Непрерывная точность от компании Maxim

Резистивные и полупроводниковые тензометрические датчики и пьезоэлектрические преобразователи являются самыми массовыми электрическими элементами, используемыми для измерения величины силы. В тензометрических датчиках применяется косвенный метод измерения силы – путем измерения деформации калиброванного элемента, вызванной действием этой силы. Для измерения давления можно преобразовать его соответствующим устройством в силу и измерить ее тензометрическим методом. Дифференциальный метод измерения при использовании тензометрических датчиков позволяет определить скорость потока [1]. Особенностью пьезоэлектрических устройств является значительное выходное напряжение (в акселерометрах).
Тензодатчики позволяют измерять следующие механические величины: деформацию (тензодатчик, пьезоэлектрический преобразователь), силу (динамометр), давление (которое диафрагма преобразует в силу, измеряемую тензодатчиком) и поток (измерение дифференциального сигнала).
Рассмотрим типичные источники погрешностей при подключении тензодатчика к схеме усиления и формирования сигнала. Через резисторы тензомоста протекает ток смещения входа усилителя [2]. Любой разбаланс сопротивлений тензомоста или ток смещения усилителя приводит к появлению погрешности смещения. Эта погрешность, умноженная на коэффициент усиления, появляется на выходе. Кроме того, напряжение смещения и ток смещения зависят от температуры. Другими важными источниками погрешностей являются точность установки коэффициента усиления входного каскада, нелинейность усилителя и шум [3]. Для системы с мостовым тензодатчиком требуется усилитель, обладающий высокими значениями точности установки коэффициента усиления, низким током смещения, малым дрейфом напряжения смещения и малым дрейфом тока смещения [4, 5].
Для мостовых схем и высокоточных измерительных систем, таких как системы измерения давления и веса, компания Maxim разработала MAX44251 и MAX44252 – сдвоенный и счетверенный усилители, соответственно. Это новые ультрапрецизионные малошумящие ОУ с нулевым дрейфом (см. рис. 1).

Рис. 1. 20-В ультрапрецизионные малошумящие ОУ MAX44251/MAX44252

Благодаря запатентованной технологии автокоррекции нуля усилитель проводит непрерывную самокалибровку, что, в свою очередь, гарантирует точность системы во времени при колебаниях температуры и напряжения питания. Такой точности (напряжение смещения нуля менее 6 мкВ) в широком диапазоне рабочих напряжений (2,7–20 В) не имеет ни один из конкурирующих приборов. Высокая точность повышает общую точность систем и сводит к минимуму ошибки при формировании сигнала. Кроме того, точность в расширенном диапазоне напряжений позволяет более гибко использовать данный усилитель в целом ряде схем и приложений. MAX44251 и MAX44252 содержат эффективные фильтры, устраняющие высокочастотные помехи, которые часто встречаются в промышленных и медицинских приложениях. Высокая энергоэффективность достигается без ущерба другим характеристикам.
Усилитель обеспечивает низкий потребляемый ток (1,15 мА на канал), широкую полосу пропускания при единичном усилении (10 МГц) и самый низкий в отрасли уровень шума (5,9 нВ/√Гц) для высоковольтных усилителей с автоматической коррекцией нуля. MAX44251 и MAX44252 идеально подходят для высоковольтных приложений, которые требуют очень малого шума при очень высокой точности по постоянному току, например, для сопряжения с датчиками давления, тензодатчиками, прецизионными весами и медицинским оборудованием.
MAX44251/MAX44252 имеют близкие к нулю напряжение смещения по постоянному току и дрейф (см. рис. 2—3) благодаря запатентованной технологии автокоррекции и установки нуля. Схема автокоррекции нуля постоянно измеряет и компенсирует входное смещение, с помощью чего устраняется временной и температурный дрейф, а также влияние 1/f-шума. Малое смещение входного напряжения (не более 6 мкВ) и температурный дрейф напряжения (не более 19 нВ/°С) обеспечивают точность в диапазоне температур –40…125°C. Кроме того, автоматическая калибровка смещения и установка нуля исключают влияние колебаний напряжения питания и даже синфазных помех.

Рис. 2. Зависимость напряжения смещения от входного напряжения и температуры

Рис. 3. Зависимость тока смещения от входного напряжения и температуры

Высокоскоростные усилители MAX44251/MAX44252 имеют коэффициент ослабления синфазного сигнала CMRR (см. рис. 4), превышающий 135 дБ при 25°C. Другими особенностями являются характеристики коэффициента подавления нестабильности источника питания PSRR (см. рис. 5) и коэффициента усиления в режиме большого сигнала AVOL (см. рис. 6). Такие параметры в широком диапазоне напряжений повышают гибкость проектирования и сводят к минимуму ошибки при формировании сигнала.

Рис. 4. Зависимость коэффициента ослабления синфазного сигнала от температуры

Рис. 5. Зависимость коэффициента подавления нестабильности источника питания от частоты

Рис. 6. Зависимость коэффициента усиления в режиме большого сигнала от частоты

Одна из типовых схем применения усилителя MAX44251 представлена на рисунке 7. Полномостовая схема дает максимум чувствительности и линейности, а применение MAX44251 позволяет добиться температурной стабильности и точности измерений. В представленной схеме используется сигма-дельта АЦП MAX11211 с отличными характеристиками (эффективное разрешение 18 бит) и ультрапрецизионный ИОН MAX6126 (точность ±0,02%, шум 1,3µV_P-P, стабильность 3 ppm/°C).

Рис. 7. Прецизионный измеритель веса

MAX44251/MAX44252 работают в диапазоне температур –40…125°C и выпускаются в 8-выводных корпусах SOT23 и µMAX® и 14-выводном SOIC.

Новый сдвоенный операционный усилитель MAX44251 и счетверенный MAX44252 увеличивают срок службы систем, снижают стоимость их обслуживания и максимально повышают эффективность датчиков. Инновационная разработка компании Maxim позволяет проектировать надежные и точные приборы для измерения давления, деформации, силы, потока, веса (см. рис. 8). Благодаря высокой температурной стабильности характеристик и широкому диапазону рабочих температур усилителей MAX44251/MAX44252 системы измерения могут эксплуатироваться в самых жестких условиях. Встроенный фильтр ЭМИ защищает измерительный тракт от паразитных наводок, создаваемых промышленным оборудованием.

Рис. 8. Пример использования системы измерения на основе MAX44251 в промышленных объектах

Заказать инженерные образцы, а также получить квалифицированную техническую поддержку можно в компании Симметрон, www.symmetron.ru, официальном дистрибьюторе Maxim Integrated Products в России, Украине и Беларуси.