Лекция 3. Измерительные цепи тензорезисторов

Таблица 2-2. Технические характеристики прибора

Рис.2.4. Внешний вид прибора

Рис.2.3. Разъем-прищепка для соединения ПУ и ЭБ

ПИП — это датчик давления фирмы "ЕСОТЕСН" в виде пластины из монокристалла кремния, часть которой вытрав­лена до образования мембраны. На мембране методом ион­ной имплантации создан измерительный мост из 4 идентичных тензорезисторов. Давление, передаваемое на мембра­ну, вызывает появление сигнала на выходе моста.

Преимуществами выбранного датчика давления являются высокая чувствительность, хорошая линейность, незначи­тельный гистерезис, быстродействие, компактная конструк­ция. Недостаток, заключающийся в повышенной температур­ной зависимости выходного сигнала, компенсируется электронными средствами.

ЭБ выполнен в пластмассовом корпусе, имеет привлека­тельный внешний вид (рис. 2.4.). На панели прибора имеется индикатор разряда батареи питания (ИРБ).

Диапазон измерений, мм вод. ст.	0-600
Приведенная погрешность, %
Время измерения, с
Масса, кг	0,4
Габариты ЭБ, мм	165×75×25
Длина кабеля, м
Размеры ПУ:	длина Т, мм
диаметр Т, мм
длина Б, мм
ширина Б, мм
высота Б, мм
толщина пленки Б, мкм	7-10

Прибор испытывали на установке, схема которой приве­дена на рис. 2.5. а).Изменением коэффициента усиления при­бор можно градуировать в любых единицах измерения давле­ния.

Рис. 2.5. а) Схема установки для исследования прибора РЭД-1

Рис. 2.5. б) Тарировочный график

По оси абсцисс – давление, мм вод.ст.; по оси ординат – показания прибора

Прибор опробован на неплановых операциях в Республи­канской нейрохирургической больнице Удмуртии. В настоя­щее время ведутся работы по включению прибора в мониторинговую систему на базе хирургического монитора МХ-3. При незначительных конструктивных изменениях ПУ прибор может найти применение для измерений внутривенного, внутрикишечного, внутрибронхиального давлений.

Мощность P, рассеиваемая в тензорезнсторе, ограничена его нагревом, вызывающим появление повышенных значений погрешности. Перегрев Ä тензорезистора по сравнению с температурой детали, на которую он наклеен, равен

(3.1),

где S_n — площадь поверхности теплоотдачи резистора, м²; x — коэф­фициент теплоотдачи, Вт/(м²*К); Р_уд = P/S₀ — удельная тепловая нагрузка, Вт/м^2и.

При тепловом контакте тензорезистора с деталью через сдой клея в подложку отводится в 200—300 раз большим тепловой поток, чем в окружающий воздух. Это объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи в воздух равен x = 10 Вт/(м²*К), а коэффициент теплоотдачи в металл через слой клея составляет x= 2 ¸ 3 кВт/(м²*К). Поэтому можно считать, что практически весь Тепловой поток от тензорези­стора отводится через слой клея в деталь, на которую он наклеен. Отсюда площадью S_a поверхности теплоотдачи для пленочных и фоль­говых тензорезисторов следует считать площадь поверхности резистора, обращенной к детали, а для проволочных - с достаточно точ­ным приближением половину площади цилиндрической поверхности их проволоки.

При наклейке на сталь значения Р_уд для большинства используе­мых сейчас проволочных, фольговых и полупроводниковых тензоре­зисторов (с мощностью 25—630 мВт и полной площадью, занимаемой решеткой, 0,9—240 мм²) колеблются в очень узких пределах: Р_уд = 26 ¸ 28 кВт/м² (или мВт/мм²). При наклейке на медь и сплавы алюминия Р_уд = 50 мВт/мм², при наклейке на пластмассы Р_уд» 3 мВт/мм².

Допустимое значение тока I_доп через тензорезистор определяется из соотношения Р == IR = P_yд S₀. Так, например, для проволочных тензорезисторов с базой длиной l, из п проводов в решетке с диамет­ром d, изготовленных из материала с удельным сопротивлением r,

So=pd/2, R = 4nl/(pd²) и допустимое значение тока

(3.2)

Для константановой проволоки r = 0,46- 10^-6 Ом*м и при темпе­ратуре перегрева 1 К и R_уд = 27 кВт/м² допустимое значение тока

Наиболее распространенной измерительной цепью для тензорези­сторов является мостовая измерительная цепь. Напряжение питания цепи определяется допустимым током (5—20 мА) и сопротивлением тензорезисторов и равно 2—12 В. Выходной сигнал моста с проволочными терморезисторами составляет не более 10—50 мВ при деформа­ции e_l= 1%, выходной сигнал моста с полупроводниковыми рези­сторами имеет тот же порядок, но при деформации e_l = 0,1%.

Повысить напряжение питания и, следовательно, при прочих равных условиях увеличить выходной сигнал удается при питании тензорезисторов импульсным током. При условии, что постоянная т времени нагрева тензорезистора намного больше периода Т следо­вания импульсов, амплитуда импульсов по сравнению с действую­щим током может быть увеличена в N = раз, где t₀ — длительность импульсов. Минимально допустимая длительность импульсов t₀ ограничивается переходными процессами установления токов в изме­рительной цепи, которые, очевидно, должны закончиться за время, намного меньшее t₀, и составляет не менее 5—50 мкс. Таким образом, диапазон возможного увеличения напряжения оказывается не слиш­ком большим. Так, чтобы обеспечить N = 10, частота следования импульсов должна быть не выше 200—2000 Гц, и практически импульс­ное напряжение питания может быть рекомендовано только при изме­рении статических или относительно низкочастотных (20—200 Гц) деформаций.

Основным фактором, определяющим выбор измерительной цепи тензорезисторов, является возможность коррекции температурных погрешностей нуля и чувствительности. При дифференциальном вклю­чении тензорезисторов в два соседних плеча моста удается понизить температурную погрешность нуля в 10—20 раз по сравнению с тем­пературной погрешностью тензорезистора. В мостовой цепи удается в отдельных случаях скомпенсировать также температурную погреш­ность чувствительности.

Действительно, из мостовых схем видно, что при питании моста от источника напряжения выход­ной сигнал'моста не зависит от входного сопротивления моста: U_вых = U_пит e_R/2 (при R_yк >> R_вых), при питании моста от источника тока выходной сигнал зависит от входного сопротивления моста: U_вых = Ie_R R₀R'/(R₀ + R’) = Ie_R R_вых/2, и при изменении сопротив­ления тензорезистора R_o в зависимости от температуры удается за счет изменения R_вых, скомпенсировать изменение e_R = K_T e_l от воздействия температуры, если ТКЧ и ТКС имеют разные знаки. Такой метод кор­рекции используется для полу­проводниковых тензорезисторов. В частности, термокомпенсиро-ванным по чувствительности бу­дет мост из четырех идентич­ных тензорезисторов р-типа с концентрацией примесей N = С (рис. 3.1).