3.3.3. Измерительные цепи.
В основу большинства измерительных цепей с тензорезисторными ИП положены неравновесные мосты. На рис. 3.3,а показан мост с двумя рабочими тензорезисторами R1 и R3. Оба они испытывают деформацию либо растяжения, либо сжатия.
а)
б)
Рис. 3.3. Схемы неравновесных мостов а) с двумя рабочими тензорезисторами (R1 и R3); б) с четырьмя.
Тензорезисторы R2 и R4, такие же, как R1 и R3, деформации не испытывают, но обеспечивают температурную компенсацию. Для этого они должны быть приклеены на такой же материал, что и R1 и R3 и находится при той же температуре. При деформации растяжения в выходной диагонали моста образуется напряжение U со знаком плюс, а при деформации сжатия – со знаком минус.
При идеальной идентичности R1 ÷ R4 и отсутствии деформации мост находится в состоянии равновесия и U = 0. Легко показать, что при наличии деформации
,
ибо в пределах упругих деформаций εR << 1, или в безразмерной форме
.
На рис. 3.3,б показан мост, в котором все четыре тензорезистора – рабочие, причём R1 и R3 испытывают деформацию растяжения (или сжатия), а R2 и R4 – соответственно сжатия (или растяжения). В данном случае
,
т.е. при тех же значениях εR и Е значение U будет в два раза больше, причём это равенство точное, т.е. зависимость U(εR) принципиально линейна.
Отношение U/E при номинальной нагрузке называют «рабочим коэффициентом передачи» (РКП) и выражают в мВ/В, например, 2 мВ/В. При данном РКП повышение Е для повышения U ограничено допустимым током Iдоп через тензорезистор из соображений его нагрева этим током. Например, при Iдоп = 20 мА и R = 200 Ом получим Еmax = 8 В (см. рис. 3.3), что при РКП = 2 мВ/В даёт Umax = 16 мВ.
У схемы рис. 3.3,б есть ещё одно преимущество по сравнению со схемой рис. 3.3,а: проводники, идущие к мосту от источника питания (ЭДС Е) и идущие от моста к средству измерения напряжения U, входят не в плечи, а в диагонали моста. Известно, что равновесие моста не нарушается при изменении сопротивлений в диагоналях. При выходе из состояния равновесия сопротивления этих проводников немного влияют на значение U, но гораздо меньше, чем если бы они входили в плечи моста, как в схеме рис. 3.3,а. Однако схема рис. 3.3,б применима только в тех случаях, когда тензорезисторы можно приклеить так, чтоб две пары испытывали деформацию разного знака. {3К4}
Промышленность разных стран выпускает большое количество тензодатчиков разнообразных форм и конструкций. {3К5}
Напряжение на выходе моста при номинальных значениях измеряемых величин составляет обычно несколько милливольт. Для измерения его надо усилить. Каким напряжение питать мост – напряжением постоянного тока, синусоидальным или каким-либо другим?
В первом случае потребуется усилитель постоянного напряжения. Известно, что такой усилитель имеет недостаток – дрейф напряжения смещения нулевого уровня (температурный и временнóй «дрейф нуля»), а усилитель переменного напряжения от этого избавлен. По этой причине на первых этапах развития тензометрии мосты с тензорезисторами питали синусоидальным напряжением. Усиленное до нескольких вольт выходное напряжение моста можно измерить, например, аналоговым электронным вольтметром (см. раздел 2.1.6).
Однако в дальнейшем были разработаны операционные усилители с температурным коэффициентом напряжения смещения нулевого уровня 1 мкВ/ оС и менее. Это позволило перейти к питанию тензомоста постоянным напряжением и, соответственно, к усилению выходного напряжения этого моста усилителем постоянного напряжения.
Повсеместная тенденция перехода от аналоговой техники к цифровой коснулась, конечно, и тензометрии. Появились микросхемы, содержащие в своём составе усилитель постоянного напряжения вместе с АЦП и рассчитанные на непосредственное подключение моста с тензорезисторами. {3К6}
Иногда в измерительные цепи содержат наклеиваемые подстроечные резисторы. {3К7}
На тензорезисторные датчики, предназначенные для измерения сил, существует стандарт, регламентирующий значения «рабочих коэффициентов передачи» (РКП) и метрологические характеристики. {3К8}
Особенности включения тензодатчиков.
В тензометрительной технике используются две схемы включения датчиков: потенциометрическая и мостовая.
При использовании потенциометрической схемы регистрируется лишь переменная составляющая измеряемой деформации.
Наиболее распространенной схемой включения тензодатчиков является мостовая схема, причем в зависимости от назначения аппаратуры используются схемы балансного моста и небалансного моста.
В таблице 1 приведены различные схемы подключения тензодатчиков, исключающих влияние различных факторов на измерения, например, влияние температуры.
