CS218455B1

CS218455B1 - Power supply for semiconductor strain gauge bridge with temperature compensation of its sensitivity

Info

Publication number: CS218455B1
Application number: CS383281A
Authority: CS
Inventors: Frantisek Vanek
Original assignee: Frantisek Vanek
Priority date: 1981-05-25
Filing date: 1981-05-25
Publication date: 1983-02-25

Abstract

Podstatou vynálezu je zapojení vytvořené ze zdroje stálého napětí a rozdílového operačního zesilovače. První pól zdroje je přes první odpor připojen k invertujícímu vstupu rozdílového operačního zesilovače, jehož výstup je spojen jednak přes druhý odpor s jeho invertujícím vstupem, jednak přes třetí odpor s první výstupní svorkou zápojeni a zároveň přes čtvrtý odpor jednak s peinverťujícím vstupem rozdílového operačního zesilovače, jednak přes pátý odpor s druhou výstupní svorkou zapojení a zároveň s druhým pólem zdroje stálého napětí.The essence of the invention is a circuit formed from a constant voltage source and a differential operational amplifier. The first pole of the source is connected via a first resistor to the inverting input of the differential operational amplifier, the output of which is connected via a second resistor to its inverting input, via a third resistor to the first output terminal of the circuit and simultaneously via a fourth resistor to the inverting input of the differential operational amplifier, via a fifth resistor to the second output terminal of the circuit and simultaneously with the second pole of the constant voltage source.

Description

Vynález se týká zapojení zdroje napájecího proudu pro polovodičový tenzometrický můstek s teplotní kompenzací jeho citlivosti.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a power supply circuit for a semiconductor strain gauge bridge with temperature compensation for its sensitivity.

Teplotní kompenzace deformační citlivosti polovodičových tenzometrů se provádí již v samotné technologii jejich výroby a potom ještě kompenzačními obvody jako jsou například zapojení s teplotně závislými odpory, diodami a tranzistory. Tyto metody obvodové kompenzace u polovodičových snímačů a hlavně u snímačů s difundovanými odpory vykazují nedostatky, které se projevují nedostatečnou kompenzací vlivem malé rychlosti působení a dlouhodobou nestálostí kompenzačních prvků.Temperature compensation of deformation sensitivity of semiconductor strain gauges is performed in the technology of their production itself and then by compensating circuits such as circuits with temperature-dependent resistors, diodes and transistors. These methods of circuit compensation in semiconductor sensors and especially in sensors with diffused resistors show shortcomings, which are manifested by insufficient compensation due to low speed of action and long-term volatility of compensating elements.

Pro teplotní kompenzaci citlivosti polovodičového, tenzometrického můstku se dosud nejčastěji používá zapojení teplotně závislého dvojpólu s termistorem, jak je popsána například ve knize autorů Erlea a Walthera „Elektrisches Messen nichtelektrischer Grossen mít Halbleiterwiderstanden”, nakladatelství VEB Verlag Technik, vydání z r. 1971. Odpor termistoru klesá s teplotou exponenciálně. Paralelními a sériovými kombinacemi teplotně nezávislých odporů lze dosáhnout potřebné teplotní závislosti dvojpólu. Zapojením tohoto dvojpólu v napájecím obvodu můstku dochází ke kompenzaci teplotní závislosti citlivosti snímače. Nevýhodou popsané kompenzace je především malá časová stálost termistorů.For the temperature compensation of the sensitivity of a semiconductor, strain gauge bridge, the use of a temperature-dependent dipole with a thermistor has been the most widely used so far, as described in Erlea and Walther's book "Elektrisches Messen nichtelektrischer Grossen Have Halbleiterwiderstanden" thermistor decreases with temperature exponentially. The necessary temperature dependence of the dipole can be achieved by parallel and series combinations of temperature-independent resistors. By connecting this dipole in the bridge power circuit, the temperature dependence of the sensor sensitivity is compensated. The disadvantage of the described compensation is, above all, the low time stability of thermistors.

Nevýhody a nedostatky známých zapojení do značné míry snižuje nebo odstraňuje zapojení podle vynálezu, které se týká zdroje napájecího proudu pro polovodičový tenzometrický můstek s teplotní kompenzací jeho citlivosti, vytvořené ze zdroje stálého napětí a rozdílového zesilovače. Podstata vynálezu spočívá v tom, že první pól zdroje stálého napětí je přes první odpor připojen k invertujícímu vstupu rozdílového operačního zesilovače, jehož výstup je spojen jednak přes druhý odpor s jeho invertujícím vstupem, jednak přes třetí odpor s první výstupní svorkou zapojení a zároveň přes čtvrtý odpor jednak s neinvertujícím vstupem rozdílového operačního zesilovače, jednak přes pátý odpor se druhou výstupní svorkou zapojení a zároveň se druhým pólem zdroje stálého napětí.Disadvantages and drawbacks of the known circuitry substantially reduce or eliminate the circuitry of the invention relating to a power supply source for a semiconductor strain gauge bridge with temperature compensation of its sensitivity, formed from a constant voltage source and a differential amplifier. SUMMARY OF THE INVENTION The first pole of the constant voltage source is connected via a first resistor to an inverting input of a differential opamp whose output is connected via a second resistor to its inverting input, through a third resistor to a first output terminal of the circuit and through a fourth resistance on the one hand with non-inverting input of differential opamp, on the other hand through the fifth resistor with the second output terminal of the circuit and with the second pole of the constant voltage source.

