Как да усилите изхода на тензометричен датчик?

Тензодатчиците са основни сензори, използвани в широк спектър от индустрии, от космическата и автомобилната до гражданското инженерство и изпитването на материали. Тези устройства измерват механично напрежение чрез откриване на промени в електрическото съпротивление, предоставяйки ценни данни за системите за наблюдение и контрол. Въпреки това, изходният сигнал на тензодатчика често е много малък и изисква усилване, за да бъде полезен в практически приложения. В тази публикация в блога ще споделя някои ефективни методи за усилване на изхода на тензодатчик, черпейки от моя опит като доставчик на тензодатчик.

Разбиране на основите на изхода на тензодатчика

Преди да се задълбочим в техниките за усилване, е изключително важно да разберем естеството на изхода на тензодатчика. Тензодатчикът обикновено има съпротивление, което се променя пропорционално на приложеното напрежение. Промяната в съпротивлението обикновено е много малка, често от порядъка на няколко ома или по-малко. Тази малка промяна в съпротивлението води до съответно малка промяна в напрежението в тензодатчика, когато той е част от верига.

Изходното напрежение на тензодатчика може да се изчисли по следната формула:
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
където:

• (\Delta V) е промяната в изходното напрежение
• (V_{exc}) е напрежението на възбуждане, приложено към моста на тензодатчика
• (G) е габаритният фактор на тензодатчика
• (\epsilon) е приложеното напрежение

Както можете да видите от формулата, изходното напрежение е право пропорционално на напрежението на възбуждане, коефициента на измерване и приложеното напрежение. Въпреки това, дори при относително високо напрежение на възбуждане и голям коефициент на измерване, изходното напрежение все още може да бъде доста малко, особено за малки деформации.

Мостови конфигурации за усилване

Един от най-разпространените начини за увеличаване на мощността на тензодатчика е използването на мостова конфигурация. Мостът на Уитстоун е най-широко използваната мостова схема за приложения на тензодатчици. Състои се от четири резистивни елемента, като тензодатчикът е един или повече от тези елементи.

Конфигурация на четвърт мост

В конфигурация с четвърт мост само един от четирите резистора в моста на Уитстон е тензодатчик. Другите три резистора са постоянни резистори. Тази конфигурация е проста и рентабилна, но осигурява най-ниската мощност в сравнение с други мостови конфигурации.

Конфигурация на половин мост

Конфигурацията с половин мост използва два тензодатчика. Това може да се организира по различни начини в зависимост от приложението. Например, единият тензометър може да се използва за измерване на напрежението, докато другият може да се използва като температурен компенсатор. Конфигурацията на половин мост осигурява по-висока мощност от конфигурацията на четвърт мост.

Пълен мостов тензодатчик

Пълната мостова конфигурация използва четири тензодатчика. Тази конфигурация осигурява най-висока мощност и е най-чувствителна към напрежение. Освен това предлага най-добрата температурна компенсация. В конфигурация с пълен мост и четирите резистора в моста Уитстон са тензодатчици. Това позволява максимално използване на промените в съпротивлението, предизвикани от деформация, и води до значително по-голямо изходно напрежение в сравнение с конфигурациите на четвърт и половин мост.

Усилватели за кондициониране на сигнала

След като тензодатчикът е конфигуриран в мостова верига, следващата стъпка е да се усили изходният сигнал. Усилвателите за регулиране на сигнала са специално проектирани да усилват малките изходни сигнали от тензодатчици и други сензори. Тези усилватели обикновено имат висок входен импеданс за минимизиране на ефекта на натоварване върху моста на тензометричния датчик и нисък шум за осигуряване на точно усилване на сигнала.

Инструментални усилватели

Инструменталните усилватели са популярен избор за усилване на тензометрични сигнали. Те са проектирани да осигурят високо усилване, висок коефициент на отхвърляне на общ режим (CMRR) и ниско напрежение на компенсиране. Високият CMRR е особено важен в приложенията на тензодатчици, тъй като помага да се отхвърли всеки общ режим на шум, който може да присъства във входния сигнал.

Операционни усилватели

Операционните усилватели (op-amps) също могат да се използват за усилване на сигнали от тензометричния датчик. Докато операционните усилватели са усилватели с по-общо предназначение, те могат да бъдат конфигурирани по различни начини за постигане на желаното усилване. Въпреки това, в сравнение с инструменталните усилватели, операционните усилватели може да имат по-нисък CMRR и по-високо компенсиращо напрежение, което може да повлияе на точността на усиления сигнал.

