кОм. Допустим, что датчик после включения компенсационных резисторов будет подключен к нагрузке R_н=2 кОм. Для вычисления номиналов компенсационных резисторов необходимо решить следующую систему уравнений в соответствии с прототипом:

Решением данной системы уравнений являются следующие номиналы компенсационных резисторов: R_αвых=513,671 Ом, R_двых=5,021·10⁹ Ом. При включении компенсационных элементов схема примет вид, изображенный на фиг.3.

Для оценки мультипликативной чувствительности следует вычислить выходной сигнал датчика при нормальных условиях и при воздействии температуры. Номинал резистора R_двых является довольно большим, поэтому для компенсации мультипликативной температурной погрешности достаточно установить только термозависимый резистор R_αвых=513,671 Ом.

Номинальный выходной сигнала датчика после компенсации температурной погрешности составит:

При температуре t⁺=120°С выходной сигнал датчика составит:

При температуре t^-=-80°С выходной сигнал датчика составит:

С учетом полученных выходных напряжений датчика в соответствии с прототипом мультипликативная чувствительность датчика к температуре составит:

;

Таким образом, полученная после компенсации чувствительность значительно меньше предельно допустимого значения температурной чувствительности (S_kt=10^-4 1/°С).

Предлагаемый способ полной компенсации мультипликативной температурной погрешности показал высокую точность компенсации, которая зависит только от точности изготовления компенсационных резисторов и точности определения физических характеристик тензорезисторов.

Способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности с учетом положительной нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика, заключающийся в том, что при сопротивлении нагрузки R_н>500 кОм определяют температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) мостовой цепи и для диапазона температур Δt⁺=t⁺-t₀ и Δt^-=t^--t₀, где t₀, t⁺, t^- - нормальная температура, верхний и нижний предел рабочего диапазона температур соответственно, вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи , если нелинейность ТКЧ мостовой цепи принимает отрицательное значение, то при сопротивлении нагрузки R_н≤2 кОм определяют выходное сопротивление мостовой цепи, ТКС выходного сопротивления мостовой цепи для диапазона температур Δt⁺ и Δt^-, проверяют нахождение ТКЧ мостовой цепи и нелинейности ТКЧ мостовой цепи в области применения и, если параметры датчика находятся в области применения, вычисляют номинал резисторов R_αвых и R_двых, устанавливают термозависимый резистор R_αвых, зашунтированный термонезависимым резистором R_двых, в выходную диагональ мостовой цепи датчика, отличающийся тем, что, если нелинейность ТКЧ мостовой цепи принимает положительной значение, то после определения нелинейности ТКЧ мостовой цепи и до определения выходного сопротивления мостовой цепи, а также ТКС выходного сопротивления мостовой цепи, преобразуют положительную нелинейность ТКЧ мостовой цепи в отрицательную путем включения термозависимого резистора R_αвх в диагональ питания мостовой цепи, входное сопротивление которой шунтируется термонезависимым резистором R_ш, для чего определяют при R_H>500 кОм ТКЧ тензорезисторов и для диапазона температур Δt⁺ и Δt^- соответственно, вычисляют нелинейность ТКЧ тензорезисторов определяют величину входного сопротивления R_вх, ТКС входного сопротивления , для диапазона температур Δt⁺ и Δt^- соответственно, выявляют нахождение и Δα_д в области, заданной таблицей

Нелинейность ТКЧ тензорезистора Δα_д·10^-6, 1/°С	Минимальное значение ТКЧ тензорезистора , 1/°C
0	0,4301·α_вх+1,982·10^-4
1	0,4301·α_вх+2,426·10^-4
2	0,4300·α_вх+2,800·10^-4
3	0,4299·α_вх+3,129·10^-4
4	0,4299·α_вх+3,426·10^-4
5	0,4299·α_вх+3,698·10^-4
6	0,4298·α_вх+3,952·10^-4
7	0,4298·α_вх+4,189·10^-4
8	0,4297·α_вх+4,414·10^-4
9	0,4297·α_вх+4,627·10^-4
10	0,4297·α_вх+4,830·10^-4

если

и Δα_д удовлетворяют условиям, приведенным в таблице, принимают номинал шунта R_ш равным входному сопротивлению датчика, определяют величину номинала термозависимого резистора R_αвх, решая уравнение:

где

- ТКС входного сопротивления мостовой цепи, зашунтированной термонезависимым резистором R_ш;
включают термозависимый резистор R_αвх в диагональ питания мостовой цепи датчика, термонезависимым резистором R_ш шунтируют входное сопротивление мостовой цепи, определяют ТКЧ мостовой цепи датчика и его нелинейность после включения термозависимого резистора R_αвх и термонезависимого резистора R_ш.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в прочностных испытаниях для определения напряженного состояния конструкций и в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.).

