Тензорезисторное устройство

 

т оасоювммтт

;,:,н«чос т @ нн .еаза I

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Coca Советских

«»682755

Соцналнстнческнх

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свпд-ву— (22) Заявлено 22.06.76 (21) 2376625/18-28 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (43) Опубликовано 30.08.79. Бюллетень ¹ 3 (45) Дата опубликования описания 25.09.79 (51)М.Кл. б 01 В 7/18

Государственный комитет

СССР м делам изобретений н открытий (53) УДК 681.2.083.8:

:531.787,913 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. А. Волков, Ю. А. Выгода, Е. П. Осадчий и Т. В. Тихонова

Пензенский политехнический институт (71) Заявитель (54) ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерений механических нагрузок в условиях повышенных и быстроменяющихся температур.

Известно устройство, содержащее полупроводниковый тензодатчик с компенсатором температурной погрешности, состоящий из четырех кристаллов кремния, соединенных по мостовой схеме. Кристаллы помещены в герметичную конструкцию. Электрические соединения выполнены таким образом, что имеется возможность включения в плечи мостовой схемы внешних резисторов fl).

В известном тензодатчике с целью компенсации температурной погрешности в плечо мостовой схемы с наибольшим температурным коэффициентом включают дополнительно последовательно и параллельно терморезисторы.

Известно другое устройство, содержащее тензодатчик, в котором обеспечивается температурная компенсация в условиях наличия температурных градиентов в объекте измерения (2).

Тензодатчик состоит из пяти четырехплечих мостов: четырех рабочих, собранных из тензочувствительных решеток, и одного, собранного на термисторах. В одном из плеч каждого рабочего моста включено термочувствительное сопротивление. Все пять мостов соединены параллельно, причем пятый мост из термисторов присоединен к рабочим мостам через два сопротивления. Все мосты питаются от одного источника напряжения. Выходной сигнал схемы подается на индикаторный прибор.

Тсрмосопротивления, включенные в плечи рабочих мостов, подбираются так, чтобы исключить дрейф нуля при равномерном нагреве образца за счет неидентичности отдельных тензочувствительных решеток.

Мост пз термисторов компенсирует дрейф нуля, возникающий за счет температурных

15 напряжений в образце.

В известных устройствах компенсаци температурной погрешности осуществляется благодаря использованию полупроводниковых термосопротивлений — термисторов, 20 так или иначе подключенных к мостовой схеме тензодатчика. Но вследствие различной физической природы термисторов и тензорезисторов невозможно осуществить с большой степенью точности компенсацию

25 температурной погрешности тензодатчика в условиях повышенных температур, и особенно в переходном тепловом режиме, так как термисторы, имеющие тепловую инерцию, отличную от тепловой инерции тензорезисторов, будут давать информацию о ра632755 с вторым входом сумматора, а выход по. следнего — с входом усилителя.

На чертеже приведена блок-схема устройства.

Устройство содержит тензорезисторы 1—

5, резисторы б и 7, масштабный усилитель

8, сумматор 9 и усилитель 10. Тензорезисторы 2 — 5 являются тензопреобразователями и образуют внутреннюю четырехплечую тензорсзисторную мостовую схему 11. Тензорезистор 1, внутреняя мостовая схема 11, резисторы б и 7 образуют внешнюю мостовую схему 12.

Точка 18 диагонали 13 — 14 питания схе16 мы 11 подключена к клемме 15 питания.

Другая точка 14 диагонали соединена с резистором 7. Точки 1б и 17 измерительной диагонали мостовой схемы ll соединены с первым входом 18 сумматора 9, выход ко20 торого связан с входом усилителя 10. Второй вход 19 сумматора соединен с выходом масштабного усилителя 8.

Тензорезистор 1 и резистор б соединены последовательно и включены между клем25 мой 15 и общей клеммой 20 питания.

К этой же клемме 20 подключен второй конец резистора 7. Точки 14 — 21 измерительной диагонали мостовой схемы 12 соединспы: входом масштабного усилителя 8.

ЗО Устройство работает следующим образом.

Электрическая схема тензопреобразоватсля состоит пз внутренней "îñòîâîé схемы

11 и впешней четырехплечей мостовой схемы 12.

Полная схсма известного устройства содержит четыре активных тензорезистора, соединенных по мостовой схеме, зависимый источник тока, усилитель, делитель из двух резисторов и третий резистор, причем делитель из двух резисторов вкл.очен между клеммами питания, вход зависимого источпика тока со динен с выходом делителя, а выход и точника тока включен между одной вершиной диагонали питания тензорезистивной мостовой схемы и, через третий резистор, общей шиной питания. Вторая вершина диагонали питания мостовой схемы соединена с другой шиной питания, выход тензорсзистивной мостовой схемы соединен с входом усилителя.

Напряжение с измерительной диагонали мостовой схемы подается на усилитель, в котором предусмотрена компенсация погрешности нуля и чувствительности путем пведс .ия обратных связей.

Независимость изменения тензорезисторов от температуры и незначительное изменение сопротивлений мостовой схемы в заданном рабочем диапазоне температур достигачотся выполнением ряда требований техпологич ского характера к процессу диффузии при изготовлении тензосопротивлений и точной подгонкой резисторов.

Недостатками рассматриваемого устройства являются небольшой рабочий диапазон температур (28 С), тогда как работа датчиков специального назначения осуществляется в более широком диапазоне температур (от — б0 до +100 С и выше), и большая ошибка измерения при работе в переходных температурных режимах.

