|
|
|
МОСТОВЫЕ СХЕМЫИз графика видно, что максимальная чувствительность достигается при к = 1, а в диапазоне 0.5<к<2 чувствительность падает относительно медленно. Если мост питается от источника тока, а не от источника напряжения, его выходное напряжение при малых значениях А в мосте с одним переменным импедансом определяется выражением: 
Уравновешенный мост Другой метод использования мостовых схем называется нуль-балансировкой. В этом методе решается проблема, связанная с ограничениями, накладываемыми на величину рассогласования моста для достижения хорошей линейности. Для корректной работы в этом режиме мостовая схема в любой момент времени должна находится в уравновешенном состоянии. Для выполнения условия баланса моста (5.42) импеданс плеча моста, соседнего с плечом, в котором расположен датчик, должен меняться так же как и импеданс датчика. На рис. 5.37Б проиллюстрирован принцип построения такой схемы. Изменение величины сопротивления Яъ определяется сигналом усилителя рассогласования. Величина внешнего воздействия в данной системе пропорциональна выходному напряжению, задаваемому управляющим устройством. Пусть в схеме на рис. 5.37Б в обоих плечах стоят фоторезисторы R и Ry Величина сопротивления фоторезистора R} может задаваться потоком излучений от СИД, управляемого усилителем рассогласования. При этом ток, протекающий через СИД, будет мерой сопротивления Rv, а, следовательно, и мерой интенсивности света, детектируемого датчиком. Температурная компенсация резистивного моста Резистивный мост Уитстона широко применяется при измерении температуры, силы, давления, магнитных полей и т.д. В большинстве случаев используемые резисторы обладают температурной чувствительностью. Это приводит к появлению температурной чувствительности передаточной функции, которая может быть аппроксимирована линейной зависимостью (см. уравнение (2.1) во второй главе). Для большинства сенсоров, за исключением детекторов температуры, температурная зависимость является очень нежелательным эффектом, который необходимо компенсировать. Одним из способов компенсации является подключение к датчику устройства, выходной сигнал того зависит от изменения температуры. Этот сигнал в дальнейшем используется для проведения либо аппаратной, либо программной корректировки отображений датчика. Другой способ — встраивание такого устройства в саму мостовую схему. Проанализируем связь между выходным напряжением моста Уитстона и сигналом возбуждения V. Будем считать, что импедансы всех четырех плечеи моста обладают одинаковой чувствительностью а к внешнему воздействию. 
Рис. 5.38. Зависимость чувствительности разбалансированного
моста от отношения импедансов
Выходное напряжение моста соответствует выражению где V0 — напряжение смещения, соответствующее начальному разбалансу моста Если мост плохо сбалансирован, это напряжение может стать причиной возникновения значительных погрешностей Чтобы этого не происходило, дагчик необходимо тщательно настраивать как при изготовлении, так и при эксплуатации В дальнейших рассуждениях будем считать, что значение У0 не зависит от температуры,те dVg/d7=0 Однако в широких температурных диапазонах (больших! 15°С) изменение величины К0 необходимо учитывать. Для большинства сенсоров величина чувствительности а в выражении (5 48) зависит от температуры, что также является источником погрешностей Из выражения (5 49) рекомендуется, что а может меняться при изменении от температуры либо величины R, либо производной dR/ds Если мост обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, ет о коэффициент а уменьшается с ростом температуры В этом случае также говорят, что он имеет отрицательную температурную чувствительность Взяв частную производную выходного напряжения по температуре в уравнении (5 50), получим следующее выражение 
Рис. 5.39. Схема моста с цепью температурной компенсации
Уравнение (5.53) является условием идеальной температурной компенсации симметричного моста Уитстона. Из этого выражения рекомендуется, что для компенсации температурных изменений а, напряжение возбуждения Ve должно меняться с такой же скоростью, но с противоположным знаком. Существует несколько схем, используемых для регулирования Ve [9]. Одна из них отображена на рис. 5.39. В этой схеме используется блок компенсации температуры, управляющий напряжением V, питающим мост, по заранее определенной температурной зависимости. Блок температурной компенсации может быть реализован несколькими способами: Способ 1. В состав блока входит датчик температуры. Такой блок может быть представлен через эквивалентный импеданс Rt, а мостовая схема — через эквивалентное сопротивление Rg.: Взяв от этого выражения частную производную по температуре, получим: 
Подставив (5.54) в (5.55), выведем условие компенсации:
Для моста с четырьмя температурно зависимыми импедансами
плечей RB=R, а (\/R)(dR/dT)=y. Коэффициент /называется температурным
коэффициентом сопротивлений в плечах моста (ТКС). В соответствии с уравнением
(5.53) выражение (5.56) должно быть равным отрицательному ТКЧ:
Можно утверждать, что такой способ температурной компенсации
работает в широком диапазоне напряжений возбуждения (при использовании этой
схемы необходимо помнить, что в ней не должно быть активных компонентов
(диодов, транзисторов и т.д)). Для обеспечения компенсации температуры R должен
входить температурно чувствительный резистор (к примеру, термистор),
сопротивление того определяется из уравнения (5.57). В этом методе
необходимо так настраивать блок компенсации температуры, чтобы он обеспечивал
компенсацию не только ТКЧ и ТКС, но и К. Несмотря на некоторую сложность, этот
метод обеспечивает температурную компенсацию в широком диапазоне температур:
-20...+70°С, а при некотором снижении рабочих характеристик или усложнении
компенсационного блока, этот диапазон расширяется до -40...100°С. На рис. 5.40А
отображен вариант блока компенсации температуры, реализованного на основе
термистора К с отрицательным температурным коэффициентом и нескольких
регулировочных сопротивлений. Такой блок реализован в датчиках давления РМХ2010
фирмы Motorola, в которых в кремниевую подложку встраиваются резисторы
температурной компенсации. Настройка этих резисторов осуществляется при помощи
лазера при проведении процедуры калибровки, что обеспечивает высокую
температурную стабильность сенсоров в широком диапазоне температур.
