CS259925B1

CS259925B1 - Amplifier connection and constant current sources for strain gauge half-bridges

Info

Publication number: CS259925B1
Application number: CS8610029A
Authority: CS
Inventors: Frantisek Vanek; Frantisek Machala; Karel Pospisil
Original assignee: Frantisek Vanek; Frantisek Machala; Karel Pospisil
Priority date: 1986-12-28
Filing date: 1986-12-28
Publication date: 1988-11-15
Also published as: CS1002986A1

Abstract

Řešení se týká zapojení zesilovače a zdroje konstantního proudu pro tenzometrické polomůstky a lze předpokládat, že nalezne uplatnění ve- všech měřicích a řídicích systémech, kde je zapotřebí tenzometrických snímačů malých rozměrů s velkou citlivostí. Zapojení řeší problém dvojnásobného zvětšení výstupního napětí tenzometrického snímače, tím významné zlepšení poměru signál/šum a dále zmenšení tenzometrických snímačů s pouhými třemi vývody. Druhým nárokem se řeší problém paralelního připojení libovolného počtu tenzometrických snímačů s jedním symetrickým napájecím zdrojem. Podstata řešení spočívá v tom, že k výstupním svorkám zdroje proudu je připojena sériová kombinace dvou tenzometrů a k ní paralelně sériová kombinace dvou sčítacích odporů. Společný spoj dvou tenzometrů je připojen přes druhý zpětnovazební odpor k neinvertujícímu vstupu operačního zesilovače a ke vstupu napěEového sledovače. Společný spoj dvou sčítacich odporů je připojen k invertujícímu vstupu operačního zesilovače a jiřes první zpětnovazební odpor k výstupu operačního zesilovače, který je připojen k první výstupní napěEové svorce. Výstup napěEového sledovače je připojen k druhé výstupní napěEové svorce.The solution concerns the connection of an amplifier and a constant current source for strain gauge half-bridges and can be assumed to find application in all measuring and control systems where small strain gauge sensors with high sensitivity are required. The connection solves the problem of doubling the output voltage of the strain gauge sensor, thereby significantly improving the signal/noise ratio and further reducing the size of strain gauge sensors with only three terminals. The second claim solves the problem of parallel connection of any number of strain gauge sensors with one symmetrical power supply. The essence of the solution lies in the fact that a series combination of two strain gauges is connected to the output terminals of the current source and a series combination of two summing resistors is connected to it in parallel. The common connection of the two strain gauges is connected via the second feedback resistor to the non-inverting input of the operational amplifier and to the input of the voltage follower. The common junction of the two summing resistors is connected to the inverting input of the operational amplifier and the first feedback resistor is connected to the output of the operational amplifier, which is connected to the first output voltage terminal. The output of the voltage follower is connected to the second output voltage terminal.

Description

Vynález se týká zapojení zesilovače a zdroje konstantního proudu pro tenzometrické polomůstky.The present invention relates to an amplifier and a constant current source for strain gauge bridges.

Pro převod neelektrické veličiny např. tlaku, síly na elektrické napětí se v současné době využívá piezorezistentního jevu v kovech, nebo v polovodičích. Pro převedení změny odporu tenzometrů na změny stejnosměrného elektrického napětí, při současném potlačení souhlasných změn odporu tenzometrů, např. s teplotou se nejčastěji používá zapojení tenzometrů do můstku, nebo polomůstku. U můstkového zapojení tenzometrů slouží vždy dva tenzometry jako zdroje konstantního proudu pro další dva tenzometry, na kterých se měří napěťový úbytek.A piezoresistant phenomenon in metals or semiconductors is currently used to convert a non-electrical quantity, eg pressure, force to electrical voltage. To convert the change in resistance of strain gauges to changes in DC voltage, while suppressing consistent changes in strain gauges, eg with temperature, the most commonly used connection of strain gauges in the bridge or half bridge. In the bridge connection of strain gauges, two strain gauges always serve as a constant current source for the other two strain gauges on which the voltage drop is measured.

Maximální výstupní signál z takt^ vytvořeného můstku ae čtyř tenzometrů např. difundovaných v pružném křemíkovém členu je omezen maximální výkonovou ztrátou na všech tenzometrech.The maximum output signal of the clocked bridge and four strain gauges, eg diffused in a resilient silicon member, is limited by the maximum power loss on all strain gauges.

