RU2298147C1 - Mode of tuning of resistive-strain sensors with a bridge measuring circuit according to an additive temperature error - Google Patents
Mode of tuning of resistive-strain sensors with a bridge measuring circuit according to an additive temperature error Download PDFInfo
- Publication number
- RU2298147C1 RU2298147C1 RU2006104493/28A RU2006104493A RU2298147C1 RU 2298147 C1 RU2298147 C1 RU 2298147C1 RU 2006104493/28 A RU2006104493/28 A RU 2006104493/28A RU 2006104493 A RU2006104493 A RU 2006104493A RU 2298147 C1 RU2298147 C1 RU 2298147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resistor
- balancing
- tcs
- thermally dependent
- compensation
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Force In General (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по аддитивной температурной погрешности.The invention relates to measuring technique and can be used to configure strain gauge sensors with a bridge measuring circuit for an additive temperature error.
Известен способ компенсации аддитивной температурной погрешности мостовой схемы (см. Патент на изобретение RU 2265802 C1, G01B 7/16 «Способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по аддитивной температурной погрешности», зарегистрированный 10.12.2005 г.), заключающийся в предварительной балансировке мостовой цепи в пределах ±0,5% номинального выходного сигнала, определении температурного коэффициента сопротивления (ТКС) всех плеч сбалансированной мостовой цепи и установке в определенное плечо, последовательно с рабочим тензорезистором, компенсационного термозависимого резистора Rβ расчетной величины с последующей балансировкой мостовой схемы без изменения ТКС балансируемого плеча.There is a method of compensating the additive temperature error of the bridge circuit (see Patent for invention RU 2265802 C1, G01B 7/16 "Method of tuning strain gauge sensors with a bridge measuring circuit for the additive temperature error", registered December 10, 2005), which consists in pre-balancing the bridge circuits within ± 0.5% of the nominal output signal, determining the temperature coefficient of resistance (TCS) of all shoulders of a balanced bridge circuit and installing in a specific arm, in series with the working strain gauge, compensation thermally dependent resistor R β calculated value with subsequent balancing of the bridge circuit without changing the TCS of the balanced arm.
Однако использование данного метода при настройке датчиков имеет ряд недостатков, так как балансировка мостовой цепи без изменения ТКС сопротивления балансируемого плеча может быть осуществлена либо за счет подбора балансировочного резистора Rб с ТКС, равным ТКС балансируемого плеча, либо за счет лазерной или электроэрозионной подгонки тензорезистора при микроэлектронном исполнении датчика.However, the use of this method when configuring sensors has a number of disadvantages, since balancing the bridge circuit without changing the TCS of the resistance of the balanced arm can be achieved either by selecting a balancing resistor R b with a TCS equal to the TCS of the balanced arm, or by laser or EDM adjustment of the strain gauge at microelectronic performance of the sensor.
В первом случае выполнить равенство ТКС рабочего тензорезистора и балансировочного резистора крайне сложно по следующим причинам:In the first case, the equality of the TCS of the working strain gauge and the balancing resistor is extremely difficult for the following reasons:
1. Для исключения градиента температур между рабочим тензорезистором и балансировочным резистором последний должен устанавливаться непосредственно на упругом элементе в зоне установки тензорезисторов, что значительно усложняет конструкцию датчика.1. To eliminate the temperature gradient between the working strain gage and the balancing resistor, the latter must be installed directly on the elastic element in the installation zone of the strain gages, which greatly complicates the design of the sensor.
2. Подобрать ТКС балансировочного резистора равным ТКС рабочего тензорезистора с точностью хотя бы ±1% можно лишь при исполнении балансировочного резистора из материала и по технологии рабочего тензорезистора. Однако даже в этом случае получение равенства ТКС балансировочного резистора и рабочего тензорезистора с заданной точностью является проблематичной задачей, так как это возможно либо при использовании селективной подборки, что значительно повышает трудоемкость и, следовательно, стоимость датчика, либо использованием высококлассного оборудования при высокой отработанности технологического процесса, что также приводит к повышению стоимости датчика. Действительно, даже при тонкопленочном исполнении тензорезисторов в едином вакуумном цикле из одной навески разброс ТКС на одном упругом элементе достигает ±10% и более, что и приводит к необходимости компенсации аддитивной температурной погрешности.2. To select the TCS of the balancing resistor equal to the TCS of the working strain gauge with an accuracy of at least ± 1% is possible only when the balancing resistor is made of material and using the technology of the working strain gauge. However, even in this case, obtaining the equality of the TCS of the balancing resistor and the working strain gauge with a given accuracy is a problematic task, since this is possible either using selective selection, which significantly increases the complexity and, consequently, the cost of the sensor, or using high-quality equipment with high technological process , which also leads to an increase in the cost of the sensor. Indeed, even with a thin-film design of strain gauges in a single vacuum cycle from a single sample, the spread of the TCS on one elastic element reaches ± 10% or more, which leads to the need to compensate for the additive temperature error.
Во втором случае неизменность ТКС балансируемого плеча мостовой цепи достигается за счет лазерной или электроэрозионной подгонки тензорезисторов датчиков в микроэлектронном исполнении, что осуществляется достаточно просто. Однако эта технология подгонки тензорезисторов имеет свои недостатки:In the second case, the invariance of the TCS of the balanced shoulder of the bridge circuit is achieved due to laser or electroerosive adjustment of the strain gauges of the sensors in microelectronic design, which is quite simple. However, this technology for fitting strain gages has its drawbacks:
- значительно увеличивается временная нестабильность доработанного тензорезистора за счет нарушения поверхностного слоя пленки;- significantly increases the temporary instability of the modified strain gauge due to violation of the surface layer of the film;
- значительно уменьшается надежность за счет возникновения микротрещин в зоне реза, которые быстро развиваются при воздействии деформаций упругого элемента в процессе эксплуатации.- significantly reduced reliability due to the occurrence of microcracks in the cutting zone, which quickly develop when exposed to deformations of the elastic element during operation.
