Цифровой измеритель разбаланса тензомоста

 

Министерство образования РФ

Пензенский государственный университет

Кафедра «Информационно-измерительная техника»

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине: «Схемотехника измерительных устройств»

на тему: «Цифровой измеритель разбаланса тензомоста»

 

 

 

 

 

                              

 

 

 

                                                                                          Выполнил:

                                                                                            

                                                                                     Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пенза 2014

 

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит  26 листов формата А4, 10 источников и 3 приложения.

 

ТЕНЗОРЕЗИСТОР, ТЕНЗОМОСТ, ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, АЦП, РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ, УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОЙ ИНДИКАЦИИ.

 

Цель работы — разработка цифрового измерителя разбаланса тензомоста.

Результатом работы является разработка электрической и принципиальной схем прибора, отвечающего заданным параметрам и предназначенного для измерения разбаланса тензомоста.

 

 СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 ВВЕДЕНИЕ

Тензорези́стор — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия тензорезистора заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Конструктивно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде петлеобразной решетки, который крепится с подложкой с помощью клея. Чувствительные элементы обычно изготавливаются из тонкой проволоки, фольги, а также могут быть образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, пленку и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные концы или контактные площадки. На исследуемый объект тензорезисторы крепятся с помощью связующего (клея) со стороны подложки.

 

 

 

 

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Целью настоящего курсового проекта является разработка цифрового измерителя разбаланса тензомоста, который должен отвечать следующим техническим требованиям:

- номинальное значение тензорезистора, Ом – 700;

- относительное изменение сопротивления, % – 0…0,002;

- напряжение питания, В – 5;

- дополнительная приведенная погрешность, % – 1;

- тип АЦП – интегрирующий.

Для того чтобы измерить деформацию с помощью тензорезистора достаточно использовать делитель напряжения, состоящий из тензорезистора и постоянного резистора (см. рисунок 1). R1 – постоянный резистор R2 – тензорезистор, R1=R2.

Рисунок 1 – Делитель с тензорезистором

 

Вследствие деформации сопротивление увеличивается, и напряжение в средней точке тоже увеличивается. Однако основным недостатком данной схемы является то, что напряжение смещения (покоя) на несколько порядков отличается от изменений напряжений вследствие изменения сопротивления тензорезистора. Другими словами при использовании данной схемы возникают неоправданно жесткие требования к динамическому диапазону измерительного усилителя. Например при питании делителя от постоянного напряжения величиной 5,0 В, необходимо на уровне 2,5 В измерять напряжения порядка единиц милливольт с точностью порядка десятков мкВ а это как никак минимум  20 log2,5/10-6 ≈ 100 дБ! Это значит, что нужен достаточно дорогой усилитель с широким входным динамическим диапазоном.

Но существует простое решение: если данную схему дополнить еще одним делителем и измерять сигнал между двумя средними точками, то это будет достаточно простым решением проблемы. Рассмотрим такую схему на рисунке 2. Резисторы R1 и R2 имеют аналогичное назначение, как и в предыдущей схеме. А резисторы R3 и R4 – постоянные резисторы. R1=R2=R3=R4.

 

Рисунок 2 - Тензомост

На обоих входах дифференциального усилителя при «разгруженном» тензорезисторе в идеальном случае должно быть одинаковое напряжение. В реальности на мосту присутствует небольшое напряжение, вызванное несогласованностью сопротивлений, называемое разбалансировкой моста. Это напряжение можно исключить, поставив вместо одного из постоянных резисторов потенциометр или вычитая его из полученного результата.

При такой схеме можно проводить измерения усилителем со сравнительно узким динамическим диапазоном, то есть снизить требования к измерительному усилителю.

По условию, в схеме измерителя применяется интегрирующий АЦП. Рассмотрим подробнее его структуру.

Интегрирующие АЦП классифицируются, как правило, по типу преобразователя напряжение - импульная последовательность. Бывают преобразователи напряжение-частота (ПНЧ) либо - напряжение-время (ПНВ). Кроме того возможно построение преобразователей с постоянным тактом, циклом, зарядом или напряжением. Рассмотрим первый вариант.

Временные диаграммы работы АЦП с двойным интегрированием представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 -  Временные диаграммы работы АЦП

Это двухтактный преобразователь с заданной длительностью первого такта.

В течении первого такта происходит заряд интегрирующего конденсатора. Напряжение на нем в конце такта пропорционально интегралу входного напряжения.

Во время второго такта преобразования происходит разряд конденсатора заданным током до нулевого напряжения. Длительность этого такта и есть выходной сигнал преобразователя.

Достоинством данного варианта построения интегрирующего АЦП является независимость результата преобразователя от емкости интегрирующего конденсатора и пропорциональное изменение длительности второго такта при изменении длительности первого. Это позволяет снизить требования к точности тактовой частоты. В результате именно этот тип преобразователя используется в большинстве цифровых измерительных приборах.

Структура АЦП представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 -  Структурная схема АЦП

Данный тип интегрирующего преобразователя является наиболее простым при достаточной точности.

