RU2779813C1 - Мостовой преобразователь сопротивления - Google Patents
Мостовой преобразователь сопротивления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2779813C1 RU2779813C1 RU2021126392A RU2021126392A RU2779813C1 RU 2779813 C1 RU2779813 C1 RU 2779813C1 RU 2021126392 A RU2021126392 A RU 2021126392A RU 2021126392 A RU2021126392 A RU 2021126392A RU 2779813 C1 RU2779813 C1 RU 2779813C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bridge
- resistance
- converter
- increase
- circuit
- Prior art date
Links
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004805 robotic Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static Effects 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000010206 sensitivity analysis Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Использование: мостовой преобразователь сопротивления относится к аналоговой электронике и может использоваться в измерительной технике, в системах автоматического управления техническими объектами и технологическими процессами, включая системы управления релейного типа, в робототехнических системах. Мостовой преобразователь сопротивления состоит из двух функциональных сопротивлений и двух транзисторных источников тока, включенных в смежные стороны моста и охваченных двумя положительными обратными связями. Техническим результатом при реализации заявленного решения является увеличение чувствительности мостового преобразователя сопротивления к внешнему неэлектрическому воздействию, работоспособность мостового преобразователя сопротивления при очень слабых внешних воздействиях за счет увеличения чувствительности мостовой схемы к внешнему воздействию на функциональное сопротивление (резистивный датчик), значительное снижение требуемого коэффициента усиления дифференциального нормирующего усилителя, увеличение стабильности преобразователя по температуре, повышение устойчивости схемы к электромагнитным помехам. 2 ил.
Description
Мостовой преобразователь сопротивления относится к аналоговой электронике и может использоваться в измерительной технике, в системах автоматического управления техническими объектами и технологическими процессами, включая системы управления релейного типа, в робототехнических системах.
Мостовая схема (Уитстона) широко известна и используется для преобразования сопротивления резистивных датчиков первичной информации о состоянии технического объекта в дифференциальное выходное напряжение:
[Устройства и элементы автоматического управления и регулирования. Техническая кибернетика. Книга 1, под. ред. Солодовникова В.В. - М., Машиностроение, 1973, 671 с. Гл. II, П.1.]:
[Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л., Энергоатомиздат, 1988, 304 с. П. 2.4];
[Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М., Сов. радио, 1979. 368 с, П4.4.];
[Меерсон А. М. Измерительная техника. - Л., Энергия, 1978, 408 с. П. 16-10].
Известно устройство для измерения скорости измерения напряжения постоянного и переменного тока [а.с. СССР №62092, кл. G01R 19/12, G01R 17/00, опубл. в бюл. изобр. №10, 1965 г. ], в котором два сопротивления двух соседних ветвей моста Уитстона изготовлены из материала с зависящим от температуры сопротивлением и выполнены с различной тепловой инерцией.
Известен микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции [патент на изобретение RU 2515309 С1, кл. G01R 27/26, опубл. в бюл. изобр. №13, 10.05.2014 г. ], в котором повышение точности измерения и контроль неэлектрических величин резистивными датчиками осуществляется уравновешиванием моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции и использованием микроконтроллера.
Во всех вышеперечисленных известных источниках информации рассматриваются особенности практического использования мостовой резистивной схемы для решения тех или иных технических задач, но не рассматривается и не реализуется задача повышения чувствительности резистивной мостовой схемы и преобразователя сопротивления на ее основе.
Под чувствительностью мостовой схемы принято отношение величины выходного дифференциального напряжения Uвых при некотором неэлектрическом внешнем воздействии на мост к величине синфазного выходного напряжения моста U0, когда он не подвергается внешнему воздействию, то есть находится в состоянии покоя, Uвых=0. Этот параметр не зависит от типа используемого функционального сопротивления и удобен для сравнительной оценки чувствительности различных мостовых преобразователей сопротивления, имеющих различные схемотехнические особенности.
Требуемая чувствительность мостового преобразователя всегда задается, когда необходимо контролировать (измерять) неэлектрические параметры, такие как температура, освещенность или яркость, магнитный поток или магнитная индукция, линейное или угловое перемещение, давление жидкости или газа, вес предмета с помощью различного типа функциональных резисторов (терморезисторов, фотосопротивлений, магниторезисторов, тензорезисторов).
Особенно остро возникает необходимость увеличения чувствительности мостового преобразователя, когда требуется максимально широкий динамический диапазон преобразования сопротивления, особенно при низких значениях преобразуемого неэлектрического параметра.
В таких преобразователях неэлектрических величин в электрический выходной сигнал требуемая чувствительность обеспечивается включением нормирующего усилителя выходного дифференциального напряжения резистивного моста, который должен иметь очень большое входное сопротивление, требуемый коэффициент усиления по напряжению, заданную полосу пропускания и достаточную нагрузочную способность.