Оптимизация на напрежението на възбуждане

Възбуждащото напрежение, приложено към моста на тензометричния датчик, също играе решаваща роля при определяне на изходното напрежение. Увеличаването на напрежението на възбуждане може директно да увеличи изходното напрежение на тензодатчика, съгласно формулата, спомената по-рано. Има обаче някои ограничения за увеличаване на напрежението на възбуждане.

Разсейване на мощността

Едно от основните ограничения е разсейването на мощността. С увеличаване на напрежението на възбуждане, мощността, разсейвана от тензодатчика, също се увеличава. Това може да доведе до прегряване на тензодатчика, което може да повлияе на неговата точност и надеждност. Следователно е важно да изберете напрежение на възбуждане, което е в рамките на номиналната мощност на тензодатчика.

Шум и смущения

Друго съображение е шумът и смущенията. По-високото напрежение на възбуждане може също така да повиши чувствителността на тензометричния датчик към електрически шум и смущения. Това може да доведе до влошено съотношение сигнал/шум (SNR), което може да повлияе на точността на измерването. Ето защо е важно да се балансира нуждата от високо напрежение на възбуждане с необходимостта от минимизиране на шума и смущенията.

Температурна компенсация

Температурните промени могат да окажат значително влияние върху изхода на тензодатчика. Тъй като температурата се променя, съпротивлението на тензодатчика може да се промени, дори при липса на приложено напрежение. Това може да доведе до грешки в измерването. Следователно температурната компенсация е важен аспект на усилването на тензодатчика.

Активна температурна компенсация

Активната температурна компенсация включва използването на допълнителни сензори или вериги за измерване на температурата и съответно регулиране на изхода на тензодатчика. Например, термистор може да се използва за измерване на температурата и изходът на тензометричния датчик може да се регулира въз основа на отчитането на температурата.

Пасивна температурна компенсация

Пасивната температурна компенсация може да се постигне с помощта на мостови конфигурации. Например, в конфигурация с половин мост или пълен мост, един или повече от датчиците на деформация могат да се използват като датчици за температурна компенсация. Тези датчици са поставени по такъв начин, че да се влияят от същите температурни промени като измервателния тензодатчик, но не и от приложеното напрежение. Това помага да се премахнат предизвиканите от температурата промени в съпротивлението в измервателния тензодатчик.

Филтриране на сигнала

В допълнение към усилването, филтрирането на сигнала също е важно за подобряване на качеството на изхода на тензодатчика. Шум и смущения могат да бъдат въведени в сигнала от различни източници, като електромагнитни смущения (EMI), шум от захранване и механични вибрации.

Нискочестотни филтри

Нискочестотните филтри обикновено се използват за премахване на високочестотния шум от сигнала на тензодатчика. Тези филтри позволяват преминаването на нискочестотни сигнали (включително сигнала, предизвикан от напрежение), като същевременно намаляват високочестотния шум.

Високочестотни филтри

Високочестотните филтри могат да се използват за премахване на нискочестотен шум, като DC компенсации и бавен дрейф. Тези филтри позволяват преминаването на високочестотни сигнали, докато намаляват нискочестотните сигнали.

Заключение

Усилването на изхода на тензодатчика е критична стъпка в много приложения. Чрез използване на подходящи мостови конфигурации, усилватели за кондициониране на сигнала, оптимизиране на напрежението на възбуждане, внедряване на температурна компенсация и прилагане на филтриране на сигнала е възможно значително да се увеличи изходът на тензодатчика и да се подобри точността на измерването.

Като доставчик на тензодатчици разбирам значението на предоставянето на висококачествени тензодатчици и необходимата поддръжка за усилване и кондициониране на сигнала. Ако търсите тензодатчици или се нуждаете от съвет как да увеличите изхода им, насърчавам ви да се свържете с мен за подробна дискусия. Можем да работим заедно, за да намерим най-доброто решение за вашето конкретно приложение.

Референции

• Doebelin, EO (2003). Системи за измерване: приложение и дизайн. Макгроу-Хил.
• Kistler Group. (2021 г.). Технология за измерване на напрежението. Извлечено от [URL на уебсайта]
• Омега Инженеринг. (2021 г.). Наръчник за измерване на напрежението. Извлечено от [URL на уебсайта]