Описание схемы МТ11-4Ч (Раздаточный материал к курсовому проекту)

Описание принципиальной электрической схемы датчикаабсолютного давления МТ11-4Ч.00.000Э3.Схема представлена на чертеже МТ11-4Ч.01.000Э3 и функционально состоит из четырех частей: чувствительного элемента CHE; термокорректора (канал операционного усилителя DA1.1, резисторы R1…R9 платы датчика, терморезистор чувствительного элемента); двухраздельных источников питания плеч тензомоста (каналы операционного усилителя DA1.2,DA1.3, резисторы R10, R11)и усилителя сигнала датчика (канал операционного усилителяDA1.4, резисторы R12…R16 платы датчика).Конденсатор С1 выполняет функции фильтра питания, конденсатор С2 - фильтр выходного сигнала для обеспечения электромагнитной совместимости датчика давления.Для обработки сигнала использован четырехканальный усилитель TLC2264AIPW фирмы Texas Instruments.1.

Чувствительный элемент СНЕЧувствительный элемент СНЕ представляет из себя корпусированный вариант чувствительного элемента датчика абсолютного давления (ЧЭ ДАД), выпускаемый ОАО "Орбита". Вего основе, согласно заводской документации, тензомост на резисторах R1, R2, R3, R4 и набортерморезисторов R5…R10. Здесь тензо или пьезорезисторы обозначены pr1, pr2, pr3, pr4, используемый терморезистор - tr (рис.

1).1.1. Разварка и индексация выводов СНЕПо предварительной заводской документации резисторы R1, R2, R3, R4 образуют тензомост с выводами 1 и 2 для питания его плеч, выводом 4 общей точки плеч и выводами 3 и 5от концов диагонали этого тензомоста.Плечи тензомоста R1, R3 и R2, R4 существенно различны. При атмосферном давлениина диагонали одного плеча сигнал составляет на 20…30 мВ более половины напряжения питания тензомоста, на другом на 20…30 мВ менее.

В предварительной заводской документациине указано, где какое плечо.На рис.1. приведено изображение СНЕ в МТ11-4Ч.01.000 Э3. Вывод "0V" на рисункесоответствует точке 4 на заводской документации ЧЭ ДАД. Выводы R1 и R2 соответствуютточкам 1 и 2, а D1 и D2 - точкам 3 и 5. (Но R1 не обязательно соответствует точке 1). На R2разваривается вход, а на D2 диагональ того плеча, напряжение на диагонали которого при атмосферном давлении больше половины питания.

Соответственно на R1 и D1 - вход и диагональ противоположного плеча.Рис. 1. Схема чувствительного элемента СНЕ.В качестве датчика температуры для термокорректора использован терморезистор номиналом 6 кОм и Rs1900. Предварительные исследования показывают возможность этого. В1заводской документации такой резистор имеет выводы 8 и 9 или 12 и 13. Резистор с омностьюRs1900 и номиналом около 6 кОм должен быть одним концом разварен не общую точку диагоналей тензомоста, другим концом - на вывод с индексом Rt.Особое внимание следует уделить заливке ЧЭ гелем.1.2. Типовая характеристика чувствительного элемента ДАДОснову ЧЭ представляет мост из тензорезисторов, сформированных на границе мембраны. Пара резисторов параллельна ее границам и при приложении внешнего давленияуменьшает свое сопротивление, пара - перпендикулярна и свое сопротивление увеличивает.

Наповедение тензорезисторов существенное влияние оказывает и температура. Во первых, черезТКС (α), составляющий величину порядка 3*10-3, во вторых - через термические напряжения,на которые тензорезисторы реагируют изменением своего сопротивления, в третьих, чувствительность тензорезисторов зависит от температуры и падает примерно на 20% на каждые 100градусов. Все эти факторы порождают характерное поведение тензомоста ЧЭ, представленноена рис.