Рис. 5.40. Температурная компенсация мостовых схем: А — при
помощи термистора с отрицательным температурным коэффициентом, Б — при помощи
постоянного резистора, В — при помощи источника напряжения, управляемого
температурой, Г — при помощи источника тока
Способ2. Компенсационный блок состоит из постоянного сопротивления. Этот способ является самым распространенным методом температурной компенсации резистивного моста Уитстона. Постоянный резистор R = Rc (рис. 5.40Б) должен обладать низкой температурной чувствительностью (менее 50х 106), тогда для него справедливо следующее утверждение: 
Знак минус означает, что уравнение справедливо только для
отрицательного ТКЧ р. Таким образом, когда известны ТКЧ, ТКС и номинальные
сопротивления в плечах моста, можно найти такое значение резистора R ,
установленного последовательно с источником напряжения Е, при котором
получается удовлетворительная температурная компенсация схемы. Однако рекомендуется
отметить, что в соответствии с уравнением 5.59, ТКЧ моста должна быть меньше
его ТКС (Щ< у). Поскольку Е не входит в выражение (5.61) (также как и в
первом методе), компенсация таким способом возможна в широком диапазоне
напряжений питания. При использовании выражения (5.61) при выборе R может
получиться очень большое значение компенсирующего резистора, что не подходит
для многих применений. Для снижения ТКС датчика иногда используют
дополнительный резистор, включенный параллельно мосту. При большом значении
резистора R этот способ компенсации становится подобным четвертому методу,
поскольку большой резистор ведет себя как квази-источник тока.
На первый взгляд такой способ температурной компенсации
кажется очень привлекательным — только один резистор позволяет компенсировать
температурный дрейф. Однако этот метод не подходит для прецизионных сенсоров и
при работе в широком температурном диапазоне. Для точного выбора Rc необходимо
знать конкретные значения у и р конкретных мостов. Определение этих параметров
значительно повышает стоимость схемы, что также неприемлемо в ряде случаев. Поэтому Rc выбирают исходя из типовых, а не реальных значений, что может
значительно увеличить погрешность
(до 10 У С) В дополнение к этому большие резисторы Л снижают
выходное напряжение и уменьшают отношение сигнал/шум На практике такие
компенсирующие схемы используются только в диапазоне температур 25±15°С
Способ 3. Здесь блок температурной компенсации состоит из температурно-чувстви тельного источника напряжения, (к примеру, это может быть диод или транзистор) (Рис 5 40В) В этой схеме для получения наилучшей компенсации ТКЧ ft, температурная чувствит ельность /Jc источника напряжения Vc должна определяться следующим выражением 
Можно добиться оптимальной температурной компенсации Но гак
как в состав компенсационного устройства входит источник напряжения, для
выполнения условий компенсации здесь, в отличие от первых двух методов,
необходимо учитывать и значение Е Очевидным достоинством этой схемы является
простота, т к здесь используются диоды и транзисторы с хорошо изученными температурными
характеристиками, которые можно найти в соответствующих справочниках Недостаток
метода — необходимость работы при заданном напряжении Такая температурная
компенсация используется в диапазоне 25±25°С.