Влияние несоответствия ТКС балансировочного резистора ТКС рабочего плеча на аддитивную температурную погрешность рассмотрим на примере.The effect of the mismatch of the TCS of the balancing resistor of the TCS of the working arm on the additive temperature error will be considered as an example.
ПримерExample
Определить изменение аддитивной температурной чувствительности тензорезисторного датчика с равноплечей мостовой измерительной цепью при балансировке датчика сопротивлением с ТКС, отличным от ТКС тензорезистора балансируемого плеча, если известно:Determine the change in the additive temperature sensitivity of the strain gauge sensor with an equal-arm bridge measuring circuit when balancing the sensor with a resistance with a TCS different from the TCS of the balanced arm, if it is known:
- сопротивление плеч R=1000 Ом;- shoulder resistance R = 1000 Ohms;
- ТКС тензорезисторов соответственно α1=4,5·10-4 1/°С; α2=α3=α4=4,0·10-4 1/°С;- TCS strain gages respectively α 1 = 4,5 · 10 -4 1 / ° C; α 2 = α 3 = α 4 = 4.0 · 10 −4 1 / ° C;
- ТКС компенсационного термозависимого резистора αβ=40·10-4 1/°С;- TCS compensation thermally dependent resistor α β = 40 · 10 -4 1 / ° C;
- суммарное относительное изменение сопротивления мостовой цепи от номинального значения измеряемого параметра ;- the total relative change in the resistance of the bridge circuit from the nominal value of the measured parameter ;
- ТКС балансировочного резистора αб=3,5·10-4 1/°С;- TCS balancing resistor α b = 3.5 · 10 -4 1 / ° C;
- диапазон изменения температуры Δt=100°С;- the range of temperature changes Δt = 100 ° C;
- допустимое значение аддитивной температурной чувствительности датчика после настройки должно быть в пределах Sot=±1·10-4 1/°С.- the permissible value of the additive temperature sensitivity of the sensor after adjustment should be within S ot = ± 1 · 10 -4 1 / ° С.
РешениеDecision
Согласно Патенту RU 2265802 C1, G01В 7/16, считая, что в исходном состоянии мостовая измерительная цепь сбалансирована (по условию задачи все плечи равны), и так как (α1+α4)-(α2+α3)=0,5·10-4 1/°C, то с ростом температуры начальный уровень выходного сигнала будет изменяться в положительную сторону. Следовательно, компенсационный термозависимый резистор необходимо включать в плечи воспринимающие деформацию сжатия от измеряемого параметра, то есть последовательно тензорезисторам R2 или R3. Тогда балансировку необходимо осуществлять включением резистора Rб последовательно тензорезисторам R1 или R4. Выберем плечо включения компенсационного термозависимого резистора R2, а плечо включения балансировочного резистора R1. Величину компенсационного термозависимого резистора можно рассчитать по формулеAccording to Patent RU 2265802 C1, G01В 7/16, assuming that in the initial state the bridge measuring circuit is balanced (according to the condition of the task, all shoulders are equal), and since (α 1 + α 4 ) - (α 2 + α 3 ) = 0 5 · 10 -4 1 / ° C, then with increasing temperature the initial level of the output signal will change in a positive direction. Therefore, a compensating thermally dependent resistor must be included in the shoulders perceiving compression deformation from the measured parameter, that is, in series with strain gauges R 2 or R 3 . Then the balancing must be done by turning on the resistor R b in series with the strain gages R 1 or R 4 . Choose the arm of the compensation thermally dependent resistor R 2 , and the arm of the balancing resistor R 1 . The value of the compensation thermally dependent resistor can be calculated by the formula
Для случая балансировки мостовой цепи без изменения ТКС плеча R1 его номинал будет равен R1общ=R1+Rб=1000+14,0845=1014,0845 Ом, где Rб=Rβ - балансировочный резистор с αб=α1=4,5·10-4 1/°С. Тогда можно оценить температурное изменение начального уровня выходного сигнала и аддитивную температурную чувствительность датчика:For the case of balancing the bridge circuit without changing the TCS of the arm R 1, its nominal value will be R 1total = R 1 + R b = 1000 + 14.0845 = 1014.0845 Ohm, where R b = R β is a balancing resistor with α b = α 1 = 4.5 · 10 -4 1 / ° C. Then you can evaluate the temperature change in the initial level of the output signal and the additive temperature sensitivity of the sensor:
1. Без проведения настройки1. Without configuration
- начальный выходной сигнал датчика при нормальной температуре- initial sensor output at normal temperature
- начальный выходной сигнал датчика при Δt=100°С- initial sensor output signal at Δt = 100 ° С
- изменение начального выходного сигнала от изменения температуры- change in the initial output signal from temperature changes
ΔUot=Uot-Uo=12,225·10-4Un,ΔU ot = U ot -U o = 12,225 · 10 -4 U n ,
- аддитивная температурная чувствительность датчика- additive temperature sensitivity of the sensor
где Un - напряжение питания датчика;where U n is the voltage of the sensor;
к=R1/R2=R3/R4 - коэффициент симметрии мостовой цепи;k = R 1 / R 2 = R 3 / R 4 is the symmetry coefficient of the bridge circuit;
Uном - номинальный выходной сигнал датчика при номинальном значении измеряемого параметра.U nom - the nominal output signal of the sensor at the nominal value of the measured parameter.
