Прецизионных измерений

Как уже указывалось в главе третьей, точные и прецизионные резисторы необходимо применять только в особо необходимых случаях.

1. Номинальное сопротивление. Резисторы, изготовляемые промышленностью, имеют сопротивление от сотых долей Ома до сотен гигаом. Номинальное значение сопротивлений выбирают из ряда чисел, который установлен соответствующим государственным стандартом. Резисторы широкого применения имеют отклонение фактического значения сопротивления от номинального (допуск) +5, ±10, ±20%. Наряду с этим выпускают прецизионные резисторы с допусками 0,01—2%.

По назначению непроволочные постоянные резисторы подразделяют на резисторы широкого применения и специальные. К категории специальных относят высокомегаомные, высокочастотные, высоковольтные, прецизионные резисторы. Резисторы, не подпадающие ни под одно из перечисленных понятий, относят к группе резисторов широкого применения.

Прецизионные резисторы. Как указывалось, тонкослойные металло-диэлектрические и металлоокисные резисторы имеют наименьшее значение температурного коэффициента сопротивления и наименьшие остаточные изменения сопротивления при воздействии дестабилизирующих факторов. Это позволяет создавать на их основе прецизионные резисторы с допусками ± (0,1 —1) %. К этой группе относят резисторы типов С2-1, С2-13, С2-14, С2-29В, С2-31 и др.

Схема измерительного преобразователя постоянного напряжения в ток (с заземленной нагрузкой) [23] прегставлсна на 3.3 и содержит операционный усилитель Л, прецизионные резисторы Ra ... R4 и резистор нагрузки RH. Ho-минал!зная функция преобразования имеет вид

Как проволочные, так и непроволочные прецизионные резисторы в измерительной технике находят широкое применение как элементы цепей резистивных делителей напряжения, универсальных шунтов, добавочных сопротивлений. Основные характеристики наиболее распространенных типов резисторов приведены в табл. 6.1 [56].

Так как прецизионные резисторы имеют обычно бифилярную обмотку, то значения остаточных индуктивностей в них невелики. Кроме того, значения этих индуктивностей при определенных условиях прак-

В микросхеме имеются прецизионные резисторы с номинальным значением 5кОм (Rocl и Roq2)- Эти резисторы предназначены для включения в цепь отрицательной обратной связи внешнего суммирующего усилителя токов. На 27.7 этот усилитель представлен операционным усилителем ОУ1. Предусмотрены три варианта включения этих резисторов: один резистор Лм1; два резистора последовательно; два резистора параллельно. При одном резисторе выходное напряжение ОУ изменяется до 10 В, при двух — до 20 В, а при параллельном соединении — до 5 В.

этими схемами, следует отдавать себе отчет в том, что последующие схемы на операционных усилителях, и даже проволочные прецизионные резисторы с их температурным коэффициентом + 2,5- 10~6/°С, могут сильно испортить характеристики, если при проектировании не принять крайних мер предосторожности. В частности, приходится учитывать даже дрейф прецизионных ОУ с очень низким уровнем дрейфа, таких, как ОР-07, с типовым значением дрейфа входного каскада 0,2 мкВ/°С. Эти аспекты проектирования прецизионных схем рассматриваются в гл. 7 в разд. 7.01-7.06.

Прецизионные резисторы

Необходимость прецизионного измерения частоты обусловлена наличием в народном хозяйстве, науке и технике источников электрических сигналов с высокой стабильностью частоты, абсолютное значение которой и самоа незначительное отклонение ее от номинала должны быть всегда известны. Типичными примерами прецизионных измерений являются: установка номинальных частот вещательных, связных и телевизионных передающих радиостанций при их изготовлении и конт]эоль в условиях эксплуатации; установка и контроль частот в многоканальных системах передачи сигналов; сравнение частот местной меры с частотой образцовой меры, передаваемой радиостанциями Государственной службы времени и частоты СССР; сравнение двух стандартов частоты; измерение длительной и кратковременной нестабильностей частоты кварцевых

В результате прецизионных измерений выходных напряжений кварцевых и квантовых стандартов частоты установлено, что выражение (3-1) нельзя положить в основу описания их характеристик, так как: и амплитуда, и частота флуктуируют во времени.

Следует еще раз подчеркнуть удобство применения электронно-счетных частотомеров для прецизионных измерений, и в частности для измерения нестабильности: показания частотомера соответствуют значению частоты, усредненному за интервал времени счета, являющийся одновременно и интервалом времени усреднения Гус.

