Датчики на основі демпферів Wheatstone

Як працює датчик на основі демпферного з'єднання

Датчик навантаження – це фізично витнуватий малюнок тонкого металевого фольги (зазвичай сплаву мідь-нікель, такого як постінан), нанесений на гнучку полімерну основу та міцно закріплений на поверхні, що тестується, жорстким клеєм. Оскільки з'єднання жорстке, фольга не може зміщуватися відносно конструкції: будь-яка еластичність або стиснення, яке відчуває поверхня, також відчуває фольга. Напруження визначається просто як зміну довжини поділену на початкову довжину – безрозмірна величина, яка зазвичай виражається мікронав’язками (мільйонних частин), оскільки справжні конструкційні напруження дуже малі. Коли фольга розтягується вздовж її чутливої осі, два окремих фізичні ефекти підвищують її електричний опір. Перший – чисто геометричний: опір пропорційний довжині поділеній на площу перерізу, тому коли фольга стає довшою, вона також стає тоншою (реальний механічний наслідок, зафіксований коефіцієнтом Пуассона матеріалу), і обидва ці зміни збільшують опір. Другий ефект – піроезистичний ефект, який присутній у більшості сплавів для датчиків, в якому внутрішня питома електрична опірність матеріалу незначно змінюється під дією механічного напруження незалежно від зміни форми. Жоден з цих ефектів не є артефактом вимірювання; обидва – реальні фізичні явища з передбачуваними величинами. Інженери поєднують обидва внески в одну практичну величину, яка називається коефіцієнтом датчика (КД), який визначається як відносна зміна опору поділена на прикладене напруження. Фільтри з фольгою зазвичай мають коефіцієнт датчика близько 2,0, що означає, що напруження 1000 мікронав’язок виробляє приблизно 0,2% зміни опору. Це надзвичайно малий сигнал, який знаходиться на основі опору, який сам по собі чутливий до температури, довжини контактних провідників і якості контакту – саме тому датчики ніколи не читають простим омметром у практиці. Замість цього датчик стає одним резистивним елементом мосту Вітона, схеми, призначеної для виявлення малих змін у опорі з високою точністю, про що йдеться в наступних розділах.

Мостик Вітстона: Перетворення Опору на Напругу

Мост Вітстона складається з чотирьох резистивних ланок у вигляді діаманта: дві ланки утворюють один дільник напруги, а інші дві – другий дільник напруги, і обидва дільники мають однакову напругу живлення через одну діагональ діаманта. Чутливий вольтметр (або інструментальна підсилювач в реальній системі збору даних) під’янено між ними, вимірюючи різницю напруг між двома точками середини діликів. Коли всі чотири ланки обрані так, щоб відношення першого ділителя дорівнювало відношенню другого ділителя, дві точки середини сидять точно на одній напрузі, і міст збалансований, виробляючи нульову вихідну напругу незалежно від величини напруги живлення. Замінити одну ланку датчиком напруження та прикласти навантаження, і опір цієї ланки зміниться на невелику, реальну величину. Це порушує баланс: дві точки середини діликів відокремлюються напругою, яка безпосередньо і передбачувано пропорційна відносній зміні опору, і отже, пропорційна навантаженню. Цей елегантний трюк топології моста полягає в тому, що він не намагається виміряти абсолютний опір датчика (що потребувало б надзвичайно точності для розрізнення зміни на 0,2%), а замість цього вимірює різницю від відомого збалансованого посилання, і ця різниця може бути підсилена практично без обмежень, оскільки вона починається з чистої нульової основи. Вихідна напруга може бути точно розрахована за допомогою рівняння моста, яке пов’язує напругу живлення, чотири ланки опору та їх зміни, тому відношення виміряної напруги до прикладеного навантаження не є емпіричною здогадкою, а справжньою, виводиться формулою. У практиці інженери нейтралізують будь-який невеликий початковий дисбаланс від виробничих допусках за допомогою процедури балансування (нулювання) перед навантаженням структури, а потім зчитують напругу безпосередньо з підсиленого виходу моста після початку навантаження. Це пояснює, чому майже кожен комерційний пристрій із датчиком напруження, щуп або датчик тиску використовує передній край мосту Вітстона замість прямого вимірювання опору (яке вимагало б надзвичайно точності для розрізнення зміни на 0,2 %), а не вимірює відношення між виміряною напругою та прикладеним навантаженням - це справжня, виводиться формула.

Чверть-міст: Простота з компромісами

Найпростіша конфігурація, що називається чверть-мостом, використовує один активний датчик напружень в одній з ніжок мосту та три фіксовані резистори відліку високої точності в решті трьох ніжок. Це найдешевша та найпростіша конфігурація для підключення, яка вимагає лише одного датчика, припаяного до конструкції, і добре працює для базових вимірювань напружень у одній точці в контрольованому середовищі. Її основна обмеженість – чутливість до температури. Опір датчика напруження залежить не тільки від механічного навантаження, але й від температури, оскільки власна електрична опірність фольги змінюється з температурою, а також через різницю в термічному розширенні між фольгою та базовою конструкцією виникає видиме напруження навіть без реального механічного навантаження. У чверть-мосту жодна з інших трьох ніжок не відстежує цей температурний збій, тому зміна температури під час тестування не розрізняється від справжнього напруження і безпосередньо спотворює показники. В польових умовах часто додають додатковий датчик напруження такого ж типу, не навантажений, встановлений поблизу активного датчика, виключно для температурної компенсації, фактично перетворюючи схему на щось ближче до півмоста. Конфігурації чверть-мосту також мають найнижчу чутливість серед трьох конфігурацій: для заданого напруження вихідна напруга є найменшою, оскільки лише одна з чотирьох ніжок реагує на механічне навантаження. Це означає, що вимірювання чверть-мостом зазвичай потребують більшого підсилення сигналу та більш вразливі до електричних шумів, змін опору дротів живлення та помилок, пов'язаних з довгими кабелями. Незважаючи на ці компроміси, чверть-міст залишається надзвичайно поширеним у практиці, де пріоритетом є простота, низька вартість і вимірювання в одному напрямку, а не абсолютна точність, наприклад, при загальному аналізі напружень на машинних компонентах за приблизно стабільних температур.

