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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторной датчиковой аппаратуры с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности.

Известен способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности с учетом положительной нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика [1], принятый за прототип, в котором для компенсации мультипликативной температурной погрешности вычисляют нелинейности ТКЧ мостовой цепи где - значения ТКЧ мостовой цепи при температурах t⁺ и t^-, соответствующих верхнему и нижнему пределу рабочего диапазона температур. Если нелинейность ТКЧ мостовой цепи положительна, то включают термонезависимый резистор R_i в диагональ питания мостовой цепи, входное сопротивление которой шунтируют термозависимым резистором R_αвх и термонезависимым резистором R_двх, которые соединены друг с другом последовательно. Вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи где - значения ТКЧ мостовой цепи при температурах t⁺ и t^- после преобразования ТКЧ мостовой цепи. Проверяют принадлежность и области компенсации мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи, которая приведена в прототипе как «область существования полной компенсации». При принадлежности и области компенсации мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи вычисляют номинал термозависимого резистора R_αвых и термонезависимого резистора R_двых, в выходную диагональ мостовой цепи включают резистор R_αвых, зашунтированный резистором R_двых.

К причинам, препятствующим достижению технического результата, указанного ниже, при использовании известного способа относится то, что способ основан на расчете компенсационных резисторов через физические параметры датчика (ТКЧ мостовой цепи после преобразования нелинейности ТКС мостовой цепи, ТКЧ тензорезисторов мостовой цепи, температурный коэффициенте сопротивления (ТКС) компенсационных термозависимых резисторов, ТКС входного и выходного сопротивления мостовой цепи).

Как правило, данную информацию можно получить из сертификатов на применяемые материалы, однако существующие технологические разбросы при изготовлении этих материалов не позволяют использовать данную информацию из-за значительных разбросов, получаемых при определении значений компенсационных элементов. Кроме того, так как металлопленочные датчики выполняются с применением микроэлектронной технологии, данная информация может быть значительно искажена в результате напыления исходного материала. Поэтому, чтобы использовать аналитические выражения, необходимо осуществить экспериментальное определение требуемых параметров элементов, входящих в состав датчика, путем прямого измерения необходимых параметров.

Однако экспериментальное определение физических параметров элементов измерительной схемы датчика представляет определенную сложность.

Во-первых, это чисто конструктивные и технологические затруднения, связанные с тем, что:

- определение физических параметров как элементов измерительной схемы, так и компенсационных элементов необходимо проводить в собранном датчике, так как существующие перепады температур и температурных деформаций по телу датчика могут вызвать недопустимо большие погрешности при определении компенсационных элементов;

- определение всех физических параметров отдельных элементов требует, как правило, нарушения электрических связей в собранном датчике, что может привести к значительному ухудшению метрологических характеристик, так как эти связи заложены на самых ранних этапах формирования измерительной схемы металлопленочных датчиков.

Во-вторых, прямые методы измерения этих параметров, кроме большой трудоемкости, не обеспечивают требуемую точность. Так, при измерении ТКС тензорезисторов порядка 1·10^-5 1/°С с точностью до 5% требуется замер сопротивления номиналом 1000 Ом при перепаде температур в 50°С с точностью до 0,025 Ома, что составляет точность измерения 0,0025% и требует применения специальных методов измерения.

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 с учетом положительной нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика с использованием широко распространенной измерительной аппаратуры.

Технический результат заключается в повышении точности компенсации мультипликативной температурной погрешности с учетом положительной нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика с использованием широко распространенной измерительной аппаратуры.

Допустим, что оценку параметров датчика производят косвенным путем через измерение выходного сигнала, и относительное изменение сопротивления тензорезисторов при номинальном значении измеряемого параметра составляет где R_j=1000 Ом - сопротивление j-го плеча мостовой цепи датчика, ΔR_j - изменение сопротивления плеча R_j от воздействия измеряемого параметра при номинальном его значении. Данный выходной сигнал соответствует суммарному изменению сопротивлений плеч мостовой цепи В этом случае для обеспечения замера суммарного изменения сопротивлений плеч мостовой цепи в 10 Ом с точностью 0,025 Ом через измерение выходных сигналов потребуется использовать вольтметр класса точности не ниже 0,25%, что доступно в настоящее время на любом производстве.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что при положительной нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика производят компенсацию мультипликативной температурной погрешности в два этапа:

1) преобразуют положительную нелинейность ТКЧ мостовой цепи Δα_до в отрицательную, включая термонезависимый резистор R_i в диагональ питания мостовой цепи, входное сопротивление которой шунтируют термозависимым резистором R_αвх и термонезависимым резистором R_двх, которые соединены друг с другом последовательно;

2) осуществляют последующую компенсацию мультипликативной температурной погрешности с учетом полученной отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи включая в выходную диагональ мостовой цепи термозависимый резистор R_αвых, зашунтированный термонезависимым резистором R_двых.