Использование нормирующего усилителя с требуемыми параметрами усложняет мостовой преобразователь напряжения, существенно увеличивает количество компонентов и самое главное - снижает его стабильность по температуре, причем, чем больше коэффициент усиления усилителя, тем больше дрейф его выходного напряжения по температуре.
На фиг. 1 представлена наиболее распространенная в измерительной технике и релейных системах контроля и управления технологическими процессами резистивная мостовая схема, в которой R3 и R4 - постоянные резисторы, R5 - резистивный потенциометр для фиксирования начального состояния схемы (U1=U2=U0 и выходное напряжение Uвых=U1-U2=0), R1 и R2 - функциональные резисторы, сопротивление которых зависит от внешнего какого-либо воздействия, например, температуры, светового или магнитного потока, механического давления.
Функциональные резисторы располагаются близко между собой, и один из них должен быть защищен от воздействия контролируемого физического параметра. Это позволяет нейтрализовать влияние температурного дрейфа синфазных напряжений U1 и U2 на выходное дифференциальное напряжение Uвых=U1-U2.
Пусть сопротивление R2 защищенно от внешнего воздействия, то есть маскировано. Функциональные резисторы R1 и R2 идентичны: начальные сопротивления одинаковы Rl=R2=Rx, и они имеют одинаковые коэффициенты относительно изменения сопротивления k при воздействии контролируемого физического параметра.
Дифференциальное выходное напряжение известной мостовой схемы на фиг. 1:
Если функциональный резистор R1, подвергается внешнему воздействию и его сопротивление R1=kRx, резистор R2 защищен от него и его сопротивление R2=Rx, технологический разброс сопротивлений R3 и R4 компенсирован подстроечным сопротивлением R5 и принято равенство R3=R4=R с учетом R5, то функцию преобразования схемы на фиг. 1 можно представить в виде:
Функция (1) имеет экстремум.
Решив уравнение dUвыx/dR=0, получаем условие экстремума R=Rx, при котором выходное напряжение мостовой схемы имеет наибольшую величину:
Из функции (2) следует, что в экстремуме она не зависит от величины начального сопротивления Rx функциональных резисторов R1 и R2, а зависит от напряжения электропитания моста U и коэффициента относительного изменения функциональных сопротивлений k.
В начальном состоянии схемы, при котором она не подвергается внешнему воздействию (k=1), синфазные напряжения U1=U2=U0=U/2.
Чувствительность схемы на фиг. 1 будет иметь величину:
Например, при U=5 В и k=1,1, Uвых=0,119 В и N=0,048,
В измерительной технике и системах автоматического управления реальными объектами выходное напряжение моста нормируется дифференциальным усилителем напряжения с большим входным сопротивлением, поэтому нестабильность схемы по температуре будет определяться температурным дрейфом выходного напряжения усилителя. Причем, чем больше требуемый коэффициент усиления по напряжению дифференциального усилителя, тем больше температурный дрейф его выходного напряжения.
Более того, если в системе автоматического управления контролируемый параметр изменяется медленно, то дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления долго находится в активном режиме работы (на линейном участке своей статической характеристики), являясь при этом приемником электромагнитных помех.
Задачей заявленного изобретения является расширение областей практического использования мостового преобразователя сопротивления, снижение требований к параметрам дифференциального усилителя.
Технический результат - значительное увеличение чувствительности мостового преобразователя сопротивления к внешнему неэлектрическому воздействию, работоспособность мостового преобразователя сопротивления при очень слабых внешних воздействиях за счет увеличения чувствительности мостовой схемы к внешнему воздействию на функциональное сопротивление (резистивный датчик), значительное снижение требуемого коэффициента усиления дифференциального нормирующего усилителя, увеличение стабильности преобразователя по температуре, повышение устойчивости схемы к электромагнитным помехам.
Поставленная задача и технический результат достигаются в мостовом преобразователе сопротивления, состоящем из двух функциональных сопротивлений и двух транзисторных источников тока, включенных в смежные стороны моста и охваченных двумя положительными обратными связями, и двух подстроечных резисторов, сопротивление которых рассчитывается исходя из требуемой чувствительности схемы:
N=[R+({J_+_l_)Rx]R(k-1) k{R2R1 - (R+kRx)(R+Rx)
Сущность заявленного способа повышения чувствительности резистивной мостовой схемы поясняется электрической схемой на фиг.2, в которой резисторы R1 и R2 - резистивные преобразователи (датчики) контролируемого параметра (температуры, освещенности, индукции магнитного поля, электропроводности жидкости), источники тока на биполярных транзисторах VT1 и VT2, управляемые синфазными напряжениями соответственно И2 и И1, то есть связанные между собой двумя положительными обратными связями.
