КОМПЕНСАЦИЯ  МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ  ТЕМПЕРАТУРНОЙ  ПОГРЕШНОСТИ  ТЕЗОРЕЗИСТОРНЫХ  ДАТЧИКОВ

Тихоненков  Владимир  Андреевич

канд.  техн.  наук,  профессор  кафедры  «Измерительно-вычислительные  комплексы»  Ульяновского  государственного  технического  университета,  РФ,  г.  Ульяновск

Солуянов  Денис  Александрович

аспирант,  кафедры  «Измерительно-вычислительные  комплексы»  Ульяновского  государственного  технического  университета,  РФ,  г.  Ульяновск

E-mail: 

COMPENSATION  OF  MULTIPLICATIVE  TEMPERATURE  ERROR  OF  STRAIN  GAUGE

Tihonenkov  Vladimir  Andreevich

candidate  of  Technical  Sciences,  professor  of  Department  of  Measuring  and  Computing  Complexes  of  Ulyanovsk  State  Technical  University,  Russia  Ulyanovsk

Soluyanov  Denis  Aleksandrovich

postgraduate  student  of  Department  of  Measuring  and  Computing  Complexes  of  Ulyanovsk  State  Technical  University,  Russia  Ulyanovsk

АННОТАЦИЯ

Данная  статья  посвящена  вопросу  компенсации  мультипликативной  температурной  погрешности  тензорезисторного  датчика  с  учетом  отрицательной  нелинейности  температурной  характеристики  выходного  сигнала  датчика  косвенным  схемным  способом.

ABSTRACT

This  article  focuses  on  the  question  of  compensation  multiplicative  temperature  inaccuracy  tensoresistance  sensor  with  account  for  negative  temperature  characteristic  nonlinearity  of  sensor  signal  output  with  using  of  indirect  circuit  method.

Ключевые  слова:  тензорезистор;  мультипликативная  погрешность;  компенсация;  нелинейность;  температура;  выходной  сигнал.

Keywords:  tensoresistance;  multiplicative  inaccuracy;  compensation;  nonlinearity;  temperature;  signal  output.

Современные  системы  контроля  и  управления  в  различных  отраслях  промышленности  предъявляют  высокие  требования  к  точности  и  стабильности  средств  измерения. 

Большое  распространение  в  данной  области  получили  тензорезисторные  датчики.  Одним  из  наиболее  мощных  дестабилизирующих  факторов  тензодатчиков  является  температу­ра.  Компенсация  температурной  погрешности  является  одной  из  приоритетных  задач  при  разработке  и  изготовлении  тензорезисторных  датчиков. 

В  настоящее  время  предложены  способы  компенсации  температурной  погрешности,  которые  позволяют  учесть  нелинейность  температурной  характеристики  девиации  выходного  сигнала  датчика  (НТХДВС)  благодаря  использованию  микропроцессоров.  Один  из  них  основан  на  ис­пользовании  двух  каналов:  информационного  и  температурного  [3].  Для  подобного  решения  характерны  следующие  недостатки:

1.  усложнение  измерительной  схемы  из-за  наличия  двух  измерительных  каналов;

2.  высокие  требования  к  точности  и  стабильности  канала  измерения  температуры;

3.  разница  между  среднеинтегральной  температурой  тензорезисторов  измеритель­ного  канала  и  температурой,  воспринимаемой  вторым  каналом,  может  составлять  десятки  градусов;

4.  значительная  температурная  погрешность  при  нестационарных  тепловых  режи­мах  эксплуатации  из-за  разности  температур  измерительного  и  температурного  канала;

5.  уменьшение  частотного  диапазона  измеряемого  физического  параметра,  кото­рое  вызвано  необходимой  цифровой  обработкой  измерительной  информации.

В  другом  способе  мостовую  цепь  используют  в  качестве  дополнительного  канала,  измеряющего  температуру  [1].  Подобное  решение  устраняет  дополнительную  температурную  погрешность,  вызванную  не­стационарным  тепловым  режимом,  но  не  решает  вопрос  возникновения  температурной  по­грешности.  В  этом  случае  селективность  датчика  к  измеряемой  физической  величине  приво­дит  к  уменьше­нию  чувствительности  дополнительного  канала  к  температуре  на  1—2  порядка  по  срав­нению  с  преды­дущим  случаем.  В  результате  снижается  нижний  порог  чувствительности  тем­пературного  ка­нала,  что  не  позволяет  получить  требуемую  точность  компенсации  темпера­турной  погрешно­сти.