2.Рис. 2. Типовая характеристика тензомоста ЧЭ ДАД.На рисунке прямая 1 показывает зависимость выходного сигнала ЧЭ ДАД при комнатной, а прямая 2 - при повышенной температуре. Видно, что характеристика датчика с повышением температуры разворачивается относительно некоторой точки Uo, Po. Причем точка Росоставляет около 1/5 шкалы давлений.Принято описывать относительное изменение сопротивления тензорезистора от давления формулой:∆prδr == β 0 (1 − γ ⋅ τ ) ⋅ P ,……………………………………………(1)pr0здесь β0 - чувствительность тензорезистора по давлению при комнатной температуре(при пересчете заводских тензорезисторов β0=1.66±0.33% на шкалу давления); γ - относительная потеря чувствительности (γ=0.17…0.22% на градус отклонения температуры от комнатнойили 17…22% на 100ºС); τ - нормированный температурный диапазон от -1 до +1, охватывающий диапазон температур от -60 до +140ºС с центром в точке +40ºС; Р - безразмерная шкаладавлений от 0 до 1.Сигнал тензомоста будет равен:UUU m = пит (2δ r + 2ϕ ⋅ τ + 2δ ) = пит (2 β 0 (1 − γτ ) ⋅ P + 2ϕ ⋅ t + 2δ )22здесь U0 - напряжение питания моста, φ - несимметричная реакция растягивающегося исжимающегося тензорезисторов на температуру, δ - дополнительный независимый от давления и температуры сдвиг сигнала.Чтобы согласовать приведенную выше формулу с типовым поведением тензомоста,оценим значение коэффициентов φ и δ с учетом имеющихся экспериментальных данных.

Что2бы мост имел разворачивающуюся относительно точки U0, P0 характеристику, его уравнениедолжно иметь вид:UU m − U 0 = пит [2 β 0 (1 − γτ ) ⋅ ( P − P0 )]2Преобразуем это выражение и выделим члены, по разному зависящие от давления и оттемпературы, чтобы в последующем идентифицировать их с δ и φ:UUU m − U 0 = пит [2 β 0 (1 − γτ ) ⋅ ( P − P0 )] = пит (2 β 0 ⋅ P − 2 β 0 ⋅ P0 − 2 β 0 ⋅ γτ ⋅ P + 2 β 0 ⋅ γτ ⋅ P0 );22UUU m = пит [2 β 0 ⋅ P − 2 β 0 ⋅ γτ ⋅ P + 2 β 0 ⋅ P0 ⋅ γτ + 2( 0 − β 0 ⋅ P0 )];2U питЭто выражение можно преобразовать к виду:UU m = пит [2 β 0 (1 − γτ ) ⋅ P + 2ε ⋅ γτ + 2δ ];2здесь:ε=ϕ= P0 ⋅ β 0 - температурный коэффициент асимметрии резисторов тензомоста;γU0− β 0 ⋅ P0 = β 0 (YU − X P ) - коэффициент сдвига сигнала, Yu и Хр - относительныйU питсдвиг точки разворота по осям U и P.

Эти сдвиги обычно близки и коэффициентом сдвига вдальнейшем пренебрежем.В дальнейших расчетах величину относительного асимметричного изменения сопротивления тензорезистора в тензомостах будем рассчитывать по формуле:δ r = β 0 (1 − γτ ) ⋅ P + ε ⋅ γτβ0 = 1.66±0.33·10-2;γ = 0.2±0.3·10-3 или 17…23% на единицу шкалы температур или 100°С;ε = (0, 4 ± 0, 05) ⋅ 10−3 на единицу шкалы температур или 100°С;Приведенные значения существенно зависят от чувствительного элемента и качестваего корпусирования. Особенно недопустимо касание пленки поверхностного натяжения защитного силиконового геля поверхности кристалла.Для компенсации погрешностей на краях температурного диапазона необходимо учитывать квадратичные погрешности.

Реально потеря чувствительности кремниевых тензорезисторов нелинейна и по результатам исследований автора и из анализа результатов других исследований имеет вид:β = β 0 [1 − (γτ ) + kγ ⋅ (γτ )2 ];δ =здесь τ - нормированный температурный диапазон от -1 до +1, охватывающий диапазонтемператур от -60 до +140ºС с центром в точке +40ºС, kγ - показатель кривизны зависимости(для экспоненты он составляет 0,5, для гиперболы - 1).