Стенд для градуировки тензоэлементов // 2500983

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензометрии. Технический результат заключается в расширении области практического применения стенда и тензоэлемента, обеспечении мобильности стенда.

Датчик тензометрический // 2488771

Изобретение относится к горному делу, в частности к приборам измерения проявления горного давления, а именно к датчикам для измерения натяжения анкера. .

Тензометр // 2483277

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для продолжительных измерений напряженно-деформированного состояния морских ледостойких сооружений.

Устройство контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения // 2482445

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к диагностике и мониторингу состояния конструкции зданий или других инженерно-строительных сооружений в процессе строительства и эксплуатации.

Чувствительный элемент для измерения физических величин на магнитостатических волнах // 2475716

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин (температуры, давления, деформации).

Устройство для преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал // 2472107

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения механических величин и может быть использовано в средствах автоматизации контроля технологических процессов.

Способ коррекции результатов измерений тензометрического мостового датчика с инструментальным усилителем // 2469262

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в устройствах измерения, содержащих в своем составе тензорезисторные мостовые датчики и инструментальные усилители, запитанные от однополярного источника постоянного тока.

Способ определения сложного напряженно-деформированного состояния конструкции, находящейся под статическими нагрузками и динамическим нагружением // 2469261

Изобретение относится к измерительной технике. .

Способ коррекции результатов измерения тензометрическим мостовым датчиком с инструментальным усилителем // 2468334

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения неэлектрических величин при помощи тензометрического мостового датчика с инструментальным усилителем, запитанных постоянным током.

Способ электромагнитной дефектоскопии в многоколонных скважинах и электромагнитный скважинный дефектоскоп // 2507393