Для этого датчик подключают к высокоомной нагрузке R_н>500 кОм. Измеряют значения начального разбаланса датчика U₀, при нормальной температуре t₀ и температурах t⁺ и t^-, соответствующих верхнему и нижнему пределу рабочего диапазона температур. Измеряют значения выходного сигнала датчика U_вых, при номинальном значении измеряемого параметра и температурах t₀, t⁺ и t^-. Вычисляют девиации выходного сигнала датчика ΔU_вых, соответствующие температурам t₀, t⁺ и t^-. На основе полученных значений девиаций выходного сигнала вычисляют значения ТКЧ мостовой цепи датчика, соответствующие температурам t⁺ и t^-:

где - ТКЧ мостовой цепи датчика при температуре t⁺;

- ТКЧ мостовой цепи датчика при температуре t^-;

Δt⁺=t⁺-t₀ - положительный диапазон температур;

Δt^-=t^--t₀ - отрицательный диапазон температур.

Вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи датчика Если нелинейность ТКЧ мостовой цепи является положительной, то преобразовывают положительную нелинейность ТКЧ мостовой цепи в отрицательную.

1) Для преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную предварительно определяют значения физических параметров датчика косвенными методами на основе измерения выходного сигнала датчика в различных условиях:

а) Для оценки ТКС входного сопротивления измеряют входное сопротивление мостовой цепи датчика R_вх. В диагональ питания мостовой цепи включают термонезависимый резистор с номиналом R_m=0,5·R_вx. Измеряют значения начального разбаланса датчика U_0r, при температурах t₀, t⁺ и t^-. Измеряют значения выходного сигнала датчика U_выхr, при номинальном значении измеряемого параметра и температурах t₀, t⁺ и t^-. Вычисляют девиации выходного сигнала датчика ΔU_выхr, соответствующие температурам t₀, t⁺ и t^-. На основе полученных значений девиаций выходного сигнала вычисляют значения ТКС входного сопротивления, соответствующие температурам t⁺ и t^-:

где - ТКС входного сопротивления при температуре t⁺;

- ТКС входного сопротивления при температуре t^-.

б) Для оценки ТКС термозависимого технологического резистора R_αтвх отключают резистор R_m, в диагональ питания мостовой цепи включают термозависимый технологический резистор R_αтвх, номинал которого больше, чем необходимо для преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, например, для металлопленочных датчиков следует брать R_αтвх = 0,5·R_вx. Измеряют значения начального разбаланса датчика U_0α, при температурах t₀, t⁺ и t^-. Измеряют значения выходного сигнала датчика U_выхα, при номинальном значении измеряемого параметра и температурах t₀, t⁺ и t^-. Вычисляют девиации выходного сигнала датчиками ΔU_выхα, соответствующие температурам t₀, t⁺ и t^-. На основе полученных значений девиаций выходного сигнала вычисляют значения ТКС термозависимого технологического резистора R_αтвх, соответствующие температурам t⁺ и t^-:

где - ТКС резистора R_αтвх при температуре t⁺;

- ТКС резистора R_αтвх при температуре t^-.

На основе вычисленных значений физических параметров датчика производят проверку принадлежности и Δα_до области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, заданной таблицей 1.

При принадлежностии Δα_до области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную принимают номинал термонезависимого резистора R_i равным 0,1·R_вx, вычисляют номинал термозависимого резистора R_aвx, решая уравнение:

где - ТКС входного сопротивления мостовой цепи, зашунтированной резисторами R_aвх и R_двx, при температуре t⁺;

- ТКС входного сопротивления мостовой цепи, зашунтированной резисторами R_αвх и R_двх, при температуре t^-;

- ТКС шунта, образованного последовательным включением резисторов R_αвх и R_двх, при температуре t⁺;

- ТКС шунта, образованного последовательным включением резисторов R_αвх и R_двx, при температуре t^-; Вычисляют номинал резистора R_двх по формуле:

Термонезависимый резистор R_i=0,1·R_вх включают в диагональ питания мостовой цепи, входное сопротивление которой шунтируют резисторами R_αвх и R_двх с вычисленными номиналами, соединенными друг с другом последовательно.