2. После проведения настройки2. After setting
- начальный выходной сигнал датчика при нормальной температуре- initial sensor output at normal temperature
Uo=0,U o = 0,
- начальный выходной сигнал датчика при Δt=100°С- initial sensor output signal at Δt = 100 ° С
- аддитивная температурная чувствительность датчика- additive temperature sensitivity of the sensor
Sot=0S ot = 0
Таким образом, используемый способ настройки позволяет получить полную компенсацию аддитивной температурной погрешности. Однако технологическая точность изготовления компенсационного термозависимого и балансировочного резисторов позволяет получить номиналы этих сопротивлений в пределах Rβ=Rб=14,1±0,05 Ом.Thus, the adjustment method used allows one to obtain full compensation of the additive temperature error. However, the technological accuracy of manufacturing compensation thermally dependent and balancing resistors allows you to get the values of these resistances within R β = R b = 14.1 ± 0.05 Ohms.
Примем Rβ=14,15 Ом и Rб=14,1 Ом. Take R β = 14.15 Ohms and R b = 14.1 Ohms.
В этом случае: Uo=-0,12·10-4Uп; Uot=0,03·10-4Uп; ΔUot=0,15·10-4Uп; Sot=0,6·10-4 1/°C. Полученные результаты говорят о необходимости высокоточного выполнения номиналов компенсационного и балансировочного резисторов.In this case: U o = -0.12 · 10 -4 U p ; U ot = 0.03 · 10 -4 U p ; ΔU ot = 0.15 · 10 -4 U p ; S ot = 0.6 · 10 -4 1 / ° C. The results obtained indicate the need for high-precision performance of the values of the compensation and balancing resistors.
Для случая балансировки мостовой цепи сопротивлением с ТКС, отличным от ТКС балансируемого плеча, в соответствии с исходными данными без учета технологических возможностей изготовления резисторов.For the case of balancing the bridge circuit by resistance with a TCS different from the TCS of the balanced arm, in accordance with the initial data without taking into account the technological capabilities of manufacturing resistors.
В этом случае: Uo=0; ΔUot=Uot=0,332·10-4Uп; Sot=1,33·10-4 1/°С. Учет технологических возможностей изготовления компенсационного и балансировочного резисторов даст еще большую температурную нескомпенсированность аддитивной погрешности, которую можно оценить в пределах Sot=±2,0·10-4 1/°С.In this case: U o = 0; ΔU ot = U ot = 0.332 · 10 -4 U p ; S ot = 1.33 · 10 -4 1 / ° C. Taking into account the technological capabilities of manufacturing compensation and balancing resistors will give even greater temperature uncompensation of the additive error, which can be estimated within S ot = ± 2.0 · 10 -4 1 / ° С.
Таким образом, разброс ТКС балансировочного резистора и рабочего тензорезистора даже в пределах 10% не позволяет получить требуемую степень компенсации аддитивной температурной погрешности. Отсюда следует вывод о необходимости разработки способа компенсации аддитивной температурной погрешности с учетом разного значения ТКС балансировочного резистора и тензорезистора балансируемого плеча.Thus, the spread of the TCS of the balancing resistor and the working strain gauge even within 10% does not allow us to obtain the required degree of compensation of the additive temperature error. This leads to the conclusion that it is necessary to develop a method for compensating the additive temperature error taking into account the different values of the TCS of the balancing resistor and the strain gauge of the balanced arm.
Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по аддитивной температурной погрешности, который позволил бы повысить надежность, технологичность и точность компенсации аддитивной температурной погрешности в процессе настройки.The task to which the claimed invention is directed is to develop a method for tuning strain gauge sensors with a bridge measuring circuit for an additive temperature error, which would improve the reliability, manufacturability and accuracy of compensating additive temperature errors during the setup process.
Технический результат - повышение надежности, технологичности и точности в процессе настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по аддитивной температурной погрешности.The technical result is an increase in reliability, manufacturability and accuracy in the process of tuning strain gauge sensors with a bridge measuring circuit for an additive temperature error.
Указанный технический результат достигается тем, что расчет компенсационного резистора производят для предварительно сбалансированной мостовой схемы из условия выравнивания сумм ТКС тензорезисторов, попарно находящихся в противолежащих плечах мостовой схемы с учетом изменения ТКС балансируемого плеча при последовательном подключении к рабочему тензорезистору балансировочного резистора с ТКС отличающемся от ТКС тензорезистора.The specified technical result is achieved by the fact that the calculation of the compensation resistor is performed for a pre-balanced bridge circuit from the condition of equalizing the sums of TCS strain gages that are pairwise located in opposite shoulders of the bridge circuit taking into account changes in the TCS of the balanced arm when the balancing resistor with TCS is connected in series with the strain gauge different from the TCS of the strain gauge .
Это достигается тем, что после определения плеча подключения компенсационного термозависимого резистора определяют плечо подключения балансировочного резистора из условия знака начального выходного сигнала при подключении компенсационного термозависимого резистора. При подключении компенсационного термозависимого резистора в плечи воспринимающие деформацию растяжения (плечо R1 или R4) начальный выходной сигнал будет изменяться в положительную сторону, тогда балансировочный резистор необходимо включать в прилежащие плечи относительно плеча подключения компенсационного резистора, то есть в плечи, воспринимающие деформацию сжатия (плечо R2 или R3). При подключении компенсационного термозависимого резистора в плечи воспринимающие деформацию сжатия (плечо R2 или R3) начальный выходной сигнал будет изменяться в отрицательную сторону, тогда балансировочный резистор необходимо включать в прилежащие плечи относительно плеча подключения компенсационного термозависимого резистора, то есть в плечи, воспринимающие деформацию растяжения (плечо R1 или R4).This is achieved by the fact that after determining the connection arm of the compensation thermally dependent resistor, the connection arm of the balancing resistor is determined from the condition of the sign of the initial output signal when the compensation thermally dependent resistor is connected. When a compensating thermally dependent resistor is connected to the arms receiving tensile strain (arm R 1 or R 4 ), the initial output signal will change in the positive direction, then the balancing resistor must be included in the adjacent arms relative to the arm connecting the compensating resistor, that is, to the arms that receive compression deformation ( shoulder R 2 or R 3 ). When a compensating thermally dependent resistor is connected to the shoulders receiving compression deformation (shoulder R 2 or R 3 ), the initial output signal will change in the negative direction, then the balancing resistor must be included in the adjacent shoulders relative to the connecting arm of the compensating thermally dependent resistor, that is, to the shoulders receiving the tensile strain (shoulder R 1 or R 4 ).