Он является преобразователем с заданным зарядом. В первом (очень кратковременном) такте в интегрирующий конденсатор вносится заданный электрический заряд. Во время второго - происходит компенсация этого заряда зарядом проинтегрированного входного тока преобразователя. Поскольку длительность первого такта мала то на выходе преобразователя измеряют длительность (или частоту) всего цикла.

 

 

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

По заданному значению относительного изменения сопротивления находим максимальное изменение сопротивления тензорезистора ΔRт

ΔRт = γ∙Rт/100 = 1∙700/100 = 7 Ом

(1)

Таким образом при максимальном значении разбаланса тензомоста сопротивление тензорезистора будет равно

Rт.мин = 700 – 7 = 693 Ом

(2)

Найдем максимальное значение разбаланса тензомоста Uab при  напряжении питания +5 В.

Uа = 2,5 В, так как R3 = R4.

Ub = Uп∙R2/(R1+R2) = 5∙693/(700+693) = 2,487 В

(3)

Отсюда

Uab = Ua – Ub =2,5 – 2,487 = 0,013 В

(4)

 

На рисунке 5 представлена схема дифференциального усилителя.

Рисунок 5 – Схема дифференциального ОУ

Примем напряжение на выходе ОУ при максимальном значении разбаланса равным 1 В. Тогда коэффициент усиления Ку ОУ будет равен

 

Данная схема предназначена для получения разности двух напряжений, при этом каждое из них предварительно умножается на некоторую константу (константы определяются резисторами).

В случае, когда и , имеем:

Таким образом Ку будет равен

Ку = Uвых/Uвх = 1/0,013 = 76,9

(5)

 

Разрядность индикатора определяется исходя из заданной приведенной погрешности измерения и диапазона измеряемого входного напряжения.

γ = 100∙∆ab/Uизм.мах

(6)

 

Минимальное значение дискретности АЦП будет равно

 

∆cч = γ∙Uизм.мах /100

(7)

 

Подставляя числовые значения, получим

∆ = 1∙0,013/100 = 0,00013 В

 

Таким образом, число минимальное число разрядов индикатора будет равно

N ≥ log10(Uизм.мах/∆) = 3

Количество разрядов индикатора, необходимое для отображения результата измерений с заданной погрешностью, равно 3.

При этом частота генератора определяется по выражению

Tгоч = Тх/(Uизм.мах/∆) = 20∙10-3/1000 = 20∙10-6 c

А частота Fx будет равна

Fx = 1/Tгоч = 1/20∙10-6 = 50 кГц

 

 

 

 

3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

3.1 ВЫБОР ЭЛЕМЕНОВ СХЕМЫ

В соответствии с заданием схема проектируемого устройства предназначена для измерения разбаланса тензомоста. На основе анализа технического задания предполагается выбор такой схемы, которая обеспечивала бы заданную точность измерений и при этом обладала малой потребляемой мощностью и габаритами. Такой вариант реализации схемы предусматривает применение следующих узлов:

- тензомост;

- дифференциальный усилитель (ДУ);

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

- блок индикации (БИ).

Тензомост предназначен для формирования выходного напряжения постоянного тока в случае отклонения сопротивления тензорезистора от его номинального значения.

ДУ предназначен для усиления разности сигналов, поступающих с тензомоста и передачи усиленного сигнала на вход АЦП.

АЦП предназначен для приема сигнала с ДУ и преобразования его в цифровой код.

БИ предназначен для отображения результатов измерений в цифровой форме.

 

3.2 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА  ПО СТРУКТУРНОЙ СХЕМЕ

Схема электрическая структурная проектируемого прибора представлена в приложении А. После включении электропитания начинается функционирование прибора.

С выхода тензомоста напряжение постоянного тока поступает на входы дифференциального усилителя. Разность напряжений на входах усилителя усиливается и с выхода ДУ усиленный сигнал поступает на вход АЦП двойного интегрирования. Аналоговый сигнал, поступающий на вход АЦП, преобразуется в восьмиразрядный двоичный код. Разрядность АЦП определяется заданной точностью измерений и рассчитывается в разделе 2 настоящей ПЗ.

С выходов АЦП двоичный код выводится на блок индикации, который реализован на двухразрядном семисегментном индикаторе.

 

 

4 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

4.1 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Выбор элементной базы проектируемого устройства во многом определяет такие его технические характеристики как быстродействие, помехоустойчивость, потребляемая мощность, габариты и др.

Исходя из вышесказанного и в соответствии с заданием, схема вольтметра будет строиться на основе интегральных микросхем КМОП. Точность преобразования определяется заданной погрешностью измерения. В соответствии с заданием на проектирование результат отображается на устройстве индикации, в качестве которого предполагается использовать семисегментный светодиодный индикатор. Разрядность индикатора определяется заданной точностью измерения.

4.2 ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Дифференциальный усилитель (ДУ) реализован на микросхеме ОУ К140УД708, которые представляют собой операционные усилители средней точности с высоким усилением, малыми входными токами, внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания.