Тензорезисторное устройство

) М.Кл. б 01 В 7/1 Государственный комите СССР ио делам изобретений(45) Дата опубликования описания 25,09.79(72) Авторы изобретения А, Волков, Ю. А. Выгода, Е. П. Осадчий и Т. В. Тихонова Пензенский политехнический институт) Заявитель 4) ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОЕ УСТРОЙСТВ Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерений механических нагрузок в условиях повышенных и быстроменяющихся температур.Известно устройство, содержащее полу проводниковый 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 резисто. ров 1 Ц.В известном тензодатчике с целью ком пепсации температурной погрешности в плечо мостовой схемы с наибольшим температурным коэффициентом включают дополнительно последовательно и параллельно терморезисторы, 20Известно другое устройство, содержащее тензодатчик, в котором обеспечивается температурная компенсация в условиях наличия температурных градиентов в объекте измерения 121.2Тензодатчик состоит из пяти четырехплечих мостов: четырех рабочих, собранных из тензочувствительных решеток, и одного, собранного на термисторах. В одном из плеч каждого рабочего моста включено З 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 напряжений в образце.В известных устройствах компенсация температурной погрешности осуществляется благодаря использованию полупроводниковых термосопротивлений - термисторов, так или иначе подключенных к мостовой схеме тензодатчика, Но вследствие различной физической природы терм исторов и тензорезисторов невозможно осуществить с большой степенью точности компенсацию 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 рас вторым входом сумматора, а выход последнего - с входом усилителя,На чертеже приведена блок-схема устройства.Устройство содержит тензорезисторы 1 -5, резисторы б и 7, масштабный усилитель8, сумматор 9 и усилитель 10. Тензорезисторы 2 - 5 являются тензопреобразователями и образуют внутреннюю четырехплечуютензорсзисторную мостовую схему 11. Тензорезистор 1, внутреняя мостовая схема 11,резисторы б и 7 образуют внешнюю мостовую схему 12.Точка 13 диагонали 13 - 14 питания схе 16 мы П подключена к клемме 15 питания.Другая точка 14 диагонали соединена с резистором 7. Точки 1 б и 17 измерительнойдиагонали мостовой схемы 11 соединены спервым входом 18 сумматора 9, выход ко 20 торого связан с входом усилителя 10. Второй вход 19 сумматора соединен с выходоммасштабного усилителя 8.Тензорезистор 1 и резистор б соединеныпоследовательно и включены между клем 25 мой 15 и общей клеммой 20 питания,К этой же клемме 20 подключен второйконец резистора 7, Точки 14 - 21 измерительной диагонали мостовой схемы 12 соединспы с входом масштабного усилителя 8.З 0 Устройство работает следующим образом.Электрическая схема тензопреобразоватсля состоит из внутренней мостовой схемы11 и впешней четырехплечей мостовой схе 06 мы 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 источника 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 введс .ия обратных связей.Независимость изменения тензорезисторов от температуры и незначительное изменение сопротивлений мостовой схемы в заданном рабочем диапазоне температур достигаются выполнением ряда требований техпологпческого 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 - бО до +100 С и выше), и большая ошибка измерения при работе в переходных температурных режимах,Внутреннюю мостовую схему 11 образуют четыре тензорезистора 2 - 5, причем тензорезисторы 2 и 5 воспринимают дефор мацгпо растяжения, а тензорезисторы 3 и4 - такую же по величине деформацию сжатия,Тепзорезисторы 1 - 5 находятся в оди иаковых температурных условиях. С точек1 б и 17 диагонали мостовой схемы 11 снимают сигнал Уь а с точек 14 - 20 диагонали мостовой схемы 12 снимают сигнал У.Эти сигналы можно разложить в ряд Тей лора 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, чтоустройство 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 анализасигналов, представленных в виде разложения в ряд Тейлора, было замечено, что, если сигналумножить на некоторый коэфй,фициент у= =, который представляет сот,60 бои отношение коэффициентов пропорциональности при линейных членах ряда Тейлора для Ъ, и Ъ и взять разность К 1 - у Уъто 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,Ъ = 1 - у, =01 - Югп 1) 1где Й и т - коэффициенты пропорциональности при разложениисигналов Р, и Г, в ряд Тейлора;1, - механическая нагрузка.5Работа устройства осуществляется в соответствии с первой частью алгоритма (1).Масштабный усилитель 8 служит дляусиления дополнительного сигнала Р, снимаемого с точек 14 - 21 внешней мостовой 10й.,схемы 12 в у раз. Коэффициент у= -заИвисит от номинальной величины сопротивлений тензорезисторов 1 - 5.Сумматор 9 алгебраически суммирует 15выходные сигналы Р, внутренней мостовойсхемы 11 и уУ масштабного усилителя 8.В результате на выходе сумматора формируется скорректированный по температуресигнал 11 = - У, - уР. После этого усилитель 2010 усиливает выходной сигнал сумматора9 до величины, удобной для регистрациисигнала.Расчетным путем было установлено, чтоотклонение сигнала У в диапазоне температур +.100 С не превышает 4% значенияпри температуре 20 С.Введение тензорезистора 1, который соелиняет резистор б с клеммой 20 питания,подключение второго резистора 7 к длугой ЗОточке 14 диагонали 18 - 14 питания плечейтензорезисторной мостовой схемы 11 и образование таким образом внешней мостовой схемы 12, точки 14 - 21 измерительнойдиагонали которой подключены к входу З 5масштабного усилителя 8, дает возможностьполучить два линейно независимых сигнала.Один из них является основным, а другойдополнительным и может быть использовандля температурной коррекции основного 40сигнала,Таким образом, для получения информации о температуре с целью осуществления коррекции основного сигнала в качестве термозависимых сопротивлений используются сами тензорезисторы преобразователя. Это обеспечивает повышение точностикоррекции основного сигнала, а следовательно и точности измерения механических нагрузок с помощью преобразователя при работе в переходном ц установившемся тепловом режимах и расширение рабочего диапазона температур, Введение масштабного усилителя, вход которого соединен с измерительной дцагональю внешнего моста, а выход - с вторым входом сумматора, позволяет применять тензопреобразователи с различным номинальным сопротивлением тензорезисторов.Формула изобретенияТензорезисторное устройство, содержащее четырехплечую тензорезисторную мостовую схему, одна точка диагонали питания которой подключена к клемме цсточпика питания, два резистора, подключенных к общей клемме источника питания, и усилитель, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля прц 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 цз резцсторов, 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 вовнимание при экспертизе:1. Патент США3447362, кл. 73-88.5,1974.2. Патент США3290929, кл. 73-88,5,1973.3. Кремниевый тензодатчик с автоматическим компенсационным преобразователем. Реферат 83. Экспресс-информация.Испытательные приборы ц стенды. 1970,12,682755 Составитель А. МатвеевТехред А, Камышникова Реда кто р А. Мур адя н Корректор И. Симкина Тип. Харьк. фил. пред. Патент Заказ 759/969 Изд.486 Тираж 866 Подписное 11 ПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и огкрытий 13035, Москва, Ж.35, Рашская наб д. 4/5