Расчет номинала компенсационного термозависимого резистора производят исходя из того, что аддитивная температурная погрешность сбалансированной мостовой схемы зависит только от равенства сумм ТКС тензорезисторов, попарно расположенных в противолежащих плечах мостовой схемы. При этом рассчитывают ТКС плеч, к которым подключаются компенсационный термозависимый и балансировочный резисторы, так как их подключение изменяют ТКС одноименных плеч, и с учетом изменения их ТКС производят расчет номинала компенсационного термозависимого резистора для заданных значений ТКС компенсационного термозависимого и балансировочного резисторов.The calculation of the nominal compensation temperature-dependent resistor is based on the fact that the additive temperature error of the balanced bridge circuit depends only on the equality of the sums of TCS strain gages, located in pairs in opposite shoulders of the bridge circuit. In this case, the TCS of the arms are calculated, to which the compensated thermally dependent and balancing resistors are connected, since their connection changes the TCS of the same arms, and taking into account the changes in their TCS, the nominal value of the compensated thermally dependent resistor is calculated for the specified values of the TCS of the compensated thermally dependent and balancing resistors.
После подключения расчетного значения компенсационного термозависимого резистора с заданным ТКС в ранее выбранное плечо производят балансировку мостовой цепи подключением балансировочного резистора с заданным ТКС в ранее выбранное плечо. Номинал балансировочного резистора определяется экспериментальным путем, например, после подключения переменного резистора в выбранное плечо.After connecting the calculated value of the thermally dependent compensation resistor with the specified TCS to the previously selected arm, the bridge circuit is balanced by connecting the balancing resistor with the specified TCS to the previously selected arm. The value of the balancing resistor is determined experimentally, for example, after connecting a variable resistor to the selected arm.
В зависимости от конструктивного исполнения датчика балансировочный резистор может устанавливаться либо непосредственно на упругом элементе (УЭ) в зоне установки рабочих тензорезисторов, либо вне его, в зоне отсутствия температурного влияния измеряемой среды (например, во вторичном преобразователе). Это накладывает свои специфические требования как на конструктивное исполнение, так и выбор ТКС балансировочного резистора. При установке компенсационного термозависимого и балансировочного резисторов (компенсационные элементы) на УЭ, к ним предъявляются следующие требования:Depending on the design of the sensor, the balancing resistor can be installed either directly on the elastic element (RE) in the installation zone of the working strain gages, or outside it, in the absence of temperature influence of the measured medium (for example, in the secondary converter). This imposes its specific requirements on both the design and the choice of a TCS balancing resistor. When installing temperature-dependent compensation and balancing resistors (compensation elements) on the UE, the following requirements are imposed on them:
- для исключения градиента температур между рабочими тензорезисторами и компенсационными элементами, последние должны располагаться на упругом элементе в зоне установки рабочих тензорезисторов и изготавливаться по той же технологии, что и рабочие тензорезисторы;- to exclude the temperature gradient between the working strain gages and the compensation elements, the latter should be located on the elastic element in the installation zone of the working strain gages and be manufactured using the same technology as the working strain gages;
- для получения максимальной эффективности компенсации аддитивной температурной погрешности ТКС компенсационного термозависимого резистора должен иметь максимально возможное значение для выбранной технологии изготовления.- in order to obtain the maximum compensation efficiency for the additive temperature error, the TCS of the compensating thermally dependent resistor should have the maximum possible value for the selected manufacturing technology.
- для получения максимальной эффективности компенсации аддитивной температурной погрешности ТКС балансировочного резистора αб должен находится в пределах ТКС рабочих тензорезисторов αi, то есть в пределах αб=0÷αi.- to obtain maximum compensation efficiency for the additive temperature error of the TCS of the balancing resistor, α b must be within the TCS of the working strain gages α i , that is, within the limits of α b = 0 ÷ α i .
Если ТКС балансировочного резистора будет выходить за заданные пределы, то эффективность компенсации будет резко уменьшаться. Действительно, так как подключение балансировочного резистора с меньшим ТКС, чем αi, приводит к уменьшению ТКС плеча мостовой цепи по сравнению с ТКС тензорезистора, то для компенсации необходимо использовать компенсационный термозависимый резистор меньшего номинала, то есть эффективность компенсации увеличивается. При ТКС балансировочного резистора больше чем αI, общий ТКС плеча увеличивается, что приводит к увеличению компенсационного термозависимого резистора, то есть эффективность компенсации уменьшается, а номинал компенсационного термозависимого резистора может достичь недопустимо больших величин. При использовании балансировочного резистора с отрицательным значением ТКС может произойти перекомпенсация аддитивной температурной погрешности и даже может наступить момент смены плеча включения компенсационного термозависимого резистора.If the TCS of the balancing resistor goes beyond the specified limits, then the compensation efficiency will decrease sharply. Indeed, since the connection of a balancing resistor with a lower TCS than α i leads to a decrease in the TCS of the bridge arm compared to the TCS of the strain gage, it is necessary to use a compensation thermally dependent resistor of a lower nominal value, i.e., the compensation efficiency increases. When the TCS of the balancing resistor is greater than α I , the total TCS of the arm increases, which leads to an increase in the compensation thermally dependent resistor, that is, the compensation efficiency decreases, and the nominal value of the compensation thermally dependent resistor can reach unacceptably large values. When using a balancing resistor with a negative TCR value, an overcompensation of the additive temperature error can occur and even the moment of changing the arm of the inclusion of a compensation thermally dependent resistor may occur.