Существующие  схемные  способы  компенсации  температурной  погрешности  [2,  4,  6]  лишены  данных  недо­статков,  но  не  позволяют  учесть  НТХДВС  датчика  в  рабочем  диапазоне  температур.  По  этой  причине  ве­дется  разра­ботка  схемных  способов,  которые  позволят  учесть  нелинейность  температурной  характери­стики  датчика.

В  [5]  предлагается  схемный  способ  компенсации  мультипликативной  темпера­турной  погрешности  с  учетом  отрицательной  НТХДВС  датчика  микроэлектронного  исполнения.  Данный  способ  предполагает  компенсацию  мультипликативной  температурной  погрешности  и  отрицательной  НТХДВС  путем  включения  термозависимого  резистора  R_α,  зашунтированного  термонезависимым  резистором  R_д,  в  диагональ  питания  мостовой  цепи,  как  показано  на  рис.  1.

Рисунок  1.  Схемный  способ  компенсации  мультипликативной  темпертурной  погрешности

Недостатком  описанного  схемного  способа  является  то,  что  при  расчете  номиналов  компенсационных  элементов  используются  сведения  о  температурном  коэффициенте  чувствительности  (ТКЧ)  тензорезисторов,  температурного  коэффициента  сопротивления  (ТКС)  компенсационного  термозависимого  резистора  R_α,  входного  сопротивления  мостовой  цепи  датчика  при  температурах,  соответствующих  пределам  рабочего  диапазона  температур.

Как  правило,  данную  информацию  можно  получить  из  сертификатов  на  применяемые  материалы,  однако,  существующие  технологические  разбросы  при  изготовлении  этих  материалов  не  позволяют  использовать  данную  информацию  из-за  значительных  разбросов,  получаемых  при  определении  значений  компенсационных  элементов.  Кроме  того,  так  как  металлопленочные  датчики  выполняются  с  применением  микроэлектронной  технологии,  данная  информация  может  быть  значительно  искажена  в  результате  напыления  исходного  материала.  Поэтому,  чтобы  использовать  аналитические  выражения,  необходимо  осуществить  экспериментальное  определение  требуемых  параметров  элементов,  входящих  в  состав  датчика. 

Однако,  экспериментальное  определение  физических  параметров  элементов  измерительной  схемы  датчика  представляет  определенную  сложность  [4].

Во-первых,  это  чисто  конструктивные  и  технологические  затруднения,  связанные  с  тем,  что: 

1.  определение  физических  параметров,  как  элементов  измерительной  схемы,  так  и  компенсационных  элементов  необходимо  проводить  в  собранном  датчике,  так  как  существующие  перепады  температур  и  температурных  деформаций  по  телу  датчика  могут  вызвать  недопустимо  большие  погрешности  при  определении  компенсационных  элементов;

2.  определение  всех  физических  параметров  отдельных  элементов  требует,  как  правило,  нарушения  электрических  связей  в  собранном  датчике,  что  может  привести  к  значительному  ухудшению  метрологических  характеристик,  так  как  эти  связи  заложены  на  самых  ранних  этапах  формирования  измерительной  схемы  металлопленочных  датчиков.

Во-вторых,  прямые  методы  измерения  этих  параметров,  кроме  большой  трудоемкости,  не  обеспечивают  требуемую  точность.  Так,  при  измерении  ТКС  тензорезисторов  порядка  1·10^-5  1/^оС  с  точностью  до  5  %  требуется  замер  сопротивления  номиналом  1000  Ом  при  перепаде  температур  в  50  ^оС  с  точностью  до  0,025  Ома,  что  составляет  точность  измерения  0,0025  %  и  требует  применение  специальных  методов  измерения. 

По  указанной  причине  следует  производить  измерение  физических  параметров  элементов  датчика  косвенными  методами,  которые  основаны  на  измерении  выходного  сигнала  датчика  при  различных  условиях.  Подобное  решение  не  только  упростит  настройку  датчика,  но  и  увеличит  точность  на  порядок  и  более  при  определении  физических  параметров  элементов  датчика.