V případě polomůstkového zapojení tenzometrů se změna odporu tenzometrů převede na elektrické napětí bud pomocí dvou pasivních vnějších odporů, nebo jsou napájeny ze dvou zdrojů konstantního proudu. V prvním případě se sníží výstupní napětí snímače na polovinu a v druhém případě nelze snadno zhotovit dva zdroje konstantního proudu o naprosto shodné stabilitě.In the case of a half-bridge connection of strain gauges, the change in resistance of the strain gauges is converted to electrical voltage either by two passive external resistors or supplied by two constant current sources. In the first case, the output voltage of the sensor is halved and in the second case it is not possible to easily produce two sources of constant current with exactly the same stability.

Kromě uvedených nedostatků v dosažení maximální citlivosti snímačů je nutno mít na zřeteli počet tenzometrů a v případě můstkového zapojení i počet vývodů. Např. u vyráběných polovodičových snímačů tlaku se pro teplotní kompenzaci používá rozpojeného můstku tj.In addition to the mentioned shortcomings in achieving maximum sensitivity of the sensors, it is necessary to take into account the number of strain gauges and, in the case of a bridge connection, the number of outlets. E.g. in the manufactured semiconductor pressure sensors, an open bridge is used for temperature compensation;

vývodů. Tyto vývody podstatně zvětšují rozměry svorkovnic a tím i snímačů, nehledě na pracnost zhotovení těchto vývodů od vlastního kontaktování na čipu až po přívody k měřicímu a vyhodnocovacímu zařízení.outlets. These terminals considerably increase the dimensions of the terminal blocks and hence the sensors, regardless of the laboriousness of making these terminals, from the actual contacting on the chip to the leads to the measuring and evaluation device.

Uvedené nedostatky odstraňuje zapojení zesilovače a zdroje konstantního proudu pro tenzometrické polomůstky, jehož podstata spočívá v tom, že k výstupním svorkám zdroje proudu je připojena sériová kombinace prvního a druhého tenzometrů a k ní paralelně sériová kombinace prvního a druhého sčítacího odporu. Společný spoj prvního a druhého sčítacího odporu je připojen k invertujícímu vstupu operačního zesilovače a současně přes první zpětnovazební odpor k výstupu operačního zesilovače, připojeného k první výstupní napěťové svorce. Společný spoj prvního tenzometrů a druhého tenzometrů je spojen jednak se vstupem napěťového sledovače, jehož výstup je připojen k druhé výstupní napěťové svorce.These drawbacks are eliminated by the connection of an amplifier and a constant current source for strain gauge bridges, which is characterized in that a series combination of the first and second strain gauges is connected to the output terminals of the current source and in parallel a series combination of the first and second addition resistors. The common connection of the first and second addition resistors is connected to the inverting input of the operational amplifier and simultaneously through the first feedback resistor to the output of the operational amplifier connected to the first output voltage terminal. The common connection of the first strain gauges and the second strain gauges is connected to the input of the voltage follower, the output of which is connected to the second output voltage terminal.

Při současném měření s více paralelně zapojenými snímači je první výstupní napěťová svorka připojena k prvnímu vstupu izolačního zdroje, zatímco druhá výstupní napěťová svorka je připojena k jeho druhému vstupu. Výstup izolačního zdroje je připojen k první výstupní proudové svorce, zatímco druhá výstupní svorka je připojena ke střednímu vývodu symetrického zdroje, kladná výstupní svorka ke kladnému pólu a záporná výstupní svorka k zápornému pólu symetrického zdroje.In simultaneous measurements with multiple sensors connected in parallel, the first output voltage terminal is connected to the first input of the isolation source, while the second output voltage terminal is connected to its second input. The isolation source output is connected to the first output current terminal, while the second output terminal is connected to the center terminal of the symmetrical source, the positive output terminal to the positive pole, and the negative output terminal to the negative pole of the symmetrical source.