Для второго случая конструктивного исполнения балансировочного резистора, когда обязательно присутствует градиент температур между рабочими тензорезисторами и балансировочным резистором, полностью отсутствует требование к технологии изготовления балансировочного резистора. Однако присутствует жесткое требование по ТКС, который должен быть максимально близок к нулю и должен быть не больше чем ±0,5% αi.For the second case of the design of the balancing resistor, when a temperature gradient is necessarily present between the working strain gages and the balancing resistor, there is completely no requirement for the manufacturing technology of the balancing resistor. However, there is a strict requirement for TCS, which should be as close to zero as possible and should be no more than ± 0.5% α i .
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
В предлагаемом способе, как и в случае компенсации по прототипу, компенсация достигается за счет выравнивания ТКС тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи с одновременной балансировкой мостовой схемы.In the proposed method, as in the case of compensation according to the prototype, compensation is achieved by aligning the TCS strain gages included in the opposite shoulders of the bridge measuring circuit while balancing the bridge circuit.
Он основан на том, что изменение начального уровня выходного сигнала сбалансированной мостовой схемы зависит только от разбросов ТКС резисторов. Это означает, что для компенсации аддитивной температурной погрешности необходимо выполнить условие баланса мостовой схемы при воздействии температуры, которое будет определяться равенством сумм ТКС противолежащих плеч (α1+α4)-(α2+α3)=0, то есть необходимо выровнить ТКСы плеч мостовой цепи.It is based on the fact that a change in the initial level of the output signal of a balanced bridge circuit depends only on the spread of the TCS resistors. This means that to compensate for the additive temperature error, it is necessary to fulfill the balance condition of the bridge circuit under the influence of temperature, which will be determined by the equality of the sums of TCS of the opposite shoulders (α 1 + α 4 ) - (α 2 + α 3 ) = 0, that is, it is necessary to align the TCS shoulders of the bridge chain.
Но так как последовательное включение к рабочим тензорезисторам компенсационных элементов изменяет ТКСы плеч, к которым они подключаются, то для выполнения температурного баланса мостовой цепи при одновременной ее балансировке необходимо рассчитать ТКСы этих плеч из условия баланса мостовой цепи.But since the series connection of compensation elements to the working strain gauges changes the TCS of the arms to which they are connected, then to perform the temperature balance of the bridge circuit while balancing it, it is necessary to calculate the TCS of these arms from the balance condition of the bridge circuit.
Приведем вывод выражения для расчета номинала компенсационного термозависимого резистора Rβ, подключаемого в плечо R1, при одновременной балансировке мостовой цепи балансировочным резистором Rб, подключаемым в плечо R2.Here is the derivation of the expression for calculating the nominal value of the compensation thermally dependent resistor R β connected to the shoulder R 1 , while balancing the bridge circuit balancing resistor R b connected to the shoulder R 2 .
При последовательном подключении компенсационного резистора Rβ к тензорезистору R1 общее сопротивление плеча станетWhen the compensation resistor R β is connected in series to the strain gauge R 1, the total arm resistance becomes
R1общ=R1+Rβ.R 1total = R 1 + R β .
Изменение общего сопротивления плеча при изменении температурыChange in total shoulder resistance with temperature
ΔR1общt=R1·α1·Δt+Rβ·αβ·t,ΔR 1 total = R 1 · α 1 · Δt + R β · α β · t,
где α1 и αβ - ТКСы тензорезистора R1 и компенсационного резистора Rβ;where α 1 and α β are the TCS of the strain gauge R 1 and the compensation resistor R β ;
Δt - диапазон изменения температуры.Δt is the temperature range.
ТКС общего сопротивления плечаTCS total shoulder resistance
При последовательном подключении балансировочного резистора Rб к тензорезистору R2 при одновременном подключении компенсационного резистора условие балансировки мостовой цепи примет видWhen the balancing resistor R b is connected in series to the strain gauge R 2 while the compensation resistor is connected at the same time, the bridge circuit balancing condition will take the form
(R1+Rβ)·R4=(R2+Rб)·R3.(R 1 + R β ) · R 4 = (R 2 + R b ) · R 3 .
Откуда величина балансировочного резистора определится какWhere does the value of the balancing resistor be defined as
Аналогично с выводом выражения (1), общий ТКС плеча R2общ после подключения балансировочного резистора будет иметь видSimilarly, with the derivation of expression (1), the total TCS of the shoulder R 2total after connecting the balancing resistor will be
где αб и α2 - ТКСы балансировочного резистора и плеча R2 мостовой цепи соответственно.where α b and α 2 - TCS balancing resistor and shoulder R 2 of the bridge circuit, respectively.
Подставляя в полученное уравнение выражение (2), получимSubstituting expression (2) into the obtained equation, we obtain
Зная ТКСы всех плеч мостовой цепи с учетом подключения компенсационных элементов можно, используя выражения (1) и (3), составить уравнение температурного баланса мостовой цепиKnowing the TCS of all the arms of the bridge circuit, taking into account the connection of the compensation elements, using expressions (1) and (3), we can draw up the equation of the temperature balance of the bridge circuit
где α3, α4 - ТКСы соответствующих плеч мостовой цепи.where α 3 , α 4 - TCS of the corresponding shoulders of the bridge chain.
