CN87102198A

CN87102198A - 应变式传感器模拟蠕变补偿的方法和电路

Info

Publication number: CN87102198A
Application number: CN 87102198
Authority: CN
Inventors: 梅涛; 何茂彬; 储智
Original assignee: Institute of Intelligent Machines of CAS
Current assignee: Institute of Intelligent Machines of CAS
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1988-08-17

Abstract

应变式传感器模拟蠕变补偿的方法和电路是在应变片组成四臂电阻全桥的输出端加一蠕变补偿运算放大器，当蠕变量K为正时，用RC积分电路并联于放大器的输入电阻R_i上，调节R使得R_i/R＝K，当K为负时，也用RC积分电路但并联在放大器的反馈电阻R_f上，调节R使得R_f/R＝K即可对蠕变进行50％～90％的有效补偿。

Description

本发明涉及一种应变式传感器的蠕变补偿方法及电路，特别是应变式传感器用模拟电路进行蠕变补偿。

应变式传感器有金属丝式、箔式、体型半导体应变片式（简称半导体式）、半导体薄膜式以及扩散硅式，它们均采用四个相同的应变元件组成电阻全桥并固定在负荷弹性体上，该弹性体受到外界压力而产生应变，同时在全桥上输出相应的电压值，它广泛用于测量压力、拉力重量和加速度等方面，在实际应用中，随着对应变式传感器的精度要求不断提高，并要求能长期稳定的工作。由于蠕变现象的存在影响了测量精度，蠕变的定义是指在恒定温度，额定负荷的作用下传感器的输出值随时间的变化，从定义可知蠕变是由传感器的内在因素影响与外界条件无关，应变式传感器造成蠕变的内在因素比较复杂，是由于负荷弹性体、传感元件以及其结合部物质在受到额定负荷时其内部结构发生的多种变化，目前还不能在事先精确得知，而且随机散差较大，所以要求应变补偿灵活方便，可以调节。

为了改善应变式传感器的蠕变性能，西德HB M公司研制一种专用的蠕变可调金属箔式应变片（参阅《应变式传感器蠕变性能的研究》中国仪器仪表学会，1984年出版的《传感器论文集》第三册第194页）其方法是通过箔式应变片上制作全桥对称四组可调的短路环对弹性的不同蠕变量进行相应的调整，以箔式应变片的负蠕变补偿弹性体上的正蠕变，这是一种仅限于使用在箔式应变片传感器的元件补偿方法，其调节范围有限且不可逆。文中并给出了蠕变现象随时间的变化曲线。

本发明的任务是解决对各种应变式传感器都能进行蠕变补偿，可调范围大，调节可逆方便的技术方案。

应变式传感器的蠕变曲线，开始时变化较大，随时间的延长逐渐变缓其曲线形状类似于指数曲线，蠕变为负时可用下式近似：

V_o＝V_o-KV_o（1-e^-at）……（1）

（1）式中V_o为蠕变后的传感器输出电压;

Vo为时间t＝0时传感器的输出电压;

KV_o（1-e^-at）为蠕变随时间的变化项，

K为蠕变量是在恒定温度额定负荷的条件下时间延长到30分钟以上输出电压趋于稳定时的值对于t＝o时值的变化量相对于满量程的百分数

蠕变补偿的技术方案是优选一种积分运算放大器电路，能与蠕变指数曲线反向匹配，以达到调整和控制，本方案采用积分式放大器，在普通运算放大器的反馈电阻上并联一RC串联积分电路，其输入输出关系式为：

V o u t = V i \frac{R f}{R i} ［1/ (1+ \frac{R f}{R} e^{- \frac{t}{R c}} ］……(2)

式（2）中Vout为运算放大器的输出电压

Vi为运算放大器的输入电压

Rf为反馈电阻，Ri为输入电阻

R、C为积分电阻和电容

将式（1）的蠕变输出电压作为式（2）电路的输入电压即Vc＝Vi，将式（2）中的Rf/R等于式（1）中的蠕变量k， 1/(Rc) ＝a代入并化简，可得一近似公式为：

Vout≈ (Rf)/(Ri) Vo（1-K）……（3）

则（3）式为一个与时间无关的输出量，蠕变得到补偿。

当蠕变为正时，可采用Rc积分电路并联于运算放大器的输入电阻Ri上，使得Ri/R等于蠕变量K，其它参数代换相同，用类似于上式的推导同样得到一个与时间无关的表达式为：Vut≈ (Rf)/(Ri) Vo（1+k），使蠕变量得到补偿。

使用本发明的技术方案调节使用方便，调节积分电阻R即可，并且调节可逆，对于各种类型的应变式传感器均能适用，蠕变量的控制可以降底到50%～90%。现给出了在体型半导体应变式传感器上的蠕变补偿电路的实施例并结合附图详细说明。

图1为应变式传感器的蠕变补偿电路原理

图中A为运算放大器，Ri为输入电阻，R₁为放大器正端接地电阻Rf为反馈电阻，RC为蠕变补偿的积分电路，补偿传感器的负蠕变时为图中实线所绘，RC并联于反馈电阻Rf上。

补偿正蠕变时如图中虚线部份，Rc并联于R

上。

以25℃为标准温度进行蠕变补偿只用电阻R调节，可以使蠕变量从0.8%FS降到0.1%FS考虑到使用环境中温度的变化，可适当调整电阻值，使得在0～40℃的温度范围内，由原有的蠕变量在0.6%～1.08%FS，降到≤0.4%FS，现给出BCO₂半导体传感器，负荷为10Kg，满量程FS＝5000mv，补偿量为0.9%FS（即蠕变量）经补偿在不同温度下的蠕变值。

0℃时，K＝+0.4% FS

25℃时 k＝-0.26% FS.

40℃时 k＝-0.84% FS.

本发明实施例中所使用的运算放大器为廉价的LM324集成电路。

Claims

1、应变式传感器的蠕变补偿方法已有技术是在一种箔式应变片上制作四组对称的可调短路环，本发明的特征是其蠕变补偿采用模拟电路。

2、根据权利要求1所述应变式传感器的蠕变补偿方法，其特征是体型半导体应变式传感器的蠕变补偿采用模拟电路。

3、根据权利要求1或2所述的蠕变补偿模拟电路，其特征是采用积分运算放大器，当其蠕变量K为正时，其RC积分电路并联于放大器A的输入电阻R_i上，调节R_i使得R_i/R＝K。当蠕变量为负时，则将RC积分电路并联于放大器A的反馈电阻R_f上，调节R使得R_f/R＝K。