Hlavní výhoda zapojení zesilovače a zdroje podle vynálezu spočívá ve zvýšení výstupního napětí tenzometrického snímače na dvojnásobnou hodnotu, čímž se výrazně zlepší hodnota poměru signál/šum. Další výhodou uvedeného zapojení je, že umožňuje vytvoření tenzometrického snímače ze dvou tenzometrů, pouze se třemi vývody, což se projevuje v menších rozměrech snímače i svorkovnice a významné úspoře spojovacích přívodů resp. kabelů.The main advantage of the amplifier and power supply connection according to the invention is that the output voltage of the strain gauge sensor is doubled, thereby greatly improving the signal / noise ratio. Another advantage of this connection is that it allows the creation of a strain gauge sensor from two strain gauges, with only three outlets, which results in smaller dimensions of the sensor and the terminal board and a significant saving of connecting leads resp. cables.

Zařazení izolačního zdroje konstantního proudu, jak mezi výstup operačního zesilovače a výstupní proudovou svorku, tak mezi výstup napěťového sledovače a výstupní proudovou svorku, umožňuje paralelní připojení libovolného počtu tenzometrických snímačů u zapojení podle vynálezu s jedním symetrickým napájecím zdrojem.The inclusion of a constant current isolation source, both between the output of the operational amplifier and the output current terminal, as well as between the output of the voltage follower and the output current terminal, allows parallel connection of any number of strain gauge sensors in the circuit according to the invention with a single symmetrical power supply.

Zapojení zesilovače a 2droje konstantního proudu pro tenzometrické polomůstky bude blíže popsáno podle části A a části B blokového schéma na obrázku, znázorňujícího uvedené zapojení. Část A blokového schéma sestává ze zdroje _1 konstantního proudu, k jehož výstupním svorkám la a lb je připojena sériová kombinace prvního tenzometrů 2 ^a druhého tenzometrů 2, která tvoří snímač uvedeného zapojení. Paralelně k nim je připojena sériová kombinace prvního sčítacího odporu 4 a*druhého sčítacího odporu 5, jejichž společný spoj je připojen přes první zpětnovazební odpor 2 k výstupu 82 operačního zesilovače 2 ^za účelem zesílení výstupního signálu z tenzometrického snímače k invertujícímu vstupu 811 operačního zesilovače 8., jehož výstup je připojen k první výstupní napěťové svorce 12- Společný spoj prvního tenzometru 2 a druhého tenzometru 2 3^e spojen za účelem zesílení výstupního signálu z tenzometrické ho snímače jednak přes druhý zpětnovazební odpor T_ s neinvertujícím vstupem 812 operačního zesilovače 2 ^a jednak se vstupem 91 napěťového sledovače 9_, jehož výstup 92 je připojen k druhé výstupní napěťové svorce 11.The wiring of the amplifier and the constant current source 2 for the strain gauge bridges will be described in detail in part A and part B of the block diagram in the figure showing said wiring. Part A of the block diagram consists of a constant current source 1 to whose output terminals 1a and 1b is connected a series combination of the first strain gauges 2 ^{and the} second strain gauges 2, which form the sensor of said circuit. In parallel thereto is connected a serial combination of a first adder resistor 4 and * second summing resistor 5 whose common junction is coupled via a first feedback resistor 2 to the output 82 of the operational amplifier 2 ⁱⁿ order ^to amplify the output signal from the strain gauges to the inverting input 811 of operational amplifier eighth whose output is connected to the first voltage output terminal 12-gage common first link 2 and second strain gauges ³ and 2 connected in order to amplify the output signal from the strain gauge sensors it partly through the second feedback resistor T_ non-inverting input 812 of the operational amplifier 2 ^and one with the input 91 of a voltage follower 9 whose output 92 is connected to a second output voltage terminal 11.

V zapojení zesilovače a zdroje podle části B blokového schéma na obrázku je první výstupní napěťová svorka 10 připojena k prvnímu vstupu 121 izolačního zdroje 12 za účelem oddělení výstupu 82 operačního zesilovače 2 °d první výstupní proudové svorky 13 ♦ Druhá výstupní napěťová svorka 11 je připojena k druhému vstupu 122 izolačního zdroje 12, za účelem oddělení výstupu 92 napěťového sledovače 2 od první výstupní proudové svorky 13. Druhá výstupní proudová svorka 14 je připojena ke středu symetrického zdroje 15, 12' kladná výstupní svorka ke kladnému pólu a záporná výstupní svorka k zápornému pólu symetrického zdroje.In the amplifier and power supply wiring according to Part B of the block diagram in the figure, the first output voltage terminal 10 is connected to the first input 121 of the isolation source 12 to isolate the output 82 of the operational amplifier 2 ° d of the first output current terminal 13. a second input 122 of the isolation source 12 to separate the output 92 of the voltage follower 2 from the first output current terminal 13. The second output current terminal 14 is connected to the center of the symmetrical source 15, 12 ', the positive output terminal to the positive pole and negative output terminal to the negative pole. symmetrical source.