Решая уравнение (4) относительно компенсационного термозависимого резистора Rβ, получимSolving equation (4) with respect to the compensation thermally dependent resistor R β , we obtain
Полученное выражение (5) резистора позволяет рассчитать номинал компенсационного термозависимого резистора с учетом последующей балансировки мостовой цепи резистором Rб с заданным ТКС (αб).The resulting expression (5) of the resistor allows you to calculate the value of the compensation thermally dependent resistor taking into account the subsequent balancing of the bridge circuit by the resistor R b with a given TCS (α b ).
Аналогично рассуждая, можно вывести выражения для расчета номиналов компенсационных термозависимых резисторов для всех возможных вариантов включения компенсационных элементов.Arguing in the same way, we can derive expressions for calculating the nominal values of compensating thermally dependent resistors for all possible options for including compensation elements.
При включении Rβ в плечо R1 и Rб в плечо R3 When you include R β in the shoulder R 1 and R b in the shoulder R 3
При включении Rβ в плечо R4 и Rб в плечо R2 When you include R β in the shoulder R 4 and R b in the shoulder R 2
При включении Rβ в плечо R4, и Rб в плечо R3 When you include R β in the shoulder R 4 , and R b in the shoulder R 3
Рассмотренные варианты включения охватывают все варианты при включении компенсационного термозависимого резистора последовательно с тензорезисторами, воспринимающими деформацию растяжения, а включение балансировочного резистора последовательно с тензорезисторами, воспринимающими деформацию сжатия. Анализ полученных выражений позволяет вывести обобщенное выражение для расчета номинала компенсационного термозависимого резистора для всех рассмотренных случаев. Таким образом, при включении компенсационного термозависимого резистора в любое плечо, воспринимающее деформацию растяжения, а включение балансировочного резистора в любое плечо, воспринимающее деформацию сжатия, компенсационный термозависимый резистор можно рассчитать по формулеThe inclusion options considered cover all options when a compensating thermally dependent resistor is connected in series with strain gauges that sense tensile strain, and the inclusion of a balancing resistor in series with strain gauges that sense compression strain. An analysis of the obtained expressions allows us to derive a generalized expression for calculating the nominal value of a compensating thermally dependent resistor for all considered cases. Thus, when a compensating thermally dependent resistor is included in any arm that is sensitive to tensile strain, and the inclusion of a balancing resistor in any arm that is sensitive to compressive strain, the compensating thermally dependent resistor can be calculated by the formula
где Rк и Rп - номинал сопротивления тензорезистора плеча, к которому подключается компенсационный термозависимый резистор и противолежащего плеча соответственно;where R to and R p - the nominal resistance of the strain gauge of the shoulder, which is connected to a compensating thermally dependent resistor and the opposite shoulder, respectively;
Rсб и Rс - номинал сопротивления тензорезистора к которому подключается балансировочный резистор, смежного относительно тензорезистора к которому подключается компенсационный термозависимый резистор и второго смежного плеча соответственно;R sb and R s are the resistance value of the strain gage to which the balancing resistor is connected, adjacent to the strain gage to which the compensation thermally dependent resistor and the second adjacent arm are connected, respectively;
αс и αсб - температурные коэффициенты сопротивления тензорезисторов соответственно Rс и Rсб, смежных плеч схемы относительно плеча, к которому подключают компенсационный термозависимый резистор;α s and α sb are temperature coefficients of resistance of strain gages respectively R s and R sb of adjacent arms of the circuit relative to the arm to which a compensation thermally dependent resistor is connected;
αк и αп - температурный коэффициент сопротивления тензорезистора плеча, к которому подключается компенсационный термозависимый резистор и противолежащего плеча соответственно;α to and α p - temperature coefficient of resistance of the strain gage of the shoulder, to which is connected a compensating thermally dependent resistor and the opposite shoulder, respectively;
αβ и αб - температурные коэффициенты сопротивлений компенсационного термозависимого Rβ и балансировочного Rб резисторов соответственно;α β and α b are the temperature coefficients of the resistances of the compensation thermally dependent R β and balancing R b resistors, respectively;
При включении Rβ в плечо R2 и Rб в плечо R1 When you enable R β in the shoulder R 2 and R b in the shoulder R 1
При включении Rβ в плечо R2 и Rб в плечо R4 When you include R β in the shoulder R 2 and R b in the shoulder R 4
При включении Rβ в плечо R3 и Rб в плечо R1 When you enable R β in the shoulder R 3 and R b in the shoulder R 1
При включении Rβ в плечо R3 и Rб в плечо R4 When you include R β in the shoulder R 3 and R b in the shoulder R 4
Рассмотренные варианты включения охватывают все варианты при включении компенсационного термозависимого резистора последовательно с тензорезисторами, воспринимающими деформацию сжатия, а включение балансировочного резистора последовательно с тензорезисторами, воспринимающими деформацию растяжения. Анализ полученных выражений позволяет вывести обобщенное выражение для расчета номинала компенсационного термозависимого резистора для всех рассмотренных случаев. Таким образом, при включении компенсационного термозависимого резистора в любое плечо, воспринимающее деформацию сжатия, а включение балансировочного резистора в любое плечо, воспринимающее деформацию растяжения, компенсационный термозависимый резистор можно рассчитать по формулеThe inclusion options considered cover all options when a compensating thermally dependent resistor is connected in series with strain gauges that sense compression deformation, and the inclusion of a balancing resistor in series with strain gauges that sense tensile strain. An analysis of the obtained expressions allows us to derive a generalized expression for calculating the nominal value of a compensating thermally dependent resistor for all considered cases. Thus, when a compensating thermally dependent resistor is included in any arm that receives compression deformation, and the inclusion of a balancing resistor in any arm that accepts tensile strain, the compensated thermally dependent resistor can be calculated by the formula
Сравнивая уравнения (6) и (7), можно вывести общее выражение для расчета компенсационного термозависимого резистора для всех возможных случаев подключения компенсационных элементовComparing equations (6) and (7), we can derive a general expression for calculating a compensation thermally dependent resistor for all possible cases of connecting compensation elements
где арифметические знаки (+) и (-) берутся по верхним значениям при установке компенсационного термозависимого резистора в плечи, воспринимающие деформацию растяжения, а по нижним значениям при установке компенсационного термозависимого резистора в плечи, воспринимающие деформацию сжатия.where the arithmetic signs (+) and (-) are taken from the upper values when installing a compensating thermally dependent resistor in the shoulders, perceiving tensile strain, and by the lower values when installing a compensating thermally dependent resistor in the shoulders, perceiving compression deformation.
