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 ε_R << 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 ε_R и Е значение U будет в два раза больше, причём это равенство точное, т.е. зависимость U(ε_R) 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 I_доп через тензорезистор из соображений его нагрева этим током. Например, при I_доп = 20 мА и R = 200 Ом получим Е_max = 8 В (см. рис. 3.3), что при РКП = 2 мВ/В даёт U_max = 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}