Следствием всего этого будет то, что первичная электрическая величина (в виде тока или напряжения), вызванная непосредственно механическими изменениями (например, ток при пьезоэлектри-' ческом эффекте, индуцированное напряжение при генераторном маг-нитоупругом эффекте), будет пропорциональна не силе F, а ее производной по времени dF/dt. Чтобы получить выходной сигнал, пропорциональный силе, необходимо устройство для непрерывного интегрирования по времени. Однако, ввиду того что интегрирующие устройства, работающие на чисто электрич'еских принципах, невозможно выполнить для граничной частоты, равной нулю, генераторный преобразователь непригоден для прецизионных измерений квазистатических сил.

В будущем, возможно, приобретут большое значение и другие принципы преобразования, но при существующем состоянии силоизмерительной техники датчики с тензорезисторами обеспечивают наилучшие возможности для решения задач прецизионных измерений.

К группе тензочувствительных материалов с К'= 2,0 принадлежат константан, манганин, нихром и карма. Здесь они перечислены в порядке возрастания температурного коэффициента удельного сопротивления. По этой причине для прецизионных измерений в большинстве случаев применяется константан, который имеется в продаже в виде материала с особыми свойствами специально для тензометрии (например, по ГОСТ 492—52). Применение нихрома рекомендуется прежде всего для диапазона повышенных рабочих температур, в то время как карма (наряду со сплавом 479) применяется преимущественно для чувствительных элементов в виде натянутой проволоки, что обусловлено высоким допустимым напряжением этого материала.

Квазистатическая градуированная характеристика получается из зависимости сила — деформация упругого элемента и уравнения моста (3.61). Хотя она линейна с хорошим приближением, для задач прецизионных измерений учитывают и остаточную систематическую погрешность линейности. В этом случае для исследования разлагают весь процесс преобразования на элементарные процессы: Разделение силы в упругом элементе и селекторе Селекторы (особенно мембраны) отводят часть измеряемой силы F, так что на упругий элемент действует меньшая сила Fy • Возможная нелинейность связи между F и FV 'может учитываться разложением в ряд

Обобщая, следует сказать, что, несмотря на весь прогресс, технически надежное получение очень больших постоянных времени, которые необходимы для настоящих квазистатических прецизионных измерений, невозможно. Однако можно без затруднений

Пьезоэлектрические кварцевые датчики подходят прежде всего для динамических измерений при высоких температурах или при малых объемах для размещения датчика. При динамических измерениях сил получаются лишь небольшие систематические погрешности благодаря очень большой жесткости датчиков. Статическая градуировка, имеющая важное значение, всегда может быть гарантирована с помощью современной усилительной техники. Благодаря этому в измерении сил кварцевые датчики занимают прочное место, причем положение их укрепляется благодаря совершенствованию технологии изготовления датчиков и усилительной аппаратуры. Трудности из-за требуемых больших сопротивлений изоляции возникают также при измерениях в очень влажной окружающей среде. Хотя кварцевые датчики в принципе очень хорошо подходят для прецизионных измерений, на практике это не всегда можно использовать.

постоянного напряжения. В связи с этим для высокочувствительных прецизионных измерений с помощью металлических или полупроводниковых тензорезисторов большой интерес приобретают мосты постоянного напряжения. Они не требуют фазовой балансировки и последующего выпрямления, что уменьшает затраты и повышает точность. При питании постоянным напряжением, кроме того, значительно проще получить высокостабильное и обладающее малым уровнем пульсаций питающее напряжение, чем при питании несущей частотой. Эти преимущества способствуют все более широкому применению мостов постоянного напряжения, и в первую очередь при использовании полупроводниковых тензорезисторов, которые во многих случаях позволяют проводить измерения без усиления.

Полупроводниковые тензорезисторы, так же как и обычные резисторные ИП, используемые в мостовых измерительных устройствах, можно питать как постоянным, так и переменным током. Между мостовыми устройствами переменного тока с полупроводниковыми тензорезисторами и устройствами с обычными проволочными тензорезисторами не наблюдается каких-либо принципиальных пазличий. В то же впемя в мостовых схемах с полупроводниковыми тензорезисторами на постоянном токе при уравновешивании, особенно в случае прецизионных измерений, необходимо учитывать ряд важных факторов. Исходя из этого, в последующем изложении больше внимания уделено режимам работы мостовых измерительных устройств постоянного тока.