После установки компенсационного термозависимого резистора с расчетным номиналом и ранее определенными значениями ТКС и плеча установки, производят балансировку мостовой схемы за счет последовательного подключения к определенному ранее плечу балансировочного резистора с ранее выбранным ТКС равным αб. Номинал балансировочного резистора определяется экспериментальным путем, например, после подключения переменного резистора в выбранное плечо.After installing a compensating thermally dependent resistor with a rated value and previously determined TCS values and the installation arm, the bridge circuit is balanced by connecting a balancing resistor with the previously selected TCS arm with a previously selected TCS equal to α b . The value of the balancing resistor is determined experimentally, for example, after connecting a variable resistor to the selected arm.
Предлагаемый способ компенсации позволяет простыми методами выбрать вариант схемы компенсации. Повышение точности компенсации аддитивной температурной погрешности достигается тем, что:The proposed compensation method allows simple methods to choose a compensation scheme option. Improving the accuracy of compensation of the additive temperature error is achieved by the fact that:
- в процессе определения номинала компенсационного резистора произведен учет влияния на ТКС балансируемого плеча номинала и ТКС балансировочного резистора;- in the process of determining the nominal value of the compensation resistor, the influence on the TCS of the balanced arm of the nominal and the TCS of the balancing resistor is taken into account;
- определены критерии по выбору ТКС компенсационных элементов в зависимости от технологии изготовления и места установки их в конструкции датчика.- the criteria for the selection of TCS compensation elements are determined depending on the manufacturing technology and their installation location in the sensor design.
Повышение надежности при эксплуатации датчика в микроэлектронном исполнении происходит за счет исключения влияния лазерной или электроэрозионной подгонки тензорезисторов.The increase in reliability during operation of the sensor in microelectronic design is due to the exclusion of the influence of laser or electroerosive fitting of strain gauges.
Повышение технологичности в процессе изготовления датчика достигается за счет исключения жестких требований к получению заданного ТКС при изготовлении балансировочного резистора, при этом достаточно определить ТКС с точностью до ±0,5%.Improving manufacturability in the manufacturing process of the sensor is achieved by eliminating the stringent requirements for obtaining a given TCS in the manufacture of a balancing resistor, it is sufficient to determine the TCS with an accuracy of ± 0.5%.
Для проверки точности предлагаемого способа рассмотрим пример настройки датчика по аддитивной температурной погрешности.To verify the accuracy of the proposed method, we consider an example of tuning the sensor for additive temperature error.
ПримерExample
Провести компенсацию аддитивной температурной погрешности тензорезисторного датчика с параллельно-симметричной мостовой измерительной цепью, если известно:Compensate for the additive temperature error of the strain gauge sensor with a parallel-symmetric bridge measuring circuit, if it is known:
- сопротивления тензорезисторов мостовой цепи соответственно равны R1=R3=1000 Ом; R2=R4=500 Ом;- the resistance of the strain gauges of the bridge circuit are respectively equal to R 1 = R 3 = 1000 Ohms; R 2 = R 4 = 500 Ohms;
- ТКСы тензорезисторов соответственно равны α1=4,4·10-4 1/°С; α2=α3=α4=4·10-4 1/°C;- TCS strain gages are respectively equal to α 1 = 4.4 · 10 -4 1 / ° C; α 2 = α 3 = α 4 = 4 · 10 -4 1 / ° C;
- ТКС компенсационного термозависимого резистора αβ=40·10-4 1/°С;- TCS compensation thermally dependent resistor α β = 40 · 10 -4 1 / ° C;
- суммарное относительное изменение сопротивления мостовой цепи от номинального значения измеряемого параметра ;- the total relative change in the resistance of the bridge circuit from the nominal value of the measured parameter ;
- ТКС балансировочного резистора αб=4·10-6 1/°С;- TCS balancing resistor α b = 4 · 10 -6 1 / ° C;
- диапазон изменения температуры Δt=100°С;- the range of temperature changes Δt = 100 ° C;
- допустимое значение аддитивной температурной чувствительности датчика после настройки должно быть в пределах Sot=±1·10-4 1/°С.- the permissible value of the additive temperature sensitivity of the sensor after adjustment should be within S ot = ± 1 · 10 -4 1 / ° С.