Способ 4 (рис 5 40Г) В этой схеме в качестве схемы возбуждения используется источник тока Для возможности применения данной схемы мост должен обладать следующих свойством его ТКС (J3) должен быть равен ТКЧ (а), но с противоположным знаком. Если источник тока является температурно зависимым, а для моста с четырьмя идентичными плечами справедливо, тогда 
При условии выполнения условия (5 63) осуществляется
идеальная температурная компенсация, определяемая выражением (5 52) К
сожалению, этот метод компенсации имеет такие же недостатки как и второй способ
— снижение выходного напряжения и необходимость использования индивидуальных
характеристик конкретных
сенсоров в широком температурном диапазоне. Тем не менее
этот способ хорошо работает в случаях, когда приемлема точность порядка 1–2% от
полной шкалы измерений в температурном диапазоне более 50°С.
Из всего вышесказанного видно, что каждый метод
температурной компенсации имеет свои границы применения, и в каждом конкретном
случае необходимо учитывать ряд факторов: температурный диапазон, допустимую
температурную погрешность, окружающие условия, размеры, стоимость и т.д. К
сожалению, универсального решения этой проблемы не существует, выбор способа
температурной компенсации — это всегда компромисс между различными техническими
ограничениями.
Мостовые усилители Мостовые усилители резистивных сенсоров являются одной из самых распространенных интерфейсных схем. Они могут быть нескольких конфигураций. Выбор конфигурации зависит от требуемого способа заземления и от типа используемого источника эталонного напряжения (заземленного или плавающего). На рис. 5.41А отображен так называемый активный мост, в котором переменный резистор (датчик), включенный в цепь ОС ОУ, является плавающим (т.е. Мостовая схема Уитстона является самой популярной схемой, используемой для измерения отношений. На рис. 5.36 отображена принципиальная схема измерительного моста. Импедансы ZMoryT быть как активными, так и реактивными, т.е. они могут быть и обычными сопротивлениями, как в случае пьезорезистивных сенсоров, и конденсаторами, и индукторами. Для резисторов импеданс всегда равен R, для идеального конденсатора Z= l/lnJC, а для индуктора Z = 2nfL, где / — частота тока, протекающего через элемент. Выходное напряжение моста определяется следующим соотношением: 
Рис. 5.36. Принципиальная схема моста Уитстона
где V — опорное напряжение
При выполнении следующего условия мост считается
сбалансированным
Выходное напряжение сбалансированного моста равно нулю При
изменении импеданса в любом плече моста, он выходит из состояния равновесия, и
в зависимости от того увеличился или уменьшился этот импеданс, на выходе моста
появляется либо положительное, либо отрицательное напряжение Для определения
чувствительности выходного напряжения к изменению импеданса каждото плеча моста
(калибровочные коэффициенты) надо наши соответствующие частные производные
выражения (5 41)
Суммируя эти уравнения, получим выражение для
чувствительности моста
Внимательный анализ уравнения (5 44) показывает, что для
компенсации, таких явлений, как температурная нестабильность, дрейф и тд ,
идентичными должны быть только импедансы соседних пар (те Z и Z, Z3 и Z4)
рекомендуется также отметить, что для уравновешивания моста необходимо только
выполнение условия (5 42), импедансы при этом не обязаны быть равными На
практике, как правило, перемен ным делается только один импеданс моста Этим
импедансом часто является
датчик. Пусть Z, — импеданс датчика, тогда чувствительность
моста определяется выражением:
Резистивные мостовые схемы часто используются при работе со
струнными датчиками, пьезорезистивными преобразователями давления,
термисторными термометрами и другими датчиками, где необходимо компенсировать
влияние факторов окружающей среды. Подобные устройства также нашли свое
применение при работе с емкостными и магнитными датчиками, измеряющими
давление, перемещение, влажность и т.д.
Неуравновешенный мост Схема Уитстона (рис. 5.37А) часто работает в режиме несбалансированного моста. При включении в одно из плечей такого моста датчика получим измерительную систему, основанную на принципе рассогласования. Этот принцип заключается в определении напряжения в диагонали моста. Выходное напряжение моста является нелинейной функцией разбаланса моста А. Для малых значений разбаланса (Д<0.05), довольно часто встречающихся на практике, эту функцию можно считать квазилинейной. Максимальная чувствительность моста достигается, когда Rt=Rv a R=R. Когда R]»R2 или R]»R2, выходное напряжение моста значительно уменьшается. Считая, что к = RJRV можно записать следующее уравнение чувствительности моста: 
Рис. 5.37. Два способа использования мостовой схемы: А — неуравновешанный
мост, Б — уравновешенный мост с управляемой ОС
На рис. 5.38 отображена нормированная зависимость
чувствительности моста от отношения импедансов, рассчитанная по этой формуле. изолированным от земли). Если резистивный датчик описать функцией первого порядка.
При точной балансировке моста выходное напряжение V равно
половине напряжения возбуждения моста + V. Для более эффективной работы ОУ
значение п не должно превышать 50.
Рис. 5.41. Подключение ОУ к резистивному мосту.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
