Измерения с помощью тензодатчиков

Рис. 6.15. Мост Уитстона с источником напряжения

Измерения с помощью тензодатчиков требуют регистрации очень малых изменений сопротивления. Например, относительное изменение сопротивления, вызываемое относительным растяжением 0,0005 при тензорезистивном коэффициенте, равном 2, составит 0,1%, что для тензодатчика сопротивлением 120 Ом эквивалентно сопротивлению всего лишь 0,12 Ом. Чтобы измерять столь малое изменение сопротивления и скомпенсировать температурную погрешность, тензодатчики практически всегда используют в мостовой схеме (мост Уитстона, рис. 6.15), подключенной к источнику напряжения или тока (источнику питания моста).

Общепринятого стандарта для питания моста не существует. Типовыми являются напряжения 3В и 10В. Ток через тензодатчик обычно составляет от 2 мА до 30 мА для датчиков с сопротивлением от 1 кОм до 120 Ом. Напряжение питания моста должно быть по возможности большим, чтобы увеличить отношение сигнала к шуму, и в то же время достаточно малым, чтобы минимизировать погрешность, вызванную саморазогревом датчика. Особые требования предъявляются к точности и стабильности напряжения питания моста, если не используется шестипроводная схема подключения датчика (см. рис. 6.22).

Для проверки правильности калибровки измерительной схемы используют резистор с известным (калиброванным) значением сопротивления, которым шунтируют тензодатчик. Показания измерительной системы должны соответствовать расчетному значению, соответствующему этому сопротивлению.

В связи с малостью сигнала от тензодатчика во многих случаях целесообразно применять фильтр, ослабляющий помехи с частотой 50 Гц. Например, в модуле ввода сигналов тензодатчика NL-2SG фирмы RealLab! использован sinc-фильтр 3-го порядка, подавляющий помеху с частотой 50 Гц на 120 дБ.

Выходное напряжение измерительного моста (рис. 6.15) равно

При условии баланса моста ( ) его выходное напряжение равно  . Малейшая разбалансировка вследствие изменения сопротивления тензодатчика приводит к появлению напряжения на выходе.

Обозначим абсолютное изменение сопротивления тензодатчика через  . Тогда, как следует из (6.22),  , где   - сопротивление тензорезистора в ненапряженном состоянии.

Если сбалансировать мост таким образом, чтобы при отсутствии растяжения тензодатчика   и  , то из (6.26) получим  , или, окончательно,

Рис. 6.16. Использование двух тензорезисторов для компенсации температурной погрешности	Рис. 6.17. Полумостовая схема включения тензорезисторов для компенсации температурной погрешности

Таким образом, зная напряжение на выходе моста, из формулы (6.27) мы можем найти относительное удлинение тензодатчика   и из (6.24) - силу  .

Поскольку относительное удлинение зависит также от температуры, для компенсации температурной составляющей используют два тензочувствительных элемента, расположенных на общей подложке перпендикулярно друг другу (рис. 6.16). При этом температурные удлинения обоих элементов одинаковы, а удлинения вследствие воздействия деформирующей силы будут разные. Используя эти элементы в разных плечах измерительного моста (рис. 6.17), можно частично скомпенсировать температурную погрешность.

Компенсация температурной погрешности, выполняемая изготовителем тензодатчиков, обычно не позволяет получить ошибку менее 10 микрострейн на градус. Однако, используя полиномиальную аппроксимация температурной зависимости сопротивления для ее программной компенсации, можно снизить температурную погрешность до 1 микрострейна на градус.

В полумостовой схеме (рис. 6.17) можно использовать также два тензодатчика с нескомпенсированной температурной погрешностью, если один из них работает на растяжение, второй - на сжатие, например, если измеряется механическое напряжение изгибаемой балки. Таким образом можно повысить чувствительность схемы измерения в 2 раза и одновременно скомпенсировать температурную погрешность (рис. 6.18).

Дальнейшего повышения чувствительности схемы измерений можно достичь, если использовать четыре тензодатчика, два из которых работают на растяжение, и два - на сжатие (рис. 6.19).

В схеме на рис. 6.18 относительное выходное напряжение моста равно  , а с учетом начального смещения напряжения вследствие дисбаланса моста   получим  . Если ввести обозначение  , то для измерительной цепи, показанной на рис. 6.18, относительное растяжение тензодатчика в зависимости от относительного приращения напряжения на выходе моста   будет равно  . Зная   и пользуясь законом Гука в форме (6.24), можно найти искомую силу  .

Для других схем включения тензодатчиков аналогичные формулы приведены на рис. 6.19 - рис. 6.21.

Начальная балансировка моста может быть выполнена как аппаратно (с помощью резисторов), так программно. Однако эти методы имеют принципиальные различия.

Если мост не сбалансирован с помощью резисторов, то на его выходе присутствует напряжение дисбаланса  , которое складывается с полезным сигналом  , т. е.  . Если верхняя граница диапазона измерения напряжения (напряжение насыщения усилителя) равна  , то коэффициент усиления не может быть больше, чем  , т.е. максимально возможный коэффициент усиления сигнала на выходе несбалансированного моста ограничивается напряжением дисбаланса:  . Например, при типовом значении   и  =25 мВ коэффициент усиления сигнала не может быть больше 100. Однако практически необходимое усиление достигает 2000 (см. описание прибора SCXI-1121 фирмы "National Instruments").

Таким образом, несмотря на возможность компенсации смещения программным способом, этот метод ограничивает возможность увеличения чувствительности измерительной системы. Им можно пользоваться для компенсации только небольших напряжений дисбаланса моста.