Подстроечный переменный резистор R3 служит для установки начального состояния мостовой схемы, при котором контролируемый параметр не воздействует на резистивные датчики предположить, что транзисторы VT1 и VT2 и резистивные датчики R1, R2 имеют идентичные статические параметры (извлечены из одних упаковок предприятий-изготовителей), то можно принять равенства: R3=R4=R, R1=R2=Rx, и их коэффициенты преобразования одинаковы по величине. В нижеследующем анализе схемы на фиг.2 используется коэффициент R1 и R2. Если
относительного изменения сопротивления резистивных датчиков k. Это позволяет получить простые и наглядные соотношения и формулы.
В схеме на фиг.2 используется два одинаковых резистивных датчика с целью повышения стабильности по эксплуатационной температуре выходного напряжения Ивых=И1 - И2. Пусть один из двух резистивных датчиков маскирован, то есть защищен от воздействия контролируемого параметра некоторого объекта или технологического процесса, например, R2=Rx, датчик R1 подвергается внешнему воздействию, и его сопротивление равно kRx.
Так как в схеме используются биполярные транзисторы VT1 и VT2, то их коллекторные токи 11=161{3 и 12=162{3, где {3 - коэффициент усиления по току биполярных транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером. Токи баз транзисторов определяются соотношениями: I 61=(И - И6э - И2)/R3 и /62=(И - И6э - И1)R4, в которых И63 - падение напряжения на смещенном в прямом направлении эмиттерном р-п переходе.
Напряжения U63 транзисторов VT1 и VT2 одинаковы и И63 « И, то токи баз можно представить в более простом виде:
или, поскольку принято равенство R3=R4=R,
Подставив токи баз транзисторов Iб1 и Iб2 в соответствующее выражение для токов коллекторов, получим:
Синфазные напряжения U1 и U2, c помощью первого закона Кирхгофа можно записать в виде:
Если на схему на фиг.2 действует, например, световой поток, то R1=kRx и R2=Rx и
Подставим в эти выражения значения найденных выше токов I1, I2, Iб1 и Iб2, тогда получим систему уравнений:
Систему уравнений (4) и (5) можно представить в виде:
Из системы уравнений (6) и (7) находятся синфазные напряжения:
Дифференциальное выходное напряжение мостовой схемы на фиг. 2
Из выражения (10) следует, что в зависимости от того, коэффициент k < 1 (полупроводниковых сопротивлений) или k > 1 (металлических сопротивлений), дпфференциальное напряжение изменяет свою полярность.
Из соотношений (R) или (9) следует начальное состояние схемы, когда коэффициент k=1 и U1-U2=0:
Если задано напряжение U1=U2=U0, то из выражения (11) необходимо вычислить сопротивление R. Например, если задано U0=0,5 U, то необходимо выполнить условие R=Rx(β+1).
При R=Rx(β+1) и U0=0,5U выражение (10) примет вид:
Чувствительность схемы в общем виде определяется отношением выражений (10) и (11):
Если синфазные напряжения в начальном состоянии схемы U1=U2=U0=0,5U при R=Rx, то
Например, при U0=0,5U, β=50, k = 1,1 чувствительность N = 12,75. При тех же значениях U0 и k чувствительность известной мостовой схемы N = 0,048. Вывод: использование заявленного устройства при одинаковых исходных данных увеличивает чувствительность резистивного моста в 265,6 раз. Если β = 45, то N = 30,67 и чувствительность схемы увеличится в 638,9 раз.
Из выражений (10), (11) и (13) следует, что при заданном напряжении питания U, известных начальном сопротивлении функциональных резисторов Rx и их коэффициенте относительного изменения k, известном коэффициенте усиления по току биполярного транзистора β, чувствительность мостовой схемы может быть очень большой, несравнимо большей, чем у известной схемы резистивного моста, если из соотношения (13) вычислить требуемое сопротивление R резисторов R3 и R4 и включить их в мостовую схему, представленную на фиг.2.
Обобщая полученные результаты анализа чувствительности мостового преобразователя сопротивления с двумя транзисторными источниками тока, связанными между собой двумя положительными обратными связями, можно ввести параметр эффективности М, который показывает, как соотносятся чувствительности N двух сравнимых схем.
В отношении заявленного мостового преобразователя сопротивления и известной мостовой схемы эффективность выражается отношением (14) к (3):
Из соотношений (14) и (15) видно, что при (k-1)β2-(k+3)β-2(k+1)=0 чувствительность N и эффективность М стремятся к бесконечности, схема на фиг.2 становится неустойчивой.
Решая уравнение (k-1)β2-(k+3)β-2(k+1)=0, получим недопустимое значениеβ:
Например, если k = 1,1, то не допускается β = 42.
Итак, заявленная схема мостового преобразователя сопротивления позволяет значительно увеличить чувствительность схемы ко внешнему неэлектрическому воздействию на функциональные резисторы (резистивные датчики).