2) Производят компенсацию мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи . Для этого предварительно определяют значения физических параметров датчика после преобразования нелинейности ТКЧ мостовой цепи косвенными методами на основе измерения выходного сигнала датчика в различных условиях:

а) После преобразования нелинейности ТКЧ мостовой цепи измеряют выходное сопротивление мостовой цепи датчика R_вых. Датчик подключают к низкоомной нагрузке с сопротивлением R_н=2·R_вых. Измеряют значения начального разбаланса датчика U_0н1, при температурах t₀, t⁺ и t^-. Измеряют значения выходного сигнала датчика U_выхн1, при номинальном значении измеряемого параметра и температурах t₀, t⁺ и t^-.

Вычисляют девиации выходного сигнала датчика ΔU_выхн1, соответствующие температурам t₀, t⁺ и t^-.

б) Затем выходное сопротивление мостовой цепи шунтируют термонезависимым резистором R_ш=R_вых. Измеряют значения начального разбаланса датчика U_0н2, при температурах t₀, t⁺ и t^-. Измеряют значения выходного сигнала датчика U_выхн2, при номинальном значении измеряемого параметра и температурах t₀, t⁺и t^-. Вычисляют девиации выходного сигнала датчика ΔU_выхн2, соответствующие температурам t₀, t⁺ и t^-. На основе полученных значений девиаций выходного сигнала датчика вычисляют ТКЧ мостовой цепи после преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную ( и ), ТКС выходного сопротивления мостовой цепи при температурах t₀, t⁺ и t^-, решая систему уравнений:

и

где - ТКС выходного сопротивления мостовой цепи при температурах t⁺ и t^- соответственно;

- выходное сопротивление мостовой цепи после шунтирования;

- значения ТКС выходного сопротивления после шунтированния при температурах t⁺ и t^-;

Вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи после преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную

в) Для оценки ТКС термозависимого технологического резистора R_αтвых отключают резистор R_ш. В выходную диагональ мостовой цепи включают термозависимый технологический резистор R_αтвых, номинал которого больше, чем необходимо для компенсации мультипликативной погрешности, например, для металлопленочных датчиков следует брать R_αтвых=R_вых. Измеряют значения начального разбаланса датчика U_0αн, при температурах t₀, t⁺ и t^-. Измеряют значения выходного сигнала датчика U_выхан, при номинальном значении измеряемого параметра и температурах t₀, t⁺ и t^-. Вычисляют девиации выходного сигнала датчика ΔU_выхан, соответствующие температурам t₀, t⁺ и t^-. Вычисляют значения ТКС термозависимого резистора R_αтвых на основе полученных значений девиаций выходного сигнала датчика по формулам:

где - ТКС резистора R_αтвых, при температурах t⁺ и t^- соответственно.

На основе вычисленных значений физических параметров датчика производят проверку принадлежности и области компенсации мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи, заданной системой неравенств (37). При принадлежности и области компенсации мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи вычисляют номиналы термозависимого резистора R_αвых и термонезависимого резистора R_двых. Заменяют резистор R_αтвых резистором R_αвых с вычисленным номиналом, зашунтированным термонезависимым резистором R_двых.

Кроме того, после вычисления номиналов компенсационных резисторов R_αвх и R_двх включают термозависимый резистор R_αвх с вычисленным номиналом путем частичного задействования технологического резистора R_αтвх, поскольку при замене резистора R_αтвх на резистор R_αвх с вычисленным номиналом технологически очень трудно обеспечить равенство ТКС резисторов R_αвых и R_αвых. По этой же причине после вычисления номиналов компенсационных резисторов R_αвых и R_двых включают термозависимый резистор R_αвых с вычисленным номиналом путем частичного задействования технологического резистора R_αтвых.

Способ осуществляется следующим образом.

Для решения поставленной выше задачи необходимо заменить прямое измерение физических параметров датчика на косвенное, основанное на измерении выходного сигнала датчика.

Данное решение позволит упростить настройку датчика, решить приведенные выше конструктивные и технологические затруднения. Кроме того, данное решение позволит повысить точность определения физических параметров датчика и, как следствие, компенсации мультипликативной температурной погрешности.

На основе измерения выходного сигнала датчика необходимо вычислить значения физических параметров тензорезисторного датчика, необходимых при вычислении номиналов компенсационных резисторов, что требует высокоточной измерительной аппаратуры в случае прямого измерения.

