Схемы включения тензорезисорных преобразователей давления.

Основные схемы включения ПТ в настоящее время – потенциометрическая и мостовая. Потенциометрическую схему (рис 2.5 а) применяют в тех случаях, когда необходимо выделить переменную составляющую. Напряжение U_вых, снимаемое с R2, определяется формулой

При помощи мостовых схем измеряют как статические, так и динамические деформации. Мостовые схемы работают как на постоянном, так и на переменном токе. Мосты постоянного тока балансируются по активному сопротивлению, например, перемещением подвижного контакта реохорда или с помощью балансировочных сопротивлений. Мосты переменного тока необходимо также балансировать по реактивной составляющей, для чего в диагональ питания подключается балансировочный конденсатор. Если U – напряжение источника стабилизированного напряжения и все сопротивления по величине равны R1=R2=R3=R4=R (рис. 2.5 г), то

,

где U_р – напряжение разбаланса (напряжение на выходе схемы);

DR – изменение сопротивления тензорезистора при деформации.

Рис.2.5. Основные схемы включения полупроводниковых тензорезисторов: а – потенциометрическая; б, в, г – мостовая с одним, двумя, четырьмя тензорезисторами соответственно; д – схема с питанием от источника тока.

При применении ПТ большие изменения сопротивления нарушают линейность моста; здесь при относительной деформации 1·10^-3 величина DR/R»13 % (для S=130) и нелинейность больше 6 %. Линейность улучшается при применении источника питания постоянного тока с высоким внутренним сопротивлением. Т.е. нелинейность уменьшается в два раза. Хорошие результаты дает применение моста с постоянным напряжением питания, но с большим отношением плеч.

Однако при этом необходимо увеличивать напряжение питания. Рассмотренное касается случая с одним активным тензорезистором. Задача значительно упрощается при использовании двух или четырех активных тензорезисторов (рис. 2.5 в, г). Если изменения их сопротивлений будут равны и противоположны по знаку, то тензорезисторы могут быть включены в обычную мостовую схему с источником постоянного напряжения. Равные и противоположные по знаку изменения сопротивлений могут быть получены при положительных и отрицательных деформациях, что конструктивно легко получить, например, формированием тензорезисторов с противоположных сторон мембраны или балки. Сочетая тензорезисторы р- и n-типов, можно получить мост с двумя или четырьмя активными плечами при деформациях одного знака.

Использование двух или четырех активных тензорезисторов увеличивает чувствительность датчика теоретически в 2 или 4 раза соответственно, кроме того, при этом происходит непосредственная (прямая) температурная его компенсация. Прямая температурная компенсация в связи с разбросом величин сопротивлений, ТКС, ТКЧ (температурный коэффициент чувствительности) у тензорезисторов, как правило, не обеспечивает допустимую температурную погрешность датчика. Используют схемную температурную компенсацию, например шунтирование активного тензорезистора с большим значением ТКС, при этом снижается температурная погрешность. Величину шунтирующего сопротивления устанавливают экспериментальным путем. Однако при этом уменьшается чувствительность датчика в целом (обычно на 2–10 %). Для измерений при больших изменениях температур (Dt> 20 °С) можно использовать включения термистора в диагональ питания моста, находящегося при той же температуре, что и тензорезисторы.

Дифференциальные измерительные схемы ПТ на трансформаторах тока. Эти схемы обладают рядом преимуществ, главные из которых –линейность выходного сигнала, повышенная чувствительность по напряжению и сниженная температурная погрешность. Схемы могут быть выполнены как на переменном, так и на постоянном токе. Дифференциальная схема переменного тока показана на рис. 2.6.

Уравнение выходного напряжения имеет вид

,

где I – первичный ток трансформаторов;

I1 и I2 – вторичный ток трансформаторов Т1 и Т2 соответственно;

V1 и V2 – коэффициенты трансформации (равны отношению вторичного тока трансформатора к первичному).

Рис. 2.6. Дифференциальная схема переменного тока

 

Дифференциальная схема постоянного тока показана на рис.2.7. Схема питается от генератора Г переменного тока прямоугольной формы. ПТ R1 и R2 включаются во вторичные обмотки трансформаторов тока Т1 и Т2 через выпрямительные мосты таким образом, что падения напряжения на них вычитаются.

Напряжение выходного сигнала определяется выражение:

,

где К_В1и К_В2– коэффициенты выпрямления выпрямительных мостов, включенные во вторичные цепи трансформаторов тока Т1 и Т2.

В дифференциальных измерительных системах ПТ на трансформаторах тока выходное напряжение зависит от абсолютного изменения сопротивления DR тензорезистора, тем самым снижается температурная погрешность (ТКС тензорезистора, равный (dR/R_о) · (1/Dt)1/°С, положителен; ТКЧ (dS/S_о) · (1/Dt)1/°С отрицателен; оба коэффициента у кремниевых ПТ – величины одного порядка, поэтому абсолютное сопротивление R тензорезистора в значительно меньшей степени зависит от изменения температуры, чем относительное сопротивлениеDR/R, которое определяет величину выходного напряжения в мостовых схемах).На рис. 2.8 приведены кривые чувствительности мостовой и дифференциальной схем включения ПТ.

Рис.2.7. Дифференциальная схема постоянного тока

Р

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: