3.3.3. 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}

ВОПРОСЫ:

1. Что представляет собой тензорезисторный измерительный преобразователь? Для измерения каких неэлектрических величин он используется?

2. Каков принцип действия тензорезисторного измерительного преобразователя?

3. Какие материалы используются для изготовления тензорезисторных измерительных преобразователей? Каковы технические требования к этим материалам?

4. Каковы особенности применения тензорезисторных измерительных преобразователей по сравнению с другими ИП?

5. Как осуществляется температурная компенсация в схемах с тензорезисторными измерительными преобразователями?

6. Нарисуйте простейшие схемы включения тензорезисторных измерительных преобразователей.