Изобретение относится к области контроля технического состояния обсадных колонн, насосно-компрессорных труб и других колонн нефтяных и газовых скважин. Техническим результатом является повышение точности и достоверности выявления наличия и местоположения поперечных и продольных дефектов конструкции скважины и подземного оборудования как в магнитных, так и в немагнитных первом, втором и последующих металлических барьерах. Способ электромагнитной дефектоскопии в многоколонных скважинах включает измерение ЭДС самоиндукции, наведенной в катушке вихревыми токами, возбуждаемыми в исследуемых металлических барьерах процессом спада электромагнитного поля, вызванного импульсами тока намагничивания катушки. На каждую из приемно-генераторных катушек в отдельности подают серию импульсов фиксированной длительности из диапазона 0,1-1000 мс, намагничивая последовательно все металлические барьеры, начиная с ближайшего, причем длительность импульсов возрастает для каждого последующего металлического барьера. Полученные данные сохраняют и обрабатывают путем сравнения с модельными данными, по результатам обработки судят о наличии дефекта в металлических барьерах. Электромагнитный скважинный дефектоскоп содержит корпус, катушки, расположенные вдоль оси устройства, магнитная ось которых совпадает с осью устройства, блок электроники, по меньшей мере, две приемно-генераторных катушки, каждая из которых состоит из генераторной и приемной катушек с единым сердечником. Причем приемно-генераторные катушки выполнены разного размера, разнесены друг от друга на оси устройства на расстояние не меньше длины большей приемно-генераторной катушки. 2 н. и 36 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ заключается в том, что определяют ТКЧ мостовой цепи α+ до и α- до при температуре t+ и t-, соответствующей верхнему и нижнему пределу рабочего диапазона температур, нелинейность ТКЧ мостовой цепи (Δαдо=α+ до-α- до). Если полученное значение Δαдо является положительным, то преобразуют положительную нелинейность ТКЧ мостовой цепи в отрицательную путем включения термозавимого резистора Rαвх. Для этого определяют входное сопротивление, а также значения ТКС входного сопротивления, ТКЧ тензорезисторов α+ д и α- д при температуре t+ и t-, вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи (Δαд=α+ д-α- д). Если α+ д и α- д оказываются в области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, то вычисляют номинал резистора Rαвх. Включают резистор Rαвх в диагональ питания мостовой цепи. Определяют ТКЧ мостовой цепи при температуре t+ и t-, вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи Δαдо. Если Δαдо принимает отрицательное значение, то производят компенсацию мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи путем включения термозависимого резистора Rαвых, зашунтированного термонезависимым резистором Rдвых, в выходную диагональ мостовой цепи при сопротивлении нагрузки Rн≤2кОм. Технический результат: повышение точности компенсации. 3 ил., 3 табл.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ заключается в том, что определяют температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) мостовой цепи α+ до и α- до при температуре t+ и t-, соответствующей верхнему и нижнему пределу рабочего диапазона температур, нелинейность ТКЧ мостовой цепи (Δαдо=α+ до-α- до). Если полученное значение Δαдо является положительным, то преобразуют положительную нелинейность ТКЧ мостовой цепи в отрицательную путем включения термонезависимого резистора Ri. Для этого определяют входное сопротивление, а также значения ТКС входного сопротивления, ТКЧ тензорезисторов α+ д и α- д при температуре t+ и t-, вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи (Δαд=α+ д-α- д). Если α+ д и Δαд оказываются в области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, то вычисляют номинал резистора Ri. Включают резистор Ri в диагональ питания мостовой цепи. Определяют ТКЧ мостовой цепи при температуре t+ и t-, вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи Δαдо. Если Δαдо принимает отрицательное значение, то производят компенсацию мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи путем включения термозависимого резистора Rαвых, зашунтированного термонезависимым резистором Rдвых, в выходную диагональ мостовой цепи при сопротивлении нагрузки Rн≤2 кОм. Технический результат: повышение точности компенсации. 3 табл., 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ заключается в том, что при сопротивлении нагрузки Rн>500кОм определяют температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) мостовой цепи α+ до и α- до при температуре t+ и t-, соответствующей верхнему и нижнему пределу рабочего диапазона температур, и нелинейность ТКЧ мостовой цепи (Δαдо=α+ до-α- до). Если полученное значение Δαдо является положительным, то преобразуют положительную нелинейность ТКЧ мостовой цепи в отрицательную путем включения термонезависимого резистора Ri в диагональ питания и одновременного шунтирования входного сопротивления термозависимым шунтом, который образован последовательным включением термозависимого резистора Rαвx и термонезависимого резистора Rдвх. Для этого определяют входное сопротивление и ТКС входного сопротивления, а также ТКЧ тензорезисторов α+ д и α- д при температуре t+ и t- и вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи (Δαд=α+ д-α- д). Если α+ д и Δαд оказываются в области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, то принимают номинал термозависимого шунта равным входному сопротивлению, а номинал резистора Ri, равным 100 Ом. Вычисляют номиналы резисторов Rαвх и Rдвх. Включают резисторы Ri, Rαвх и Rдвх в диагональ питания мостовой цепи. Определяют ТКЧ мостовой цепи при температуре t+ и t-, вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи Δαдо. Если Δαдо принимает отрицательное значение, то производят компенсацию мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи путем включения термозависимого резистора Rαвых, зашунтированного термонезависимым резистором Rдвых, в выходную диагональ мостовой цепи при сопротивлении нагрузки Rн≤2кОм. Технический результат: повышение точности компенсации. 2 табл., 2 ил.

Способ изготовления датчиков для контроля циклических деформаций // 2507478

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения деформаций и напряжений на поверхности деталей машин, подвергающихся циклическому нагружению. Целью изобретения является повышение чувствительности датчиков, изготавливаемых из фольги и применяемых для контроля циклических деформаций. Для достижения указанной цели используют липкую фольгу из пластичного металла, например алюминиевый скотч. Фольгу разрезают на фрагменты, растягивают в пределах упругих деформаций и в таком состоянии с помощью клеящего слоя фольги наклеивают на контролируемые поверхности деталей. Хвостовые участки фрагментов жестко фиксируют на поверхности детали механическим или иным известным способом. После чего в поперечной плоскости посередине длины фрагмента фольги выполняют сквозные прорези и отверстия. Техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств для контроля циклических деформаций деталей машин, возникающих в процессе их эксплуатации. Возрастает оперативность контроля за счет повышения чувствительности датчиков к малым величинам циклических деформаций. 3 ил.

Способ измерения деформаций объектов из немагнитных материалов и установка для его осуществления // 2518616

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформаций немагнитных материалов. Способ измерения деформаций из немагнитных материалов характеризуется тем, что на поверхности или внутри объекта размещают постоянные дипольные источники магнитного поля, например на основе магнитов из сплава неодим-железо-бор, при этом для вычисления параметров линейной (вдоль прямой линии) деформации используют как минимум два магнита не лежащие в одной точке, для вычисления параметров плоской деформации - минимум три магнита, не лежащие на одной прямой, для вычисления параметров объемной деформации - минимум четыре магнита, не лежащие в одной плоскости. Возле поверхности исследуемого объекта напротив каждого источника устанавливают систему датчиков, позволяющих измерить по 1, 2, 3 компоненты вектора индукции магнитного поля в нескольких точках, сосредоточенных в малой по сравнению с расстоянием до источников поля области пространства, или в качестве системы датчиков используют одно-, двух- или трехосевой датчик с системой 3D-позиционирования, сигналы с датчиков усиливают и преобразуют в цифровой вид, численные данные измерений: координаты точек измерения и значения компонент векторов индукции магнитного поля в них в лабораторной системе координат обрабатывают компьютерной программой, по полученным данным решают обратную задачу для системы слабо взаимодействующих магнитов и определяют их местоположение в лабораторной системе координат и векторы магнитных моментов в лабораторной системе координат до и после деформирования объекта, и, сравнивая эти решения, вычисляют параметры деформации. Описана установка для предлагаемого способа. Технический результат - возможность измерения линейной (вдоль прямой линии), плоской (в плоскости) и объемной (в пространстве) деформации объектов из немагнитных материалов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности. Сущность: при сопротивлении нагрузки Rн≥500 кОм определяют температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) мостовой цепи α д о + и α д о − при температурах t+ и t-, соответствующих верхнему и нижнему пределу рабочего диапазону температур, и нелинейность ТКЧ мостовой цепи ( Δ α д о = α д о + − α д о − ) . Если полученное значение ∆αдо является положительным, то преобразуют положительную нелинейность ТКЧ мостовой цепи в отрицательную. Для этого определяют входное сопротивление и его температурный коэффициент сопротивления (ТКС), а также ТКЧ тензорезисторов α д + и α д − при температурах t+ и t- и вычисляют нелинейность ТКЧ тензорезисторов ( Δ α д = α д + − α д − ) . Вычисляют номинал термозависимого резистора Rαвх, и термонезависимых резисторов Rдвх, и Ri. Устанавливают резистор Ri в диагональ питания мостовой цепи, входное сопротивление которой шунтируют последовательно соединенными резисторами Rαвх и Rдвх. Определяют ТКЧ мостовой цепи при температурах t+ и t-, вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи ∆αдо. Если нелинейность ТКЧ принимает отрицательное значение, удовлетворяющее неравенству ∆αдо≤-2·10-6 1/°C, то производят компенсацию мультипликативной температурной погрешности путем вычисления и включения термозависимого резистора Rαвых, зашунтированного термонезависимым резистором Rдвых, в выходную диагональ мостовой цепи последовательно с нагрузкой. Технический результат: повышение точности настройки при положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи. 1 табл., 2 ил.

Способ измерения прогибов балок // 2533343

Изобретение относится к способу измерения прогиба металлических, деревянных и других по материалу балок при поперечном изгибе от эксплуатационной нагрузки и других причин в процессе эксплуатации балки. Способ неразрушающего измерения прогиба балок заключается в том, что на поверхностях верхнего и нижнего поясов балки в месте наибольшего прогиба Δ0 наклеивают тензорезисторы с одинаковыми характеристиками непосредственно на подготовленную поверхность верхнего и нижнего поясов балки. Рабочие и компенсационные тензорезисторы наклеивают в количестве от 3 до 5 штук в каждом поясе на участке длиной от 15 до 25 см с наибольшим прогибом Δ0. Рабочие тензорезисторы крепят вдоль главных напряжений σ вдоль балки, а компенсационные - между рабочими тензорезисторами поперек балки, защищают их от различных воздействий эпоксидной смолой, монтируют мостовые схемы для каждой пары тензорезисторов (рабочих и компенсационных) и соединяют провода от них с тензостанцией; измеряют начальное сопротивление R0 рабочих тензорезисторов, при этом прогиб балки Δ(t) в любой момент времени t определяют по формуле: Δ(t)=Δ0+r·(|ΔR1(t)|+|ΔR2(t)|), где Δ0 - начальный наибольший прогиб балки в момент времени t=0, измеренный с помощью высокоточной геодезической рейки и нивелира до наклейки тензорезисторов; r - постоянный коэффициент, зависящий от расчетных схем и размеров балки. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 4 ил., 1 табл.

Устройство для измерения динамических деформаций // 2536329

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для измерения динамических деформаций содержит измерительные тензорезисторы, опорные резисторы, усилитель, электронно-вычислительную машину с программным обеспечением, источник постоянного напряжения, эталонный резистор, коммутатор, блок управления, аналоговую программируемую многофункциональную плату с программным обеспечением, подключенную к ЭВМ. Программируемая плата может быть подключена к ЭВМ интерфейсом USB или путем установки в слот расширения PCI или PCIExpress, а устройство может быть снабжено устройством сопряжения, при этом подключение источника питания к первому аналоговому входу платы, второго вывода усилителя к аналоговому выходу платы, входа блока управления к цифровому выходу платы, выхода усилителя к аналоговому входу платы производится через соответствующие входы и выходы устройства сопряжения, связанного интерфейсом с совместимым разъемом указанной платы. Технический результат - расширение диапазона измеряемых величин и линейности выходной характеристики, повышение надежности функционирования устройства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Косвенный способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика // 2539816

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторной датчиковой аппаратуры с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности. В диагональ питания мостовой цепи устанавливают термозависимый технологический резистор Rαm, номинал которого больше возможных значений компенсационного термозависимого резистора Rα. Параллельно резистору Rαm устанавливают перемычку. Измеряют начальный разбаланс и выходной сигнал датчика при нормальной температуре t0, а также температуре t+, соответствующей верхнему пределу рабочего диапазона температур, и t-, соответствующей нижнему пределу рабочего диапазона температур. На основе проведенных измерений вычисляют ТКЧ тензорезисторов мостовой цепи α ∂ изм + и α ∂ изм − при температурах t+ и t- соответственно, а также нелинейность ТКЧ тензорезисторов мостовой цепи ( Δ α ∂ изм = α ∂ изм + − α ∂ изм − ) . Измеряют входное сопротивление мостовой цепи датчика. Включают термонезависимый резистор Ri=0,5·Rвх. Измеряют начальный разбаланс и выходной сигнал датчика при температурах t0, t+ и t-. На основе проведенных измерений вычисляют ТКС входного сопротивления при температурах t+ и t-. Отключают резистор Ri и снимают перемычку с резистора Rαm. Измеряют начальный разбаланс и выходной сигнал датчика при температурах t0, t+ и t-. На основе выполненных измерений вычисляют ТКС технологического термозависимого резистора Rαm при температурах t+ и t-. Если ТКЧ тензорезисторов мостовой цепи и его нелинейность принадлежат области применения способа, то вычисляют номинал термозависимого резистора Rα и термонезависимого резистора R∂ с использованием полученных значений ТКЧ тензорезисторов мостовой цепи, ТКС входного сопротивления и ТКС технологического термозависимого резистора. Технологический термозависимый резистор Rαm заменяют резистором Rα путем частичного задействования. Шунтируют резистор Rα термонезависимым резистором R∂. Технический результат заключается в повышении точности компенсации мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика с использованием широко распространенной измерительной аппаратуры. 1 з.п. ф-лы