Кроме  того,  применение  косвенных  методов  позволяет  повысить  точность  измерения  физических  параметров  датчика  и  последующей  компенсации  мультипликативной  температурной  погрешности.  Допустим,  что  относительное  изменение  сопротивления  тензорезисторов  при  номинальном  значении  измеряемого  параметра  составляет  ,  где  R_j  =  1000  Ом  —  сопротивление  j-го  плеча  мостовой  цепи  датчика,  ΔR_j  —  изменение  сопротивления  плеча  R_j.  Данный  выходной  сиг­нал  соответствует  суммарному  изменению  сопротивлений  плеч  мостовой  цепи  .  В  этом  случае  для  обеспечения  замера  суммарного  изменения  сопротивлений  плеч  мостовой  цепи  в  10  Ом  с  точностью  0,025  Ом  через  измерение  выходных  сигналов  потребуется  использовать  вольтметр  класса  точности  не  ниже  0,25  %,  что  доступно  в  настоящее  время  на  любом  производстве.

По  указанным  выше  причинам  был  разработан  схемный  косвенный  способ  компенсации  мультипликативной  температурной  погрешности  с  уче­том  отрицательной  НТХДВС.  Данный  способ  заключается  в  том,  что  в  диагональ  питания  мостовой  цепи  включают  термозависимый  технологи­ческий  резистор  R_αт,  номинал  которого  больше  возможных  значений  со­противления  компенсационного  резистора  R_α,  параллельно  которому  уста­навливают  перемычку.  Производят  предварительное  определение  ТКЧ  тензорезисторов,  ТКС  входного  сопротивления  мостовой  цепи,  ТКС  резистора  R_αт  косвенными  методами  на  основе  измерения  вы­ходного  сигнала  датчика  в  различных  условиях.

1.  Для  оценки  ТКЧ  тензорезисторов  мостовой  цепи  датчика  измеряют  начальный  разбаланс  и  выходной  сигнал  датчика  при  номинальном  значе­нии  измеряемого  параметра  как  при  нормальной  температуре  t₀,  так  и  при  температурах  t⁺  и  t^–,  соответствующих  верхнему  и  нижнему  пределу  рабо­чего  диапазона  температур  соответственно.  Вычисляют  значения  девиаций  выходного  сигнала  датчика  (ΔU_вых,  ,  ),  соответствующие  темпе­ратурам  t₀,  t⁺  и  t^–,  как  разность  значений  выходного  сигнала  датчика  и  начального  разбаланса.  На  основе  полученных  значений  девиаций  выход­ного  сигнала  вычисляют  значения  ТКЧ  тензорезисторов  мостовой  цепи  датчика  (,),  соответствующие  температурам  t⁺  и  t^–,  по  формулам:

;

,

где:    —  положительный  диапазон  температур;

  —  отрицательный  диапазон  температур.

На  основе  полученных  значений  ТКЧ  тензорезисторов  мостовой  цепи  при  воздействии  температуры  вычисляют  ,  характеризую­щую  НТХДВС.

2.  Для  оценки  ТКС  входного  сопротивления  мостовой  цепи  датчика  измеряют  входное  сопротивление  мостовой  цепи  датчика  R_вх,  в  цепь  питания  включают  термонезависимый  резистор  R_i,  что  позволит  получить  выходной  сигнал,  который  будет  зависеть  от  температурной  зависимости  не  только  чувствительности  тензорезисторов,  но  и  входного  сопротивления  мостовой  цепи.  Номинал  резистора  R_i  следует  брать  равным  R_i  =  0,5  ·  R_вх,  поскольку  при  данном  номинале  резистора  R_i  влияние  ТКС  входного  сопротивление  на  выходной  сигнал  будет  достаточно  большим,  а  выходное  напряжение  мостовой  цепи  уменьшится  не  более  чем  на  треть.

Измеряют  значения  начального  разбаланса  и  выходного  сигнала  дат­чика  при  номинальном  значении  измеряемого  параметра  при  температу­рах  t₀,  t⁺  и  t^–.  Вычисляют  значения  девиаций  выход­ного  сигнала  датчика  (ΔU_выхr,  ,  ),  соответствующие  температурам  t₀,  t⁺  и  t^–.  На  основе  полученных  значений  девиаций  выходного  сигнала  вычисляют  значе­ния  ,    ТКC  входного  сопротивления  мостовой  цепи  датчика,  соответст­вующие  температурам  t⁺  и  t^–,  по  формулам:

;

.

3.  Для  оценки  ТКС  технологического  термозависимого  резистора  R_αт  отключают  резистор  R_i,  снимают  перемычку  с  резистора  R_αт.  Измеряют  значения  начального  разбаланса  и  выходного  сигнала  датчика  при  номинальном  значении  измеряемого  параметра  при  температурах  t₀,  t⁺  и  t^–.  Вычисляют  значения  девиаций  выходного  сигнала  датчика  (ΔU_выхα,  ,  ),  соответствующие  температурам  t₀,  t⁺  и  t^–.  На  основе  полученных  значений  девиаций  выходного  сигнала  вычисляют  значения  ,    ТКC  технологического  термозависимого  резистора  R_αт,  соответствующие  температурам  t⁺  и  t^–,  по  формулам:

;

.