Claims (3)
- Мостовой преобразователь сопротивления, состоящий из двух функциональных сопротивлений и двух транзисторных источников тока, включенных в смежные стороны моста и охваченных двумя положительными обратными связями, и двух подстроечных резисторов, сопротивление которых рассчитывается исходя из требуемой чувствительности схемы
- где β - коэффициент усиления по току биполярных транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером; Rx и k - соответственно начальное сопротивление и коэффициент относительного изменения функциональных сопротивлений; R - сопротивление подстроечных резисторов.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2779813C1 true RU2779813C1 (ru) | 2022-09-13 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU62092A1 (ru) * | 1941-01-20 | 1941-11-30 | А.И. Бояров | Устройство дл измерени скорости изменени напр жени посто нного и переменного тока |
RU2221254C2 (ru) * | 2002-01-03 | 2004-01-10 | Государственное унитарное предприятие МПС РФ Центр внедрения новой техники и технологий "Транспорт" | Измеритель сопротивлений |
RU2478214C1 (ru) * | 2011-11-18 | 2013-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) (СКГМИ (ГТУ) | Мостовой преобразователь сопротивления пленок |
RU2515309C1 (ru) * | 2012-11-14 | 2014-05-10 | Александр Витальевич Вострухин | Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста уитстона методом широтно-импульсной модуляции |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU62092A1 (ru) * | 1941-01-20 | 1941-11-30 | А.И. Бояров | Устройство дл измерени скорости изменени напр жени посто нного и переменного тока |
RU2221254C2 (ru) * | 2002-01-03 | 2004-01-10 | Государственное унитарное предприятие МПС РФ Центр внедрения новой техники и технологий "Транспорт" | Измеритель сопротивлений |
RU2478214C1 (ru) * | 2011-11-18 | 2013-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) (СКГМИ (ГТУ) | Мостовой преобразователь сопротивления пленок |
RU2515309C1 (ru) * | 2012-11-14 | 2014-05-10 | Александр Витальевич Вострухин | Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста уитстона методом широтно-импульсной модуляции |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Статья: ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ СПИН-ТУННЕЛЬНОГО МАГНИТОРЕЗИСТИВНОГО ЭФФЕКТА © 2020 г., Ж. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, том 49, номер 2, с. 142-148, 2020. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108151919B (zh) | 一种压力传感器温漂补偿电路及补偿方法 | |
De Marcellis et al. | Analog Wheatstone bridge-based automatic interface for grounded and floating wide-range resistive sensors | |
RU2779813C1 (ru) | Мостовой преобразователь сопротивления | |
Narayanan et al. | A novel single-element inductance-to-digital converter with automatic offset eliminator | |
US3406331A (en) | Compensating power supply circuit for non-linear resistance bridges | |
Ghaly et al. | Implementation of a broad range smart temperature measurement system using an auto-selecting multi-sensor core in LabVIEW | |
RU2408857C1 (ru) | Датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом | |
Kumar et al. | A simple signal conditioning scheme for inductive sensors | |
De Marcellis et al. | A novel current-based approach for very low variation detection of resistive sensors in wheatstone bridge configuration | |
Alsnaie et al. | Study and Design of a Multi-range Programmable Sensor for Temperature Measurement | |
Singh et al. | Improved resistance to digital converter for low-value resistive sensor with lead wire compensation | |
Maiti et al. | Novel remote measurement technique using resistive sensor as grounded load in an opamp based V-to-I converter | |
Jain et al. | Self-balancing digitizer for resistive half-bridge | |
US5096303A (en) | Electronic circuit arrangement for temperature measurement based on a platinum resistor as a temperature sensing resistor | |
Anderson | Your successor to the Wheatstone bridge? NASA'S Anderson Loop | |
RU2395060C1 (ru) | Частотный преобразователь сигнала разбаланса тензомоста с уменьшенной температурной погрешностью | |
Dong et al. | Curve fitting and piecewise linear method for z-type temperature sensor | |
CN213022015U (zh) | 排除非线性干扰的环境温度检测电路 | |
RU2549255C1 (ru) | Цифровой измеритель температуры | |
EP3629477B1 (en) | Circuit arrangement and sensor arrangements including the same | |
CN108195479B (zh) | 一种飞机发动机温度测量装置 | |
Bandyopadhyay et al. | Development of Modified AC Bridge Network for Accurate Measurement of Passive Parameter of a Temperature Sensor | |
RU2670811C9 (ru) | Измеритель параметров объектов на основе многоветвийной мостовой цепи | |
SU1538031A1 (ru) | Индуктивный измеритель перемещений | |
Belega et al. | Accurate Measurement of the rms of a Sine-wave by Means of Low-Cost rms-to-dc Convertes |