Odczytywanie nacisku za pomocą przewodnika deformacyjnego na podstawie mostka Wheatstone'a

Jak działa przewodnik deformacyjny w połączeniu z mostkiem Wheatstone'a

Przewodnik deformacyjny jest fizycznie wzorem serpentinowym cienkiego foliowego metali (zwykle koalicji cynku i niklu, takiej jak constantan) narysowanego na elastycznym podkładce polymerowej i przeklejonego gęsto do powierzchni badanej przy użyciu twardego adhesywu. Ponieważ połączenie jest twardym, folia nie może się przesuwać względem struktury: cokolwiek procentowa rozszerzenia lub zatknięcia doświadcza powierzchnia, folia doświadcza tej samej deformacji. Deformacja sama w sobie jest zdefiniowana jako zmiana długości podzielona przez oryginalną długość, stosunek bez wymiaru obyczajowo wyrażany w mikrostrainach (milionach), ponieważ rzeczywiste strumienie deformacji są tak małe. Gdy folia rozciąga się po swojej osi czujnej, występuje dwa różne fizyczne efekty, które podnoszą jej opor elektryczny. Pierwszy jest plynny geometryczny: opór jest proporcjonalny do długości podzielonej przez pole powierzchni przekroju, więc im folia rosnie dłuższa, tym też cieńsza (rzeczywisty mechaniczny konsekwencja zapisana w połączeniu materiałowym Poissona), a oba zmiany podnoszą opór. Drugi efekt to efekt piezoresystencyjny, który występuje w większości foliowych koalicji, w którym intrinsiczna rezystwność materiału się nieco przesuwa pod wpływem mechanicznego nacisku, niezależnie od zmiany kształtu. Niektóre z tych efektów to nie artefakty pomiarowe; oba są rzeczywistymi fizycznymi fenomenami o przewidywalnych miarach. Inżynierowie łączą obie składniki w pojedynczy praktyczny numer nazywany czynnikiem gęstości (GF), zdefiniowany jako proporcjonalność zmiany oporu podzielonej przez stosunek deformacji. Typowe foliowe przewodniki mają czynnik gęstości bliski 2,0, co oznacza, że deformacja 1000 mikrostrain powoduje około 0,2 procentowy zmiany oporu. To jest bardzo mały sygnał na tle podstawowego oporu, który sam jest wrażliwy na temperaturę, długość przewodników i jakość kontaktu, co dokładnie dlatego w praktyce nie czytają się przewodniki przy pomocy prostej ometrowa. Zamiast tego przewodnik staje się jednym z armów rezystansowych w mostku Wheatstone'a, oprogramowaniu zaprojektowanym specjalnie do wykrywania małych proporcjonalnych zmian oporu z wysoką wiarygodnością, które są tematem dalszych sekcji.

Mostek Wheatstone'a: Przekształcanie oporu w napięcie

Mostek Wheatstone'ego ustawia cztery arms oporowe w kształcie rombu: dwie arms tworzą dzielnik napięcia, a pozostałe dwa arms tworzą drugi dzielnik napięcia. Oba dzielniki dzielą się na to samo napięcie wyzwalające po jednej przekątnej rombu. Wzdłuż przeciwległej przekątnej podłączony jest czuwy wrażliwy (lub instrumentacja zasilana w rzeczywistym systemie odczytu danych), pomiar różnicy między punktami średnicowymi obu dzielników. Gdy wszystkie arms są wybrane tak, że stosunek oporów pierwszego dzielnika równa się stosunkowi oporów drugiego dzielnika, punkty średnicowe obu dzielników są dokładnie na tym samym napięciu i mostek jest powieszony (tzn. nie wydaje żadnego wyjściowego napięcia), niezależnie od wielkości napięcia wyzwalającego. Zastąpmy jedną arm strumieniometrycznym nacisku i zastosuj naciśnięcie, co spowoduje przesunięcie oporu tej arm na małą, rzeczywistą ilość. To złamie równowagę: punkty średnicowe obu dzielników oddzielą się o napięcie, które jest bezpośrednio i przewidywalnie proporcjonalne do zmiany ułamkowej oporu, a więc proporcjonalne do samego nacisku. To jest eleganckie rozwiązanie topologii mostka: nie próbuje ono pomiaru absolutnego oporu strumieniometrycznego (które wymagaby ekstremalnej precyzji do rozpoznania przesunięcia o 0,2%), ale zamiast tego mierzy *różnicę* od znanej równowagowej referencji, a ta różnica może być wzmocniona prawie bez ograniczeń, ponieważ zaczyna się od czystego punktu wyjściowego zerowego. Napięcie wyjściowe można obliczyć dokładnie ze wzoru mostka, który łączy napięcie wyzwalające, opory wszystkich arms i zmiany ich wartości, więc relacja między pomiarowym napięciem a zastosowanym naciśnięciem nie jest empiryczną hipotezą, ale rzeczywistym, obliczalnym wzorem. W praktyce inżynier nulluje jakiekolwiek małe początkowe przesunięcie wynikające z tolerancji produkcji przy użyciu procedury równowagowej (zerującej) przed załadowaniem struktury, a następnie czyta naciśnięcie bezpośrednio z wzmocnionego wyjściowego mostka po rozpoczęciu załadowania. To jest powodem, dla którego prawie wszystkie komercyjne instrumenty strumieniometryczne nacisku, kamery obciążeniowe i przekształcatorzy ciśnienia używają przedziału mostka Wheatstone'a zamiast bezpośredniego pomiaru oporu.