Как показано в прототипе, при компенсации мультипликативной температурной погрешности необходимы сведения о значениях различных физических величин в процессе компенсации мультипликативной температурной погрешности:

1) при оценке нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика используются сведения о ТКЧ мостовой цепи и его нелинейности Δα_до;

2) при проверке возможности применения резисторов R_i, R_αвх, R_двх для преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную и вычислении номиналов резисторов R_αвх и R_двх необходимы сведения о ТКЧ тензорезисторов, включенных в мостовую цепь, ТКС входного сопротивления мостовой цепи и термозависимого резистора R_aвх при температурах t⁺ и t^-;

3) при проверке возможности компенсации мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи путем включения резисторов R_αвых и R_двых в выходную диагональ мостовой цепи и вычислении номиналов резисторов R_αвых и R_двых используются значения ТКЧ мостовой цепи ( и ), ТКС выходного сопротивления мостовой цепи и термозависимого резистора R_αвых при температурах t⁺ и t^-.

I Рассмотрим косвенное измерение ТКЧ мостовой цепи и его нелинейности Δα_до, необходимых при первоначальной оценке нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика.

Для оценки ТКЧ мостовой цепидатчик подключают к высокоомной нагрузке R_н>500 кОм при отсутствии резисторов в диагонали питания и подключении датчика. Измеряют значения как начального разбаланса U₀, так и выходного сигнала датчика U_вых, при номинальном значении измеряемого параметра, соответствующие температурам t₀, t⁺, t^- (U₀, U_вых соответствуют температуре t₀; - температуре t⁺; - температуре t^-). На основе сведений о значениях начального разбаланса и выходного сигнала вычисляют значения девиаций выходных сигналов ΔU_вых, при температурах t₀, t⁺, t^-:

В соответствии с [2], девиации выходных сигналов при температурах t₀, t⁺, t^- могут быть представлены следующим образом:

где U_num - напряжение питания мостовой цепи;

- коэффициент симметрии мостовой цепи;

- ТКЧ мостовой цепи при температуре t⁺;

- ТКЧ мостовой цепи при температуре t^-.

Разделив выражение (4) и (3) на (2), решив полученные уравнения относительно ТКЧ мостовой цепи ( и ), получим выражения для вычисления ТКЧ мостовой цепи:

Значение нелинейности ТКЧ мостовой цепи, необходимое при выборе схемы компенсации мультипликативной температурной погрешности вычисляют на основе измеренных значений ТКЧ мостовой цепи по формуле:

После вычисления Δα_до проверяют ее знак. При положительном значении Δα_до приступают к преобразованию положительного значения Δα_до в отрицательное. Для этого определяют значения физических параметров датчика, необходимых для преобразования нелинейности ТКЧ мостовой цепи.

II Рассмотрим оценку физических параметров, необходимых при проверке возможности применения резисторов R_αвх, R_двx, R_i, для преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную и вычислении номиналов резисторов R_αвх, R_двх (ТКЧ тензорезисторов, ТКС входного сопротивления, ТКС резистора R_αвх).

1) Поскольку в диагонали питания отсутствуют резисторы и датчик подключен к высокоомной нагрузке, то ТКЧ тензорезисторов, включенных в мостовую цепь, определяет значение ТКЧ мостовой цепи По этой причине можно считать ТКЧ тензорезисторов, включенных в мостовую цепь, равным ТКЧ мостовой цепи и использовать значения при расчете номиналов резисторов R_αвх и R_двх.

2) Для оценки ТКС входного сопротивления после вычисления Δα_до измеряют входное сопротивление мостовой цепи датчика R_вх, в цепь питания включают технологический термонезависимый резистор R_m. Благодаря включению резистора R_m в диагональ питания будет получен выходной сигнал, зависящий от ТКЧ тензорезисторов, включенных в мостовую цепь, так и ТКС входного сопротивления мостовой цепи. Номинал резистора R_m следует брать равным R_m=0,5·R_вх, поскольку при данном номинале резистора R_m влияние ТКС входного сопротивление будет достаточно большим, а уменьшение выходного напряжения мостовой цепи не превысит 33,34%.

Измеряют значения как начального разбаланса U_0r, так и выходного сигнала датчика U_выхr, при номинальном значении

измеряемого параметра, соответствующие температурам t₀, t⁺, t^- (U_0r, U_выхr соответствуют температуре t₀; - температуре t⁺; - температуре t^-). На основе сведений о значениях начального разбаланса и выходного сигнала вычисляют значения девиаций выходных сигналов ΔU_выхr, при температурах t₀, t⁺, t^-:

В соответствии с [2], девиации выходных сигналов после включения резистора R_m при температурах t₀, t⁺, t^-:

где - значение ТКС входного сопротивления мостовой цепи при температуре t⁺;

- значение ТКС входного сопротивления мостовой цепи при температуре t^-.

Разделив выражение (9) и (10) на (8), решив полученные уравнения относительно ТКС входного сопротивления с учетом (5), получим выражения для вычисления ТКС входного сопротивления:

3) Для оценки ТКС технологического резистора R_αтвх отключают резистор R_m и включают в диагональ питания термозависимый технологический резистор R_αтвх, номинал которого больше, чем необходимо для преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную. В случае металлопленочных резисторов следует использовать технологический термозависимый резистор R_αтвх с номиналом R_αтвх=0,5·R_вх. Благодаря включению резистора R_αтвх в диагональ питания будет получен выходной сигнал, зависящий от ТКЧ тензорезисторов, включенных в мостовую цепь, ТКС входного сопротивления мостовой цепи и ТКС термозависимого технологического резистора R_αтвх.

Измеряют значения как начального разбаланса U_0α, так и выходного сигнала датчика U_выхα, при номинальном значении измеряемого параметра, соответствующие температурам t₀, t⁺, t^- (U_0α, U_выхα соответствуют температуре t₀; - температуре t⁺; - температуре t^-). На основе сведений о значениях начального разбаланса и выходного сигнала вычисляют значения девиаций выходных сигналов ΔU_выхα, при температурах t₀, t⁺, t^-:

В соответствии с [2], девиации выходных сигналов после включения резистора R_αтвх при температурах t₀, t⁺, t^- могут быть представлены следующим образом:

где - значение ТКС резистора при температуре t⁺;

- значение ТКС резистора R^ при температуре t^-.

Разделив выражение (14) и (15) на (13), решив полученные уравнения относительно ТКС резистора R_αтвх с учетом (5) получим выражения для вычисления ТКС резистора R_αтвх:

После вычисления значений как и Δα_до, так и ТКС входного

сопротивления и резистора R_αтвх при температурах t⁺ и t^- проверяют принадлежность и Δα_до области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, которая, в соответствии с [1], задана минимальным значением ТКЧ мостовой цепи, приведенным в таблице 1.

При принадлежности и Δα_до области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную принимают номинал резистора R_i равным 0,1·R_вх, вычисляют номинал резистора R_αвх в соответствии с [1], решая уравнение:

где - ТКС входного сопротивления мостовой цепи, зашунтированной резисторами R_αвх и R_двx, при температуре t⁺;

- ТКС входного сопротивления мостовой цепи, зашунтированной резисторами R_αвх и R_двx, при температуре t^-;

- ТКС шунта, образованного последовательным включением резисторов R_αвх и R_двx, при температуре t⁺;

- ТКС шунта, образованного последовательным включением резисторов R_αвх и R_двx, при температуре t^-;

Номинал резистора R_двх вычисляют по формуле:

После вычисления номиналов резисторов R_αвх и R_двх заменяют резистор R_αтвх резистором R_αвх с вычисленным номиналом путем частичного задействования резистора R_αтвх. Последовательно с резистором R_αвх включают резистор R_двх с вычисленным сопротивлением. Резисторами R_αвх и R_двx, соединенными друг с другом последовательно, шунтируют входное сопротивление мостовой цепи. В диагональ питания мостовой цепи включают термонезависимый резистор R_i=0,1·R_вх.

III Рассмотрим компенсацию мультипликативной температурной погрешности с учетом полученной отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи с косвенной оценкой физических параметров датчика после преобразования нелинейности ТКЧ мостовой цепи.

1) Для оценки как ТКЧ мостовой цепи так и ТКС выходного сопротивления мостовой цепи датчик подключают к низкоомной термонезависимой нагрузке, сопротивление которой составляет R_н=2·R_выx, что позволит получить выходной сигнал, зависящий как от ТКЧ мостовой цепи так и ТКС выходного сопротивления мостовой цепи. В выходной диагонали должны отсутствовать резисторы.

Измеряют значения как начального разбаланса U_0н1, так и выходного сигнала датчика U_выхн1, при номинальном значении измеряемого параметра, соответствующие температурам t₀, t⁺, t^- (U_0н1, U_выхн1 соответствуют температуре t₀; - температуре t⁺; - температуре t^-). На основе сведений о значениях начального разбаланса и выходного сигнала вычисляют значения девиаций выходных сигналов ΔU_выхн1, при температурах t₀, t⁺, t^-:

В соответствии с [2], девиации выходных сигналов при температурах t₀,t⁺, t^- могут быть представлены следующим образом:

где U_xx - выходное напряжение мостовой цепи в режиме холостого хода (