Hlavní- výhodou zapojení podle vynálezu je malý počet odporů, takže nastavení požadované kompenzace lze provést jednoduše a přesně. Kromě toho zapojení podle vynálezu umožňuje kompenzovat snímače jak s velkou, ták s malou teplotní závislostí a to s kladnou i zápornou hodnotou kompenzace. Široký rozsah kompenzace u tohoto· zapojení je umožněn řízením celého napájecího proudu tenzometrického můstku. U jednoho ze známých zapojení je regulována pouze část napájecího napětí a to tak, že je užito řízeného zdroje napájecího napětí.The main advantage of the circuitry according to the invention is the small number of resistors, so that the adjustment of the desired compensation can be made simply and accurately. In addition, the circuit according to the invention makes it possible to compensate the sensors with both large, low temperature dependence and positive and negative compensation values. The wide compensation range of this circuit is made possible by controlling the entire supply current of the strain gauge bridge. In one known connection, only part of the supply voltage is regulated by using a controlled supply voltage source.

Další výhodou je skutečnost, že lze použít tenzometrického můstku s větší teplotní závislostí citlivosti. Zapojení dle vynálezu umožňuje snížit závislost citlivosti výstupního signálu na teplotě více než 100 X v intervalu plus minus 10 °C a 10 X v teplotním rozsahu od —10 °C do 60 °C, přičemž počáteční hodnotu napájecího proudu lze nastavit zdrojem stálého napětí.Another advantage is that a strain gauge bridge with greater temperature dependence of sensitivity can be used. The circuit according to the invention makes it possible to reduce the sensitivity of the output signal to a temperature of more than 100 X in an interval of plus or minus 10 ° C and 10 X in the temperature range of -10 ° C to 60 ° C.

Podstata vynálezu je blíže objasněna pomocí výkresu, na němž je znázorněno blokové schéma zapojení zdroje napájecího proudu pro polovodičový tenzometrický můstek s teplotní kompenzací jeho citlivosti.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention is explained in more detail by means of a drawing, in which a block diagram of a power supply source for a semiconductor strain gauge bridge with temperature compensation of its sensitivity is shown.

Na obraze je zapojení vytvořeno ze zdroje stálého napětí a rozdílového zesilovače. První pól zdroje 1 stálého napětí je přes první odpor 2 připojen k Invertujícímu vstupu rozdílového operačního zesilovače 3, jehož výstup je spojen jednak přes druhý odpor 4 s jeho invertujícím vstupem, jednak přes třetí odpor 5 s první výstupní svorkou 6 zapojení. Zároveň je tato první výstupní svorka 6 zapojení přes čtvrtý odpor 7 spojena jednak s neinvertujícím vstupem rozdílového operačního zesilovače 3, jednak přes pátý odpor 8 se druhou výstupní svorkou 9 zapojení a zároveň se druhým pólem zdroje 1 stálého napětí.In the picture, the connection is made from a constant voltage source and a differential amplifier. The first pole of the constant voltage source 1 is connected via the first resistor 2 to the inverting input of the differential opamp 3, whose output is connected via the second resistor 4 to its inverting input and through the third resistor 5 to the first output terminal 6 of the wiring. At the same time, this first output terminal 6 of the wiring through the fourth resistor 7 is connected both to the non-inverting input of the differential operational amplifier 3 and to the second terminal of the constant voltage source 1 via the fifth resistor 8 to the second output terminal 9.

