Файл: Эрлер, В. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами.pdf

Дрездене. ППТ типа WDH101 или WDH111 имеют следующие коэффициенты:

Y^^O.5 • 1СГ3 град-1 — для неприклеенного тензорезистора на воздухе;

yEL= 10~3 град-1 — для тензорезистора, залитого эпоксидной смолой при измерении на воздухе;

Y£s = 2- 10 град —'для тензорезистора, наклеенного с по­ мощью эпоксидной смолы на сталь.

Следует еще заметить, что формулы (4.32) — (4.41) являются приближенными. Для более точного расчета в (4.32) следовало бы в скобках учесть еще член /С2е20.

Согласно определениям, приведенным в разд. 4.1 и 4.3, вы­ ходная величина мостовой схемы в общем виде может быть представлена следующим образом:

Интересно также отметить, что для диапазона изменения, на­ пример е = 0,1%, температурный дрейф полупроводниковых тензорезисторов, отнесенный к изменению сопротивления l(dR/R}TePM]/KeN, не больше, чем у проволочных тензорезисторов.

4.4. Схемы для температурной стабилизации коэффициента чувствительности моста

У мостовых схем на основе ППТ по сравнению со схемами на основе металлических тензорезисторов отмечается сравни­ тельно сильная зависимость коэффициента чувствительности от температуры. Уменьшить эту зависимость можно с помощью компенсационных схем; при этом важную роль играет темпера­ турная зависимость сопротивления и коэффициента К. Кривая зависимости сопротивления от температуры имеет чрезвычайно большую кривизну, что затрудняет компенсацию. В районе тем­ пературы 20 °С температурный коэффициент сопротивления ППТ завода «Mefielektronik» составляет примерно

Ybs — 0,2%/град

для тензорезисторов, наклеенных на сталь с помощью эпоксид­ ной смолы, а температурный коэффициент коэффициента тензочувствительности К

щ = —0,2%/град.

При этом коэффициент К справедлив для моста, запитываемого постоянным напряжением. При питании током напряжение на мосте возрастает в соответствии с изменением сопротивления, и остается действительной только разность между xj и хеs, кото­ рая, однако, в свою очередь зависит от температуры. Но в пер­ вом приближении питание током дает более предпочтительные результаты.

При питании от источника постоянного напряжения для ком­ пенсации могут быть применены две основные схемы. По схеме

но размещаемое как можно ближе к ППТ, включается последо­ вательно в цепь питания моста и должно обладать отрицатель­ ным температурным коэффициентом (ТК).

В схеме фиг. 4.9,6 необходим положительный ТК. Таким об­ разом, температурозависимое сопротивление может быть, на­ пример, медным (ТК = 0,4%/град) или никелевым (ТК = 0,67%/град). Вследствие сравнительно низких значений ТК та­ кого компенсирующего резистора последний по отношению к мосту должен быть низкоомным, в то время как последователь­ но включенное сопротивление должно быть равно сопротивле­ нию моста или больше его. Это означает, что такая система компенсации требует больше энергии, чем нужно для питания моста, и поэтому она мало пригодна.

В настоящее время известно большое число специально соз­ данных полупроводниковых резисторов с сильной температурной зависимостью. Однако полупроводниковые резисторы с более или менее линейной зависимостью сопротивления от темпера­ туры имеют только отрицательные значения ТК (термисторы). Резисторы с положительным ТК имеют в диапазоне от 20 до 150 °С большую крутизну, оставаясь в области ниже 20 °С почти

величина сопротивления, допустимая с точки зрения потерь напря­ жения, например (0,1, ..., 1) Rb. Затем для всего представляю­ щего интерес температурного диапазона устанавливают сопро­ тивление декад так, чтобы выходная величина оставалась без изменений. Полученная величина сопротивления представляет собой идеальную величину компенсирующего сопротивления.

На прозрачной бумаге затем вычерчивается график значений проводимости в зависимости от температуры. Целесообразно определить и вычертить целое семейство кривых, исходя из раз­ личных значений сопротивления при 20°С. Точно таким же об­ разом на прозрачную координатную бумагу наносятся значения проводимости термисторов, применяемых для измерительных це­ лей. При этом следует использовать тот же масштаб, что и для экспериментальных кривых. Путем наложения обеих групп кри­ вых быстро находят зависимости, оптимально перекрывающие друг друга. По величине смещения в направлении проводимости можно, кроме того, непосредственно определить проводимость для Rp.

Качество достигаемой компенсации можно оценить, исходя из отношения для относительного отклонения:

Относительное отклонение=

где dGv — отклонение проводимости термистора от измеренного значения Gy.

Такой полуэкспериментальный метод позволяет одновременно компенсировать любые нагрузки моста и характеристики ИП (термозависимый модуль упругости). После моделирования ком­ пенсирующего контура процесс можно повторить, добиваясь в отдельных случаях более точных приближений.

Для наглядности подробнее рассмотрим температурную ста­ билизацию коэффициента чувствительности моста для измери­ теля перемещений с чувствительным элементом на основе ППТ. Температурная компенсация всегда вызывает падение напряже­ ния, которое должно быть сделано как можно меньшим. Изме­ рители перемещений с ППТ выполняются таким образом, что это падение напряжения составляет примерно 1,5 В, т. е. компенси­ рующий контур (термистор с параллельным сопротивлением) при температуре порядка +20 °С не должен иметь более 45 Ом. На фиг. 4.14 для одного из измерителей перемещений приведены зависимости проводимости от температуры в интересующем нас температурном интервале без компенсирующего контура и при постоянной выходной величине. Параметрами служат сопротив­ ления, установленные на магазинах сопротивлений (при +25 °С

Фиг. 4.13. Диаграмма проводимости стержневых термисторов, стандартная конструкция 47...330 Ом (по справочнику KWH Handbuch, 1968).

G. °С

Фиг. 4.14. Зависимость проводимости от температуры для измерительного преобразователя перемещений е полупроводниковыми тензорезисторами без компенсирующего контура.

25—65 Ом). Для измерителей перемещений из соображений уменьшения габаритов и величин сопротивления были выбраны стержнеобразные термисторы стандартной конструкции. На фиг. 4.11—4.13 представлены зависимости проводимостей раз­ личных типовых серий термисторов. Они рассчитаны в соответ­ ствии с энергетическими постоянными, указанными для различ­ ных типов заводом-изготовителем. На фиг. 4.14 использованы те же координаты и тот же масштаб, что и на фиг. 4.11—4.13.