РешениеDecision
Считая, что в исходном состоянии мостовая измерительная цепь сбалансирована (по условию задачи смежные плечи равны), и так как (α1+α4)-(α2+α3)=0,5·10-4 1/°C, то с ростом температуры начальный уровень выходного сигнала будет изменяться в положительную сторону. Следовательно, компенсационный термозависимый резистор необходимо включать в плечи воспринимающие деформацию сжатия от измеряемого параметра, то есть последовательно тензорезисторам R2 или R3. Тогда балансировку необходимо осуществлять включением резистора Rб последовательно тензорезисторам R1 или R4. Выберем плечо включения компенсационного термозависимого резистора R2, а плечо включения балансировочного резистора R1. Величину резистора Rβ можно рассчитать по формуле (7)Assuming that in the initial state the bridge measuring circuit is balanced (according to the condition of the problem, the adjacent arms are equal), and since (α 1 + α 4 ) - (α 2 + α 3 ) = 0.5 · 10 -4 1 / ° C, then with increasing temperature, the initial level of the output signal will change in a positive direction. Therefore, a compensating thermally dependent resistor must be included in the shoulders perceiving compression deformation from the measured parameter, that is, in series with strain gauges R 2 or R 3 . Then the balancing must be done by turning on the resistor R b in series with the strain gages R 1 or R 4 . Choose the arm of the compensation thermally dependent resistor R 2 , and the arm of the balancing resistor R 1 . The value of the resistor R β can be calculated by the formula (7)
Величину балансировочного резистора можно рассчитать по формулеThe value of the balancing resistor can be calculated by the formula
Начальный уровень выходного сигнала мостовой цепи после температурной настройки можно определить по формулеThe initial level of the output signal of the bridge circuit after the temperature setting can be determined by the formula
Начальный уровень выходного сигнала мостовой цепи при изменении температуры после температурной настройки можно определить по формулеThe initial level of the output signal of the bridge circuit when the temperature changes after the temperature setting can be determined by the formula
Изменение начального уровня выходного сигнала от изменения температуры после температурной настройки можно определить какThe change in the initial level of the output signal from a change in temperature after the temperature setting can be defined as
ΔUot=Uot-Uo=Un·(-4+1)·10-7=-3·10-7Un.ΔU ot = U ot -U o = U n · (-4 + 1) · 10 -7 = -3 · 10 -7 U n .
Аддитивная температурная чувствительность датчика после температурной настройкиAdditive temperature sensitivity of the sensor after temperature setting
Из приведенного расчета видно, что предлагаемый способ компенсации обеспечивает требуемую точность минимизации аддитивной температурной погрешности.From the above calculation it is seen that the proposed compensation method provides the required accuracy of minimizing the additive temperature error.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006104493/28A RU2298147C1 (en) | 2006-02-13 | 2006-02-13 | Mode of tuning of resistive-strain sensors with a bridge measuring circuit according to an additive temperature error |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006104493/28A RU2298147C1 (en) | 2006-02-13 | 2006-02-13 | Mode of tuning of resistive-strain sensors with a bridge measuring circuit according to an additive temperature error |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2298147C1 true RU2298147C1 (en) | 2007-04-27 |
Family
ID=38106981
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006104493/28A RU2298147C1 (en) | 2006-02-13 | 2006-02-13 | Mode of tuning of resistive-strain sensors with a bridge measuring circuit according to an additive temperature error |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2298147C1 (en) |
-
2006
- 2006-02-13 RU RU2006104493/28A patent/RU2298147C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2450244C1 (en) | Method of setting for strain gage resistors with bridge measurement circuit as per multiplicative temperature error with consideration of non-linear temperature response of output sensor signal | |
JP6714083B2 (en) | Sensor element for pressure sensor | |
RU2443973C1 (en) | Method of adjusting tensoresistor sensors with bridge measurement circuit based on multiplicative temperature error taking into account nonlinearity of temperature characteristic of sensor output signal | |
RU2444700C1 (en) | Method to adjust strain gauges with bridge measuring circuit by multiplicative temperature error with account of non-linearity of temperature characteristic of gauge output signal | |
RU2498249C1 (en) | Manufacturing method of resistive strain-gauge pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system | |
EP0422890A2 (en) | Force measuring device with zero adjustment | |
RU2408839C1 (en) | Method of adjusting tensoresistor sensors with bridge measurement circuit on multiplicative temperature error taking into account nonlinearity of sensor output signal temperature characteristic | |
RU2298147C1 (en) | Mode of tuning of resistive-strain sensors with a bridge measuring circuit according to an additive temperature error | |
RU2307317C1 (en) | Method of adjusting strain gages | |
CN107430039A (en) | Pressure sensor | |
RU2276325C1 (en) | Method of tuning strain gage | |
EP3321654B1 (en) | Redundant measurement of pseudo differential pressure using absolute pressure sensors | |
RU2401982C1 (en) | Method of adjusting tensoresistor sensors with bridge measurement circuit on multiplicative temperature error taking into account nonlinearity of sensor output signal temperature characteristic | |
RU2307997C1 (en) | Method of adjusting strain-gages | |
RU2302611C1 (en) | Substituded mode of tuning of resistive-strain sensors with a bridge measuring circuit on a multiplicative temperature error | |
US8893554B2 (en) | System and method for passively compensating pressure sensors | |
RU2307998C1 (en) | Method of adjusting strain-gages | |
JP5126852B2 (en) | Multi-point scale manufacturing method and multi-point scale | |
RU2231752C1 (en) | Procedure of tuning of resistance strain-gauge transducers with bridge measurement circuit | |
RU2363928C1 (en) | Indirect method of adjusting strain-gage metal-film transducers, incorporating bridge measuring circuit, with respect to additive temperature error | |
RU2265802C1 (en) | Method of adjusting resistance strain gauges with measuring bridge circuit for additive temperature error | |
RU2267756C1 (en) | Method of compensating additive temperature error of strain-gauges | |
RU2244970C1 (en) | Method for manufacturing temperature-compensated resistive-strain sensor | |
JP4657805B2 (en) | Temperature characteristics adjustment method for thermal flow sensor | |
JPH0125425B2 (en) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080214 |