činnost zapojení zesilovače a zdroje konstantního proudu pro tenzometrické polomůstky bude blíže vysvětlena podle blokového schéma na obr. sestávajícího z části A a B. Část A blokového schéma zapojení sestává ze zdroje 2 konstantního proudu, který napájí snímač, vytvořený sériovým zapojením dvou tenzometrů 2_, 3_, řazených tak, aby se změny úbytků napětí vznikající na odporech tenzometrů, v důsledku jejich deformací, sčítaly. Změny napětí tvoří měrný signál, který se přivádí jednak ze společného spoje sčítacích odporů 2 na invertující vstup 811 operačního zesilovače 2' jednak ze společného spoje obou tenzometrů 2_, 2 ke vstupu 91 napěťového sledovače 2 ^a přes zpětnovazební odpor Ί_ k druhému vstupu 812 operačního zesilovače 2 ^a P° zesílení na výstupní napěťové svorky 20' JJL ^a odtud k měřicímu a vyhodnocovacímu zařízení, část B blokového schéma zapojení je třeba použít v případě současného měření několika tenzometrickými snímači na různých místech, kdy je nutné, aby výstup 82 operačního zesilovače 2 ^a výstup 92 napěťového sledovače 2 byl impedančně oddělen od první výstupní proudové svorky 13 pomocí izolovaného zdroje 12 konstantního proudu řízeného napětím. Výstupní proud mezi první výstupní proudovou svorkou 13 a druhou proudovou svorkou 21' spojenou se středem symetrického zdroje 15, 16 je úměrný změnám úbytků napětí vznikajících na odporech tenzometrů v důsledku jejich deformací.the operation of the amplifier and the constant current source for the strain gauge bridges will be explained in more detail with reference to the block diagram in Fig. A and B. Part A of the block diagram consists of a constant current source 2 supplying a sensor formed by series connection of two strain gauges 2, 3. , arranged in such a way that the changes of voltage drop resulting from the strain gauge resistances due to their deformations add up. The voltage changes form a measurement signal which is supplied both from the common coupling of the totalization resistors 2 to the inverting input 811 of the operational amplifier 2 'and from the common connection of the two strain gauges 2, 2 to the input 91 of the voltage follower 2 ^. 2 ^and P 'gain to the voltage output terminals 20' JJL ^and thence to the measuring and evaluating device, part B of the block diagram to be applied in case of simultaneous measurements of several wire strain sensors at various locations where it is necessary that the output 82 of the operational amplifier 2 ^and the output 92 of the voltage follower 2 was impedance separated from the first output current terminal 13 by an isolated voltage-controlled constant current source 12. The output current between the first output current terminal 13 and the second current terminal 21 'connected to the center of the symmetrical source 15, 16 is proportional to the variations in voltage drops occurring at the strain gauge resistors due to their deformations.

Claims

1. An amplifier and a constant current source for strain-gauge bridges, characterized in that a series combination of the first strain gauge (2) and the second strain gauge (3) and a series combination of the first one the summation resistor (4) and the second summation resistor (5), whose common link is connected to the inverting input (811) of the operational amplifier (8) and through the first feedback resistor (6) to the output (82) of the operational amplifier (8) connected to the first output voltage terminal (10), while the common connection of the first strain gauge (2) and the second strain gauge (3) is connected via a second feedback resistor (7) to the non-inverting input (812) of the operational amplifier (8) and input (91) a voltage follower (9) whose output (92) is connected to a second output voltage terminal (11).

2. The amplifier and power supply connection of claim 1, wherein the first output voltage terminal (10) is connected to the first input (121) of the isolation source (12), while the second output voltage terminal (11) is connected to the second input (12). 122) of an insulating source (12) whose output (123) is connected to the first output current terminal (13), while the second output current terminal (14) is connected to the middle terminal of the symmetrical source (15, 16), the positive output terminal to the positive pole and negative symmetric source (15, 16).