Таблица 1 – схемы подключения тензодатчиков
Наименование |
Пример |
Схема |
Выход |
Один активный тензорезистор, двухпроводная схема подключения. Применима при малых изменениях температуры. Без термокомпенсации.. Изгиб также влияет на измерения. |
|||
1 активный тензорезистор 2-х проводная схема включения Число тензорезисторов: 1 |
|
|
e0 = (E/4)·Ks·ε0 Ks – K-фактор ε0 – деформация E – питание моста e0 – выходное напряжение Rg – сопротивление тензорезистора R – постоянное сопротивление |
Один активный тензорезистор, трехпроводная схема подключения. Без термокомпенсации. Температурная погрешность кабеля исключена. Изгиб влияет на измерения. |
|||
1 активный тензорезистор 3-х проводная схема включения Число тензорезисторов: 1 |
|
|
e0 = (E/4)·Ks·ε0 |
Два активных тензорезистора, трехпроводная схема включения. Без термокомпенсации. Деформация изгиба исключена. Температурная погрешность кабеля исключена. |
|||
Двойная. 1 активный тензорезистор 3-х проводная схема включения (для исключения деформации изгиба) Число тензорезисторов: 2
|
|
|
e0 = (E/4)·Ks·ε0 Rg1..деформация – ε1 Rg2..деформация – ε2 ε0 = (ε1+ε2)/2 R – постоянное сопротивление R = Rg1+Rg2 |
Два тензорезистора: активный и компенсационный. Термокомпенсирована. Температурная погрешность кабеля исключена. |
|||
2 активных тензорезистора (активный + компенсационный) Число тензорезисторов: 2 |
|
|
e0 = (E/4)·Ks·ε0 Ks – K-фактор ε0 – деформация E – питание моста e0 – выходное напряжение Rg1..деформация – ε1 R – постоянное сопротивление Rg2..деформация – 0 |
Два активных тензорезистора (ортогональное расположение). Термокомпенсирована. Температурная погрешность кабеля исключена. |
|||
Ортогональная 2 активных тензорезистора Число тензорезисторов: 2 |
|
|
e0 = ((1+ν)E/4)·Ks·ε0 ν – коэффициент Пуассона Rg1 Rg2 – сопротивление транзисторов Rg1..деформация – ε0 Rg2..деформация – νε0 R – постоянное сопротивление |
Два активных тензорезистора. Термокомпенсирована. Температурная погрешность кабеля исключена. Деформация сжатия/растяжение исключена. |
|||
2 активных тензорезистора (для деформации изгиба) Число тензорезисторов: 2 |
|
|
e0 = (E/2)·Ks·ε0 Rg1..деформация – ε0 Rg2..деформация – -ε0 R – постоянное сопротивление |
Два активных тензорезистора. Оппозитная схема. Без термокомпенсации. Деформация изгаба исключена подключением в противоположных направлениях. |
|||
Оппозитная. 2 активных тензорезистора 2-х проводная схема включения Число тензорезисторов: 2
|
|
|
e0 = (E/2)·Ks·ε0 Rg1..деформация – ε0 Rg2..деформация – ε0 R – постоянное сопротивление |
Два активных тензорезистора. Оппозитная схема. Без термокомпенсации. Температурная погрешность кабеля исключена. Деформация изгиба исключена. |
|||
Оппозитная. 2 активных тензорезистора 3-х проводная схема включения Число тензорезисторов: 2
|
|
|
e0 = (E/2)·Ks·ε0 Rg1..деформация – ε0 Rg2..деформация – ε0 R – постоянное сопротивление |
Четыре активных тензорезистора. Применима для измерений деформации изгиба. Термокомпенсирована. Температурная погрешность кабеля исключена. Деформация сжатия/растяжения исключена. |
|||
4 активных тензорезистора (для измерений деформации изгиба) Число тензорезисторов: 4 |
|
|
e0 = E·Ks·ε0 Rg1, Rg3 – деформация изгиба – ε0 Rg2, Rg4 – деформация изгиба – -ε0 |
Четыре активных тензорезистора. Термокомпенсирована. Температурная погрешность кабеля исключена. |
|||
Ортогональная 4 активных тензорезистора Число тензорезисторов: 4 |
|
|
e0 = ((1+ν)E/2)·Ks·ε0 ν - коэффициент Пуассона Rg1, Rg3 – деформация изгиба – ε0 Rg2, Rg4 – деформация изгиба – -ε0 |
Четыре активных тензорезистора. Термокомпенсация. Температурная погрешность кабеля исключена. Деформация изгиба исключена. |
|||
Активные + компенсационные Схема 4/4 Число тензорезисторов: 4 |
|
|
e0 = (E/2)·Ks·ε0 Rg1, Rg3 – деформация изгиба – ε0 Rg2, Rg4 – деформация изгиба – 0 |
Два активных тензорезистора. Применима для измерения деформации изгиба. Термокомпенсация. Температурная погрешность кабеля исключена. |
|||
2 активных тензорезистора (для измерений изгибающих деформаций) Число тензорезисторов: 2 |
|
|
e0 = (E/2)·Ks·ε0 Rg1..деформация – ε0 Rg2..деформация – -ε0 R – постоянное сопротивление |
Четыре активных тензорезистора. Применима для измерения деформации изгиба. Термокомпенсация. Температурная погрешность кабеля исключена. |
|||
4 активных тензорезистора (для измерений изгибающих деформаций) Схема 4/4 Число тензорезисторов: 4 |
|
|
e0 = E·Ks·ε0 Rg1, Rg3 – деформация изгиба – ε0 Rg2, Rg4 – деформация изгиба – -ε0 |
Четыре активных тензорезистора. Применима для измерения общей деформации. Без термокомпенсации. |
|||
4 активных тензорезистора (для измерения суммарной деформации) Число тензорезисторов: 4 |
|
|
e0 = (E/2)·Ks·ε0 ε0 = (ε1+ε2+ε3+ε4)/2 R – постоянное сопротивление R=Rg1=Rg2=Rg3=Rg4 |
ВОПРОСЫ:
1. Что представляет собой тензорезисторный измерительный преобразователь? Для измерения каких неэлектрических величин он используется?
2. Каков принцип действия тензорезисторного измерительного преобразователя?
3. Какие материалы используются для изготовления тензорезисторных измерительных преобразователей? Каковы технические требования к этим материалам?
4. Каковы особенности применения тензорезисторных измерительных преобразователей по сравнению с другими ИП?
5. Как осуществляется температурная компенсация в схемах с тензорезисторными измерительными преобразователями?
6. Нарисуйте простейшие схемы включения тензорезисторных измерительных преобразователей.