- Způsob snížení vlivu- změn. teploty na citlivost polovodičových tenzometrických snímačů zapojených do můstku využívá možnosti samočinného nastavení napájecího proudu pomocí rozdílového operačního zesilovače se zpětnými vazbami, který představuje napěťově řízený zdroj proudu. Řídicí napětí je definováno rozdílem přesného referenčního napětí a napětí na napájecí diagonále tenzometrického můstku, které se mění úměrně s teplotou polovodičových tenzometrických snímačů zapojených do můstku. Rozdíl těchto· napětí spolu s výkonovým zesílením je proveden rozdílovým operačním zesilovačem. Podle druhu kompenzované teplotní závislosti citlivosti snímače je možno hodnotami pasivních prvků, tj. odporů, provést nastavení kladné nebo záporné zpětné vazby. Při výpočtu hodnot pasivních prvků se vychází z naměřených hodnot výstupního napětí tenzometrického můstku při jmenovitém zatížení a při několika hodnotách teploty. Pro kompenzaci tenzometrického snímače jsou hodnoty napájecího proudu například: při 0 °C je proud lOmA, při 50 °C je proud 11,5 m A.- How to reduce the impact - changes. temperature to the sensitivity of the bridge tensometric transducers connected to the bridge takes advantage of the possibility to adjust the supply current by means of a differential feedback amplifier, which is a voltage-controlled current source. The control voltage is defined by the difference of the exact reference voltage and the voltage across the supply diagonal of the strain gauge bridge, which changes in proportion to the temperature of the semiconductor strain gauge sensors connected to the bridge. The difference between these voltages and the power amplification is made by a differential opamp. Depending on the type of compensated temperature dependence of the sensitivity of the sensor, it is possible to set positive or negative feedback values by the values of passive elements, ie resistors. The calculation of passive element values is based on the measured values of the tensometric bridge output voltage at nominal load and at several temperature values. To compensate the strain gauge sensor, the supply current values are, for example: at 0 ° C the current is 10mA, at 50 ° C the current is 11.5 mA.

Volbou velikosti prvního, čtvrtého a pátého odporu lze vykompenzovat závislost citlivosti výstupního napětí tenzometrického můstku na teplotě. V případě požadavku minimálního počtu použitých odporů v uvedeném zapojení, například pro hybridní technologii zhotovení, lze pátý odpor 8 vypustit, hodnotu čtvrtého odporu 7 položit rovnou nule — to znamená odpor 7 překlenout a kompenzaci citlivosti provádět pouze volbou prvního odporu 2.By selecting the magnitude of the first, fourth and fifth resistors, the sensitivity of the strain gauge bridge output voltage to temperature can be compensated. If a minimum number of resistors is required in the circuit, for example for hybrid fabrication technology, the fifth resistor 8 can be omitted, the value of the fourth resistor 7 can be set equal to zero - that is to bridge the resistor 7.

Napájecí diagonála tenzometrického můstku je připojena mezi výstupní svorky 6, 9 zapojení. Využívá se skutečnosti, že velikost odporu polovodičového tenzometrického můstku závisí na teplotě a v souladu s touto závislostí se mění napájecí proud můstku v takové míře, aby se kompenzovala závislost citlivosti výstupního signálu na teplotě. S uvedeným zapojením lze tuto závislost snížit více než 100 X v intervalu plus minus 10 °C a 10 X v teplotním rozsahu od ~10 °C do 60 °C. Počáteční hodnotu napájecího proudu lze nastavit zdrojem stálého napětí.The strain gauge bridge supply diagonal is connected between the output terminals 6, 9 of the wiring. It is exploited that the resistance of the semiconductor strain gauge bridge is temperature dependent and accordingly the supply current of the bridge changes to such a degree as to compensate for the temperature sensitivity of the output signal. With this wiring, this dependence can be reduced by more than 100 X in the interval of plus or minus 10 ° C and 10 X in the temperature range from ~ 10 ° C to 60 ° C. The initial value of the supply current can be set by a constant voltage source.

Význam zapojení podle vynálezu spočívá v tom, že lze použít tenzometrického můstku s větší teplotní závislostí citlivosti. V případě, kdy je teplotní závislost citlivosti rovna nule, jsou původní hodnoty druhého, pátého a šestého odporu navzájem například sobě rovny a potom se zapojení podle vynálezu stává ovšem zapojením známého typu.The importance of the circuitry according to the invention is that a strain gauge bridge with a greater temperature dependence of sensitivity can be used. In the case where the temperature dependence of the sensitivity is zero, the original values of the second, fifth and sixth resistors are, for example, equal to each other and then the circuit according to the invention becomes, however, a circuit of known type.

Zapojení podle vynálezu je využitelné v měřicích a řídicích systémech všude tam, kde je zapotřebí snížit závislosti citlivosti různých druhů snímačů — například sil, tlaků, deformace — které využívají polovodičových tenzometrů, na teplotě.The wiring according to the invention can be used in measuring and control systems wherever there is a need to reduce the temperature dependence of the sensitivity of various types of sensors - for example forces, pressures, deformations - using semiconductor strain gauges.

Claims

Subject

Connection of a power supply for a semiconductor strain gauge bridge with temperature compensation of its sensitivity, formed from a constant voltage source and a differential operational amplifier, characterized in that the first pole of the constant voltage source (1j) is connected to the inverting input of the differential operational amplifier 3), whose output is connected to one another

YNÁLEZU resistor (4) with its inverting input, both through the third resistor (5) with the first output terminal (6) of the wiring and through the fourth resistor (7) with the non-inverting input of differential opamp (3) and through the fifth resistor (8). ) with the second output terminal (9) of the wiring and simultaneously with the second pole of the constant voltage source (1).