Внутреннюю мостовую схему ll образуют четыре тензорезистора 2 — 5, причем тепзорезисторы 2 и 5 воспринимают дефор40 мацгпо растяжения, а тензорезисторы 3 и

4 — такую же по величине деформацию сжатия.

Тепзорезисторы 1 — 5 находятся в оди46 паковых температурных условиях. С точек

1б и 17 диагонали мостовой схемы 11 снимают сигнал V, а с точек 14 — 20 диагонали мостовой схемы 12 снимают сигнал V .

Эти сигналы можно разложить в ряд Тейлора и показать, что оба они несут информацгпо об измеряемой механической нагрузке и о температуре тензорезисторов.

Цель изобретения — расширение диапазона рабочих температур и повышение точности контроля при переходных температурных режимах.

Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено масштабным усилителем, сумматором, первый вход которого соединен с измерительной диагональю мостовой схемы и тензорезистором, включенным между клеммой источника питания и одним из резисторов, другой резистор соединен с другой точкой диагонали питания мостовой схемы, к общим точкам соединения тензорезистор — резистор и мостовая схема — резистор подключен вход масштабного усилителя, выход которого связан

В результате теоретического анализа сигналов, представленных в виде разложения в ряд Тейлора, было замечено, что, если сигнал V> умножить на некоторый коэфk фициент у= =, который представляет сот, 60 б-! отношение коэффициентов пропорциопальност при линейных членах ряда Тейлора для V и Vq, и взять разность U — у Vz, то получим скорректированный сигнал

66 бочей температуре тензодатчика со сдвигом во времени.

Наиболее близким к заявленному устройству по технической сути является тензорезисторное устройство, содержащее четырехплечую тензорезисторную мостовую схему, одна точка диагонали питания которой подключена к клемме источника питания, два резистора, подключенные к общей клемме источника питания, и усилитель (3), Vp = V!,— — УЪ, =(И вЂ” 1т,)1, 682755 где k u m — коэффициенты проп.".рциональности при разложении сигналов Vi и V в ряд Тейлора;

L — механическая нагрузка.

Работа устройства осуществляется в соответствии с первой частью алгоритма (1).

Масштабный усилитель 8 служит для усиления дополнительного сигнала V>, снимаемого с точек 14 — 21 внешней мостовой

k., схемы 12 в у раз. Коэффициент у= — заm> висит от номинальной величины сопротивлений тензорезисторов 1 — 5.

Сумматор 9 алгебраически суммирует выходные сигналы Vi внутренней мостовой схемы 11 и уУ масштабного усилителя 8.

В результате на выходе сумматора формируется скорректированный по температуре сигнал V... = — Vi — yV>. После этого усилитель 20

10 усиливает выходной сигнал сумматора

9 до величины, удобной для регистрации сигнала.

Расчетным путем было установлено, что отклонение сигнала V в диапазоне темпе- 25 ратур +-100 С не превышает 4% значения при температуре 20 С.

Введение тензорезистора 1, который соединяет резистор б с клеммой 20 питания, подключение второго резистора 7 к другой точке 14 диагонали 18 — 14 питания плечей тензорезисторной мостовой схемы 11 и образование таким образом внешней мостовой схемы 12, точки 14 — 21 измерительной диагонали которой подключены к входу 35 масштабного усилителя 8, дает возможность получить два линейно независимых сигнала.

Один из них является основным, а другой дополнительным и может быть использован для температурной коррекции основного 4о сигнала.

Таким образом, для получения информации о температуре с целью осуществления коррекции основного сигнала в качестве термозависимых сопротивлений исполь- 45 зуются сами тензорезисторы преобразователя. Это обеспечивает повышение точности коррекции основного сигнала, а следовательно и точности измерения механических нагрузок с помощью преобразователя при работе в переходном и установившемся тепIoBoxi режи 13х» расширение рабочего диапазона температур. Введение масштабного усилителя, вход которого соединен с измерительной диагональю внешнего моста, а выход — с вторым входом сумматора, позволяет применять тензопреобразователи с различным номинальным сопротивлением тензорезисторов.

Формула изобретения

Тензорезисторное устройство, содержащее четырехплечую тензорезисторную мостовую схему, одна точка диагонали питания которой подключена к клемме псточпика питания, два резистора, подключенных к общей клемме источника питания, и усилитель, отлич а ющееся тем, что, с целью повышения точности контроля при переходных температурных режимах, оно снабжено масштабным усилителем, сумматором, первый вход которого соединен с измерительной диагональю мостовой схемы, и тензорезистором, включенным между клеммой источника питания и одним из резисторов, другой резистор соединен с другой точкой диагонали питания мостовой схемы, к общим точкам соединения тензорезистор — резистор и мостовая схема — резистор подключен вход масштабного усилителя, выход которого соединен с вторым входом сумматора, а выход последнего — с входом усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Патент США № 3447362, кл. 73-88.5, 1974.

2. Патент США № 3290929, кл. 73-88.5, 1973.

3. Кремниевый тензодатчик с автоматическим компенсационным преобразователем. Реферат 83. Экспресс-информация.

Испытательные приборы и стенды. 1970, ¹ 12.

682755

Составитель А. Матвеев

Техред А. Камышникова

Редактор А. Мурадян

Корректор И. Симкина

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

Заказ 759/969 Изд. № 486 Тираж 866 Подписное

ППО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и огкрыгий !

13035, Москва, К-35, Ра шская наб д. 4/5