Konfiguracja kwadratowa: proste z kompromisami

Najprostsza konfiguracja nazywana jest konfiguracją kwadratową i używa jednego gaźnika deformacyjnego aktywnego w jednym ramieniu mostka Wheatstone'a, a trzy pozostałe ramiona zawierają trzy stałe rezystory z precyzyjną odniesioną do referencyjnej wartości. Jest to najtańsza i najprostsza konfiguracja do podłączenia, wymagająca tylko jednego gaźnika przypiętego do struktury, a działa dobrze w prostych odczytach deformacji punktu w warunkach kontrolowanych. Głównym problemem jest czułość na temperaturę. Wartość oporu gaźnika zależy nie tylko od deformacji mechanicznej, ale także od temperatury, ponieważ przewód zasilający ma własną zmianę odporności zgodnie z temperaturą i różnica w rozszerzeniu termicznym między przewodem a podstawową strukturą powoduje wydzieloną deformację nawet przy zerowej rzeczywistej obciążeniu mechanicznym. W konfiguracji kwadratowej żadne z trzech pozostałych ramion nie śledzi tego przemieszczenia termicznego, więc zmiana temperatury podczas testu jest nieodróżnialna od rzeczywistej deformacji i bezpośrednio szkodzi czytaniu. Instalacje w polowych warunkach często dodają osobny, niewykorzystany "fałszywy" gaźnik tego samego typu zainstalowany blisko aktywnego gaźnika jedynie do celów kompensacji termicznej, co efektywnie przekształca układ w coś bliższego do półmostka. Konfiguracje kwadratowe mają również najmniejszą czułość z trzech konfiguracji: dla danej deformacji wyjście elektryczne jest najmniejsze, ponieważ tylko jedno z czterech ramion reaguje na obciążenie mechaniczne. To oznacza, że pomiar kwadratowej konfiguracji zwykle wymaga większej mocy sygnału i jest bardziej narażony na szum elektryczny, zmiany oporu wiodących i błędy związane z długimi drutami. Niezależnie od tych kompromisów konfiguracja kwadratowa pozostaje bardzo popularną w praktyce, gdzie priorytetem jest proste wykonanie, niskie koszty i odczyt jednoosiowy nad dokładnością końcową, tak jak w ogólnowyżynnej analizie stresu na komponentach maszynowych przy stabilnym temperaturze.

Konfiguracje połowe i pełna mostka: Anulowanie przesunięcia temperaturowego, poprawa sygnału

