Полумостовой преобразователь приращения сопротивления в напряжение

Полумостовой преобразователь приращения сопротивления в напряжение

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения приращений сопротивлений, в частности, в тензометрии.

Известно устройство для дистанционного измерения физических величин, содержащее измерительную мостовую схему, источник напряжения и два операционных усилителя. Такое устройство позволяет преобразовывать измеряемую величину физического параметра в напряжение (см. А.С. №905626, МПК G01B 7/16, 1980 г.).

Недостатком устройства является его низкая помехозащищенность.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является полумостовой преобразователь сопротивления в напряжение, описание которого приведено в книге «Интегральная электроника в измерительных устройствах», стр.81, автор Гутников B.C. М: Энергоатомиздат, 1988.

Полумостовой преобразователь сопротивления в напряжение содержит полумост с пятипроводной соединительной линией. Питание полумоста осуществляется от одного источника питания. Один операционный усилитель, включенный по схеме повторителя напряжения, поддерживает напряжение питания на первом выводе полумоста. Другой операционный усилитель подает на второй вывод полумоста такое напряжение, при котором на среднем выводе полумоста поддерживается половина напряжения источника питания. Выходное напряжение снимается с второго вывода полумоста, оно пропорционально разности сопротивлений плеч полумоста. Недостатком предложенного прототипа является его низкая помехозащищенность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости полумостового преобразователя приращения сопротивления в напряжение.

Технический результат достигается тем, что в полумостовом преобразователе приращения сопротивления в напряжение, содержащем полумост, первый вывод которого через первый токовый провод соединен с выходом первого операционного усилителя и через первый потенциальный провод соединен с его инверсным входом, средний вывод полумоста соединен через второй потенциальный провод с инверсным входом второго операционного усилителя, неинверсный вход которого через один резистор соединен с общей шиной и через другой резистор соединен с неинверсным входом первого операционного усилителя, источник питания полумоста, один вход которого соединен с общей шиной преобразователя, а другой соединен с неинверсным входом первого операционного усилителя, второй вывод полумоста через второй токовый провод соединен с первым выводом дополнительного резистора и неинверсным входом дополнительного дифференциального усилителя, инверсный вход которого соединен с вторым выводом дополнительного резистора и выходом второго операционного усилителя.

Выход дифференциального усилителя соединен с первым входом дополнительного сумматора, второй вход которого соединен с неинверсным входом второго операционного усилителя, а третий его вход соединен через третий потенциальный провод с вторым выводом полумоста, при этом выход сумматора является выходом преобразователя.

На чертеже приведена блок-схема преобразователя приращения сопротивления в напряжение.

Преобразователь содержит полумост 1, вывод 2 которого через токовый провод 3 подключен к выходу операционного усилителя 4, инверсный вход которого подключен через потенциальный провод 5 к выводу 2 полумоста 1. Средний вывод 6 полумоста 1 через потенциальный провод 7 подключен к инверсному входу операционного усилителя 8, неинверсный вход которого через резистор 9 соединен с общей шиной и через резистор 10 - с неинверсным входом операционного усилителя 4. Источник питания 11 включен между неинверсным входом операционного усилителя 4 и общей шиной преобразователя. Вывод 12 полумоста 1 через токовый провод 13 и последовательно с ним включенный резистор 14 соединен с выходом операционного усилителя 8. К выводу резистора 14, соединенному с проводом 13, подключен неинверсный вход дифференциального усилителя 15, инверсный вход которого подключен к другому выводу резистора 14. Выход дифференциального усилителя 15 соединен с первым входом сумматора 16, второй вход которого подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 8. Третий вход сумматора 16 соединен через потенциальный провод 17 с выводом 12 полумоста 1. Выход сумматора 16 соединен с выходом 18 преобразователя.

Полумостовой преобразователь приращения сопротивления в напряжение работает следующим образом.

Напряжение Е источника питания 11 через повторитель напряжения, образованный операционным усилителем 4 и проводами 5, 3, подается на вывод 2 полумоста 1. Операционный усилитель 8 при равенстве значений резисторов 10 и 9 подает на вывод 12 полумоста 1 напряжение, при котором напряжение на среднем выводе 6 полумоста будет равно Е/2. Если номинальное сопротивление плеча полумоста 1 между выводами 2, 6 равно R₀, то ток через полумост равен

и через резистор R14 и выходное сопротивление операционного усилителя 8 он течет на общую шину. Между выводами 6, 12 полумоста включен датчик, сопротивление которого может быть представлено как R_Д=R₀+ΔR (для определенности ΔR взято со знаком плюс), где ΔR несет информацию об измеряемом физическом параметре, например, деформации. Напряжение на выводе 12 полумоста 1 определяется выражением

При воздействии на полумост 1 синфазной помехи в нем протекают токи помехи I_П. Поскольку потенциалы его выводов 2 и 6 жестко заданы повторителями напряжения, выполненными на операционных усилителях 4 и 8, ток I₀ остается неизменным. Выходные сопротивления повторителей напряжения практически равны нулю, поэтому токи помехи I_П протекают на общую шину только через выходные сопротивления операционных усилителей. Ток помехи I_П, действующий на вывод 2 полумоста, протекает через выходное сопротивление операционного усилителя 4. Токи помехи I_П, действующие на выводы 6 и 12 полумоста, протекают через выходное сопротивление операционного усилителя 8, в результате через сопротивление R_Д протекает ток помехи I_П, а через резистор R14 - удвоенный ток помехи 2I_П, при этом результирующий ток через резистор R14 будет равен I₀+2I_П.

Если выбрать резистор R14 по величине равным номинальному значению R₀, коэффициент передачи дифференциального усилителя равным 1, коэффициенты передачи сумматора по первому и второму входам равными 1 и коэффициент передачи по третьему входу равным 2, то на выходе преобразователя напряжение определится из выражения

Из выражения следует, что ток синфазной помехи ослаблен в

раз.

Компенсация синфазной помехи происходит в широком частотном диапазоне, причем не влияет на частотный диапазон работы самого датчика. Для полумоста обычно ΔR₀+ΔR>>ΔR, поэтому реально действие синфазной помехи ослабляется в 50÷60 раз.

Изобретение может быть использовано в тензометрии для измерения приращения сопротивлений тензорезисторов.

Полумостовой преобразователь приращения сопротивления в напряжение, содержащий полумост, первый вывод которого через первый токовый провод соединен с выходом первого операционного усилителя и через первый потенциальный провод соединен с его инверсным входом, средний вывод полумоста соединен через второй потенциальный провод с инверсным входом второго операционного усилителя, неинверсный вход которого через один резистор соединен с общей шиной и через другой резистор соединен с неинверсным входом первого операционного усилителя, источник питания полумоста, один вход которого соединен с общей шиной преобразователя, а другой соединен с неинверсным входом первого операционного усилителя, отличающийся тем, что второй вывод полумоста через второй токовый провод соединен с первым выводом дополнительного резистора и неинверсным входом дополнительного дифференциального усилителя, инверсный вход которого соединен со вторым выводом дополнительного резистора и выходом второго операционного усилителя, а выход дифференциального усилителя соединен с первым входом дополнительного сумматора, второй вход которого соединен с неинверсным входом второго операционного усилителя, а третий его вход соединен через третий потенциальный провод со вторым выводом полумоста, при этом выход сумматора является выходом преобразователя.