В  соответствии  с  [5]  на  основе  полученных  значений  ,  ,    производят  проверку  принадлежности  физических  параметров  датчика  области  применения  схемного  способа  компенсации  мультипликативной  температурной  погрешности  с  учетом  отрицательной  НТХДВС.  На  основе  полученных  значений  ,  ,  ,  ,  ,    вычисляют  номиналы  компенсационных  резисторов  R_α  и  R_д. 

После  вычисления  номиналов  резисторов  R_α  и  R_д  производят  замену  технологического  резистора  R_αт  термозависимым  компенсационным  резистором  R_α  с  вычисленным  номиналом,  путем  частичного  задействования  резистора  R_αт,  поскольку  при  замене  резистора  R_αт  на  резистор  R_α  с  вычисленным  номиналом  технологически  очень  трудно  обеспечить  равенство  ТКС  резисторов  R_αт  и  R_α.  Резистор  R_α  шунтируют  термонезависимым  резистором  R_д.

Представленный  способ  позволит  произвести  компенсацию  мультипликативной  температурной  погрешности  с  учетом  отрицательной  НТХДВС  с  использованием  широко  распространенной  измерительной  техники.  Численная  оценка  погрешностей  позволила  установить,  что  представленный  способ  позволит  получить  мультипликативную  чувствительность  датчика  к  температуре  не  более  10^-6  1/°С.

Список  литературы:

1.Дружинин  А.А.  Многофункциональный  датчик  давления  и  температуры  на  основе  твердых  растворов  SiGe  [текст]/  А.А.  Дружинин,  И.П.  Островский,  С.Н.  Матвиенко,  А.М.  Вуйцик//  Технология  и  конструирование  в  электронной  аппаратуре.  —  2005.  —  №  6.  —  С.  24—26.

2.Пат.  2300735  Российская  Федерация,  МПК  G  01  B  7  /  16  Способ  настройки  тензорезисторных  датчиков  с  мостовой  измерительной  цепью  по  температурной  погрешности/  В.А.  Тихоненков,  Е.В.  Тихоненков;  заявитель  и  патентообладатель  Ульяновский  государственный  технический  университет.  №  2006104494/28;  заявл.  13.02.2006;  опубл.  10.06.2007,  Бюл.  №  16.

3.Пат.  2304762  Российская  Федерация,  МПК  G01L9/04  Способ  и  устройство  измерения  давления/  В.И.  Садовников,  А.Н.  Кононров,  А.Я.  Аникин,  В.А.  Ларионов,  А.Л.  Шестаков;  заявитель  и  патентообладатель  Южно-Уральский  государственный  университет.  №  2006110266/28;  заявл.  30.03.2006;  опубл.  20.08.2007,  Бюл.  №  23.

4.Пат.  2307997  Российская  Федерация,  МПК  G  01  B  7  /  16  Косвенный  способ  настройки  тензорезисторных  датчиков  с  мостовой  измерительной  цепью  по  мультипликативной  температурной  погрешности/  В.А.  Тихоненков,  Е.В.  Тихоненков;  заявитель  и  патентообладатель  Ульяновский  государственный  технический  университет.  №  2006121637/28;  заявл.  19.06.2006;  опубл.  10.10.2007,  Бюл.  №  28.

5.Пат.  2401982  Российская  Федерация,  МПК  G  01  B  7  /  16  Способ  настройки  тензорези­сторных  датчиков  с  мостовой  измерительной  цепью  по  мультипликативной  температурной  по­грешности  с  учетом  нелинейности  температурной  характеристики  выходного  сигнала  датчи­ка  /  В.А.  Тихоненков,  Л.Н.  Винокуров;  заявитель  и  патентообладатель  Ульяновский  государственный  технический  университет.  №  2009141089/28;  заявл.  06.11.2009;  опубл.  20.10.2010,  Бюл.  №  29.

6.Тихоненков  В.А.  Теория,  расчет  и  основы  проектирования  датчиков  механических  величин:  учебное  пособие  /  Тихоненков  В.  А.,  Тихонов  А.И.  Ульяновск:  УлГТУ,  2000.