Konfiguracja połowe mostka używa dwóch gaży naciskowych aktywnych zamiast jednego, zazwyczaj montowanych tak, że jedno gaździe doznaje napięcia, a drugie naprężenia odciśnięcia pod wpływem tego samego obciążenia (na przykład jedno na powierzchni górnej przekrzywionej belki, a drugie na dolnej). Ponieważ oba gaździe są przyklejone do tej samej konstrukcji i są narażone na tą samą temperaturę otoczenia, doznają one podobnego przesunięcia temperaturowego. Jednak ponieważ są połączone w przeciwległych ramionach mostka, ich efekty temperaturowe odnoszą się do siebie i anulują się w równaniu mostka, a ich efekty spowodowane napięciem dodatkowo zwiększają się. Praktyczny rezultat to dwie kluczowe korzyści: błędy spowodowane temperaturą przetrwują largely cancel, i dla danej rzeczywistej deformacji pomiary wychodzące prętowe (FCP) o wartości dwa razy większe niż w konfiguracji czwarto-mostka, co poprawia czułość i stosunek sygnału do szumu. Konfiguracja pełna mostka idzie dalej, umieszczając cztery gaździe aktywne, jedno na każdym ramieniu, zorganizowane tak, że pary przeciwległe reagują odwrotnie na obciążenie mechaniczne (dwie doznają napięcia, dwie naprężenia odciśnięcia) podczas gdy wszystkie cztery doznają tą samą temperaturę otoczenia. To daje najbardziej silny anulowanie przesunięcia temperaturowego z trzech konfiguracji, ponieważ każde ramieno jest gaździem aktywnym i dopasowanym do temperatury, a produkcja prądu wychodzącego dla tych samych obciążeń jest cztery razy większa niż w konfiguracji czwarto-mostka. Konfiguracja pełna mostka jest standardem w precyzyjnych instrumentach takich jak komórki obciążeniowe i przekształcacz ciśnienia, gdzie zarówno wysoka dokładność, jak i stabilność temperaturowa podczas różnych warunków są kluczowe. Ogólny wzorzec dla wszystkich trzech konfiguracji to bezpośrednia wymiana między złożonością instalacji a jakością pomiaru: konfiguracja czwarto-mostka jest najtańsza i najprostsza, ale najbardziej narażona na przesunięcie temperaturowe i szum; konfiguracja połowe mostka podwójnie zwiększa liczbę gaździ aktywnych, co prowadzi do znaczącego poprawienia anulowania przesunięcia temperaturowego i czułości; konfiguracja pełna mostka ponownie podwójnie zwiększa liczbę gaździ aktywnych, co daje najlepsze anulowanie przesunięcia temperaturowego i najmocniejszy sygnał wychodzący. Wybieranie między nimi w praktyce inżynierskiej zależy od wymaganej dokładności, oczekiwanych zmian temperatury podczas testowania oraz ilości wysiłku poświęconego na montaż i przyklejanie gaździ.

Odczytywanie i kalibracja wyjścia mostka w praktyce

Po podłączeniu mostka, wartość wyjściowa nienapędzona musi być przekonwertowana na rzeczywistą wartość nacisku, a ta konwersja to prawdziwa obliczenie, nie tylko przybliżenie. Równanie wyjścia mostka powiązuje napiecie podstawowe, nominalną rezystancję ramki, czynnik gęstości i liczbę oraz disposycję gaugów aktywnych z napięciem różnicowym pomiarowym. Znając dowolne trzy z tych wielkości, inżynier może bezpośrednio obliczyć czwartą, zwykle nacisk. Ponieważ zależność jest prawie liniowa dla małych nacisków typowych do testowania strukturalnego, większość instrumentacji stosuje pojedynczy współczynnik skalujący po etapie początkowej kalibracji, choć dokładne prace uwzględniają małą nieprzepraszalność istniejącą dla większych magnitud nacisku. Przed zastosowaniem dowolnego obciążenia mostek musi być wyrównany (lub „nullowany”) do poprawy na fakt, że rzeczywiste rezystory i gaugi nigdy nie pasują dokładnie swoim nominalnym wartościami, ze względu na tolerancje produkcji, rezystancję wiadra i lekko inne warunki przypięcia między gaugami. Wyrównanie można dokonać za pomocą regulowanego potencjometru w jednej ramce lub cyfrowo, zapisując wyjście bez obciążenia i odejmując je od wszystkich kolejnych pomiarów. Pomijanie tego etapu nie sprawia, że fizyka jest niepoprawna, ale oznacza, że czytnik nacisku na zero jest przesunięty, co zepsuć będzie każdą dalszą pomiarą o stałą wartość. Ponieważ wyjście nienapędzone mostka jest zwykle tylko milivoltów nawet przy pełnym podciśnięciu, rzeczywiste instrumenty powiększają sygnał znacznym sposobem przed cyfrową zapisywaniem go. Dbałe projekty również chronią się przed przesunięciem napiecia podstawowego (ponieważ wyjście jest bezpośrednio proporcjonalne do podciśnięcia, nieprzepraszalny zapas powinien bezpośrednio zepsuć czytnik nacisku) i długiej rezystancji wiadra w instalacjach odległych (rozwiazane jest to za pomocą konfiguracji trójwiadowych lub czterowiadowych, które anulują rezystancję wiadra z pomiaru). Nic z tego nie jest szacunkiem: każdy etap, od deformacji folii po czynnik gęstości, przez niezrównaną ramkę do powiększonych napięć i obliczonego nacisku, przeprowadza rzeczywistą, śladowalną łańcuchową sekwencję relacji fizycznych, co dokładnie jest tym, czym sprawia, że instrumentacja z wykorzystaniem gaugów naciskowych jest wystarczająco zaufana dla aplikacji kosmicznych, budowlanych i precyzyjnych produkcji.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Strain Gauge Sensing via Wheatstone Bridge i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.