3.1.4 Включення тензодатчиків у схему моста Уінстона (Вінстона)

На рис.3.3 зображені чотири варіанти включення тензодатчиків в схему моста Уінстона. Переваги і недоліки кожного з них розглядаються нижче за допомогою рівнянь, що описують чутливість за вихідною напругою і не лінійність функціонування моста.

а б

в г

Рис. 3.3. Варіанти включення тензодатчиків в схему моста Уїнстона (Вінстона),

(АД - активний; КД - компенсувальний датчик).

Варіант 1. Єдиний активний тензодатчик включено в рамено (рис. 3.3, а). Така схема використовується як для статичних, так і для динамічних вимірів, коли температурна компенсація не має істотного значення. Резистори , та підбирають так, щоб забезпечити початкове балансування моста і максимальну чутливість схеми. У цьому варіанті робота моста характеризується найбільшою не лінійністю, а тому, для забезпечення похибки вимірювань в межах 1% необхідно, щоб відношення - приросту опору тензодатчика до його початкового не було більшим за 0,02.

Чутливість вимірювальної схеми на базі моста Уінстона з тензодатчиком характеризується зміною напруги на одиницю деформації , яка також дорівнює добутку чутливості тензодатчика на чутливість моста , де

. (10)

Отже,

. (11)

З рівняння (11) випливає, що на чутливість системи впливають чотири чинники. Перший - ефективність схеми , що обмежує допустимий рівень напруги таким практичним діапазоном: [50% (r=1), 80% ( r=4), 90% (r=9)]. Другий чинник - чутливість тензодатчика , що для металевих датчиків знаходиться між 2 і 4. Третій чинник - розсіювана датчиком потужність , що залежить від матеріалу, на якому встановлено датчик і розмірів тензодатчика. Четвертий чинник - опір датчика , який лежить в діапазоні 120…1000 Ом.

Варіант 2. Схема моста Уінстона з двома активними раменами і (рис. 3.3, б). В цій схемі і - постійні опори. Є два способи використання цієї схеми.

Перший з них забезпечує температурну конденсацію для одного активного датчика в положенні , коли компенсувальний датчик в положенні має таку ж температуру, що й активний. Для цього необхідно наклеювати обидва датчики на одному і тому ж матеріалі. Не лінійність роботи схеми така, як і для одного активного датчика в варіанті 1. Єдиною перевагою даної схеми перед варіантом 1 є зниження температурної чутливості схеми.

Другий спосіб застосування цієї схеми дає змогу отримати підвищену чутливість за збереження температурної компенсації і зменшення не лінійності. Нехай датчики 1 і 2 встановлені відповідно на верхній і нижній поверхнях одного і того ж поперечного перерізу балки. У цьому випадку, обидва датчика знаходяться в однакових теплових умовах і температурні зміни опору не допускаються. Деформації двох датчиків за згину балки повинні мати протилежні знаки (і однакову величину). Тому вихідна напруга подвоюється за умови, що деформації однакові за величиною і протилежні за знаком. Таким чином, використання пари датчиків у цьому випадку дозволяє збільшити чутливість схеми, знизити не лінійність і виключити температурну залежність. Головним недоліком цієї схеми є те, що і ефективність схеми 50%.

Варіант 3. Два активних датчики встановлені в раменах і схеми (рис. 3.3, в). Рамено можна використовувати так само, як в варіанті 2, для забезпечення температурної компенсації і для підвищення чутливості. Принциповою перевагою варіанту 3 над варіантом 2 є можливість збільшити ефективність схеми з 50% для до 80% - 90% при значеннях від 4 до 9, оскільки для початкового балансування моста не потребується . Окрім того, якщо відношення та мають однакову величину і протилежні знаки, то для будь-якого значення не лінійність дорівнює нулю. У випадку, коли рамено є активним, а рамено - термокомпенсувальним, нелінійний член має такий самий вигляд, як і схемі з одним активним датчиком. Чутливість схеми наближується до чутливості моста з чотирма раменами, що описані нижче.

Варіант 4. У цьому випадку (рис. 3.3, г) використовують чотири активних тензодатчики так, що повинно дорівнювати одиниці. У такій схемі досягають повної температурної компенсації за умови, що однакові датчики встановлені на поверхнях одного і того ж матеріалу і вони є в однакових температурних умовах.

Основні переваги моста з чотирма раменами - температурна компенсованість, лінійність і можливість конструювати вимірювальні схеми, що не допускають небажану чутливість до згинального чи осьового навантаження .

Аналіз чутливості розглянутих варіантів схем показує, що чутливість може змінюватися від для варіанта 2 до для варіанта 4 за значення для варіанта 1 ( ). У загальному випадку, використання диференціальних підсилювачів з високим коефіцієнтом підсилення для підвищення чутливості вимірювальних схем є економічнішим від використання декількох тензодатчиків.