3.5.2. Мостовые схемы

Вторая схема, которая часто используется для регистрации изменений сопротивления датчика, представляет собой широко известный мостик Уитстона. Подобно потенциометрической схеме, мостик Уитстона применяется для изучения динамических и статических деформаций. Мостовая схема может быть использована для непосредственного считывания ∆Е, ве­личина которого связана с деформацией, либо для измерений по методу сбалансированного моста (нулевой метод).

П

Рисунок 3.4 – Простейшая мостовая схема:

R₁ – рабочий датчик;

R₂, R₃, R₄ – компенсационные датчики

ростейшая мостовая схема представлена на рис. 3.4. Мостик составлен из четырех сопротивлений, из которых одно является датчиком и три - постоянными сопротивлениями; к одной диа­гонали мостика подведено питающее напряжение V, а к другой подключен регистрирующий прибор.

Выходное напряжение в этом случае опреде­ляется по формуле:

= . (3.12)

Напряжение Е будет равно нулю и мостик находится в равновесии, когда

. (3.13)

Это свойство схемы используется для измерения деформаций; сначала мостик балансируется до Е = 0, после приложения внеш­ней нагрузки появляется разбаланс ∆Е, который обусловлен изменением сопротивления датчика . Напряжение выхода можно получить из выражений (3.12) и (3.13), пренебрегая членами второго порядка малости, и представить в виде:

. (3.14)

Это уравнение является базовым для оценки мостовой схемы. Так же, как и в случае потенциометрической схемы, нелиней­ностью данного уравнения можно пренебречь при измерении де­формаций менее 0,05.

Коэффициент чувствительности мостовой схемы определяется по формуле:

. (3.15)

Э

Рисунок 3.5 - Зависимость коэффициента

эффективности мостовой схемы от отношения сопротивлений

то выражение показывает, что чувствительность зависит от входного напряжения V, коэффициента чувствительности тензодатчика и соотношения сопротивлений и . Из графика, представленного на рис. 3.5, видно, что при прочих равных условиях эффективность мостовой схемы является максимальной при = .

3.5.3. Чувствительность электрических цепей

Если напряжение источника питания выбирается из условия максимально допускаемого тока, чувствительность мостовой схемы будет зависеть от числа рабочих дат­чиков и их взаимного расположения. На рис. 3.6 представлены четыре общепринятых схемы.

В первом слу­чае мостик содержит единственный, активный датчик . Эта схема в основном используется для изме­рения динамических и иногда стати­ческих деформаций, когда не тре­буется температурная компенсация.

Коэффициент чувствительности такой схемы определяется по следующей зависимости:

. (3.16)

Из этой формулы видно, что чувствительность зависит от двух факторов: эффективности цепи , которая при равна 90 %, и параметра датчика .

Рисунок 3.6 - Основные схемы включения тензорезисторов в мостовую схему:

- рабочие датчики; - компенсационные датчики

Вторая схема содержит активный датчик и компенсационный , который необходим для уменьшения влияния температуры. Коэффициент чувствительности схемы при = определяется по формуле:

. (3.17)

В этом случае эффективность цепи постоянна и равна ¹/₂, так как = . Отсюда следует, что введение в схему датчика позволяет осуществить температурную компенсацию, но это снижает эффективность цепи до 50 %.

На выбор той или иной схемы включения рабочего тензорезистора в основном влияют два фактора: характер измеряемых деформаций (статические или динамические) и необходимость тем­пературной компенсации. В динамических приложениях, когда не требуется температурная компенсация, применимы как потенциометрическая, так и мостовая схема.

Чувствительность и диа­пазон измерений у этих цепей одинаковы. Потенциометрическая схема имеет некоторые преимущества, так как она не требует первоначальной балансировки, а общее заземление цепи уси­лителя и регистрирующего прибора значительно снижает уровень электронных помех. В тех случаях, когда необходима температур­ная компенсация, мостик Уитстона может иметь более высокую чувствительность, чем потенциометрическая схема. Тем не ме­нее, применение последней целесообразно, когда наличие общего заземления компенсирует некоторую потерю чувствительности.

При изучении статических деформаций предпочтение следует отдать мостовой схеме с измерением по нулевому методу, потому что используемые приборы просты в управлении, позволяют осуществлять температурную компенсацию и имеют цену деле­ния порядка 10 . Там, где необходимо непосредственное считы­вание данных, мостовая схема является наиболее рациональной. Рекомендации по применению различных схем и их чувствительность приведены в табл.3.2.

Таблица 3.2 – Сравнительная характеристика мостовой и потенциометрической схем включения тензорезисторов

Деформация	Температурная компенсация	Схема соединения	Коэффициент чувствительности схемы
Динамические	Нет Да	Потенциометрическая Мостовая
Статические	Да, нет	Мостовая с измерением по нулевому методу Мостовая с непосред-ственным считыванием	До 10