По результатам автора kγ составляет0,4…0,5. Величина γτ равна около 0.2, поэтому квадратичные погрешности на краях диапазонасоставляют около 2%, что хорошо согласуется с практическими результатами настройки датчиков. С учетом нелинейности сигнал тензомоста можно выразить:UU m − U 0 = пит [2 β 0 [1 − (γτ ) + kγ (γτ ) 2 ] ⋅ ( P − P0 )] =2U пит=[2 β 0 [1 − (γτ ) + kγ (γτ ) 2 ] ⋅ P − 2 β 0 ⋅ P0 + 2 β 0 ⋅ (γτ ) ⋅ P0 − 2 β 0 ⋅ kγ ⋅ (γτ ) 2 ⋅ P0 ];2UUU m = пит [2 β 0 [1 − (γτ ) + kγ (γτ )2 ] ⋅ P + 2 β 0 ⋅ P0 ⋅ (γτ ) − 2 β 0 ⋅ P0 ⋅ kγ ⋅ (γτ ) 2 + 2( 0 − β 0 ⋅ P0 )];U пит2UU m = пит [2 β 0 [1 − (γτ ) + kγ (γτ ) 2 ] ⋅ P + 2ε ⋅ (γτ ) − 2ε ⋅ kγ ⋅ (γτ ) 2 + 2δ )];23Из полученной формулы выделим и проанализируем температурные погрешности ∆ t.∆ t = U пит (ε − β 0 ⋅ P ) ⋅ (γτ − (γτ ) 2 ); …………………………………………………….(2).Выражение (2) показывает, что существует некоторая точка давлений Р0, в которой отсутствуют температурные погрешности, что хорошо согласуется с практическим опытом.42.

ТермокорректорСлужит для выработки двух температурно-зависимых напряжений Vd1 и Vd2, необходимых для независимой компенсации температурной погрешности потери чувствительности(компенсации мультипликативной погрешности разворота характеристики) и аддитивной температурной погрешности (компенсации погрешности сдвига характеристики).Результаты исследования терморезисторов, предоставленные ООО "Орбита", показывают, что для термокоррекции целесообразно использовать терморезисторы с Rs 1900 Ом/кв.В таблице 1 представлены результаты исследования типового терморезистора с такими характеристиками с использованием линейной (ЛА) и экспоненциальной (ЭА) аппроксимации.Таблица 1. Результаты исследования терморезисторов с Rs 1900 Ом/кв.T, CRt, ОмЛАОткл. ЛА ЭАОткл.

ЭА-36,530692923,03,513068,3 -0,02-25,031783108,41,673204,1 0,63-0,935033497,00,143508,5 0,139,936293671,2-1,023654,2 0,6119,937903832,4-1,023794,4 0,1124,938803913,1-0,803866,5 -0,3230,939704009,8-0,963954,9 -0,3636,840504105,0-1,324043,8 -0,1542,541504196,9-1,134131,5 -0,4448,442504292,0-1,014224,4 -0,6266,745504587,1-0,894525,8 -0,5872,646404682,2-1,024627,5 -0,3078,347404774,2-0,824727,9 -0,2984,548504874,1-0,584839,6 -0,2590,249504966,1-0,394944,6 -0,1396,450605066,0-0,155061,4 0,03102,251805159,60,495173,2 -0,16108,252705256,30,335291,4 0,5211454005349,81,215408,3 0,20121,855405475,61,555569,5 0,71127,656605569,12,195692,5 0,78ЛА - линейная аппроксимация.Откл. ЛА - отклонения от линейной аппроксимации.ЭА - экспоненциальная аппроксимация.Откл. ЭА - отклонения от экспоненциальной аппроксимации.На рис.3 представлена типовая характеристика такого резистора и результаты его линейной аппроксимации.

Из рисунка и результатов, представленных в таблице видно, что характеристика близка к экспоненциальной. Отклонения при этом составляют менее процента,что укладывается в погрешности измерения. Линейная аппроксимация на холоде дает отклонения до 3,5%, что недопустимо исходя из требований к точности датчика.56000Rt = R(40)(1+ a( R-40)); R(40)=4156,652; a=0,003879550050004500400035003000-401060110160Рис.3.

Типовая характеристика резистора с Rs=1900 Ом/кв. и результатыего линейной аппроксимации.Нелинейность и альфа4100*a(t)Нелин.%3100*a(Лин)210-50050100150-1-2Рис.4. Нелинейность и температурный градиент характеристики кремниевоготерморезистора.На рис. 4 приведена зависимость температурного градиента и нелинейности этого резистора в зависимости от значения температуры. Видна существенная нелинейность характеристики на концах диапазона и рост градиента с ростом температуры. Причем сам градиентпрактически линеен и имеет наклон +0.12*10-4 °С-1. Потеря чувствительности кремниевого6тензорезистора также может не быть постоянной в широком диапазоне температур и задачасхемы - компенсировать эту потерю за счет сдвига (аддитивная компенсация) и разворота(мультипликативная компенсация) характеристики тензорезистора.Параллельным шунтированием терморезистора можно добиться удовлетворительнойлинейности.