Напівахильне та Повне Хрестові Вимірювання: Скасування Відхилень, Підсилення Сигналу

Напівахильне вимірювання використовує дві активні демпферні пластини замість однієї, зазвичай монтовані таким чином, щоб одна пластина відчувала натяг, а інша – стиснення від одного й того ж прикладеного навантаження (наприклад, одна пластина на верхній поверхні вигнутого балки та одна на нижній). Оскільки обидві пластини з’єднані з однією й тією ж структурою та піддаються однаковому впливу температури навколишнього середовища, вони відчувають приблизно однакові відхилення через температуру, але оскільки вони підключені до протилежних гілок мосту, їхні температурні ефекти скасовуються в рівнянні мосту, а їхні ефекти, викликані напруженням, додаються разом. В результаті практично одночасно виникають дві переваги: температурні помилки значною мірою скасовується, і виміряне вихідне напруження для заданого фактичного напруження приблизно подвоюється порівняно з чверть-мостом, що покращує чутливість та співвідношення сигнал/шум. Повне хрестове вимірювання йде ще далі, розміщуючи чотири активні пластини, по одну в кожній гілці, також розташовані так, щоб протилежні пари реагували на механічне навантаження протилежно (дві відчувають натяг, дві – стиснення), а всі чотири бачать однакову температуру навколишнього середовища. Це забезпечує найсильніше температурне скасування з трьох конфігурацій, оскільки кожна гілка є активною, термокомпонентною пластиною, і воно виробляє приблизно вчетверо вище вихідної напруги, ніж чверть-міст, для заданого прикладеного напруження, найвища чутливість з трьох варіантів. Повні хрестові улаштування є стандартними в прецизійних приладах, таких як датчики ваги та тиску, де як висока точність, так і температурна стабільність при різних умовах є важливими. Загальний патерн для всіх трьох конфігурацій полягає у безпосередній компроміс між складністю встановлення та якістю вимірювання: чверть-міст найдешевший і найпростіший, але найбільш вразливий до відхилень і шуму; напівахильне подвоює кількість пластин для значного кращого відкидання температури та чутливості; повне хрестове подвоює кількість пластин ще раз для найкращого досяжного скасування температурного впливу та найсильнішого вихідного сигналу. Вибір між ними в реальних інженерних практиках залежить від необхідної точності, очікуваних змін температури під час тестування та того, скільки зусиль з підключення проводів і склеювання пластин може обґрунтувати застосування.

Читання та калібрування вихідної напруги мосту в практичних умовах

Після збирання мосту необхідно перетворити вихідну напругу на фактичне значення напруження, і цей перетворення є справним розрахунком, а не приблизною оцінкою. Рівняння виходу мосту пов’язує прикладену напругу, номінальний опір ніжок, коефіцієнт деформації та кількість та розташування активних датчиків з виміряним диференційним напруженням, тому знаючи будь-які три з цих величин, інженер може безпосередньо розв’язати рівняння для четвертої, зазвичай це значення напруження. Оскільки зв'язок близький до лінійного для невеликих напружень, типових для випробувань конструкцій, більшість приладів просто застосовують один коефіцієнт масштабування після початкового калібрування, хоча точна робота враховує незначну нелінійність, яка існує при великих значеннях напруження. Перш ніж застосовувати будь-яке навантаження, міст балансується (або «нулюється»), щоб виправити те, що справжні резистори та справжні датчики ніколи не відповідають своїм номінальним значенням точно, через допуски виробництва, опір з’єднувальних проводів і незначні відмінності в умовах зварювання між датчиками. Балансування може бути виконано за допомогою підстроєчного потенціометра в одній ніжки або цифровим способом шляхом запису невантаженого виходу та віднімання його від усіх наступних показів. Пропуск цього кроку не робить фізики неправильною, але це означає, що значення напруження при нульовій деформації зміщене, що спотворює всі наступні вимірювання на постійну величину. Оскільки вихідний сигнал мосту зазвичай становить лише мілівольти навіть при повному прикладеному напруженні, справжні прилади значно підсилюють сигнал перед його цифровим перетворенням, а також розробляються з урахуванням захисту від дрейфу прикладеної напруги (оскільки вихідний масштаб безпосередньо залежить від прикладеної напруги, нестабільне живлення безпосередньо спотворює значення напруження) та від опіру з’єднувальних проводів у віддалених установках (вирішується за допомогою трьох-дротового або чотиридротового конфігурації з’єднувальних проводів, які скасовують опір проводів при вимірюванні). Жодне з цього не є здогадками: кожен етап, від деформації фольги до коефіцієнта деформації, до балансу мосту, до підсиленої напруги та обчисленого напруження, слідує за справжнім, простежуваним ланцюгом розрахункових фізичних зв’язків, що робить вимірювальні прилади з датчиками напружень достатньо надійними для застосувань в авіації, будівництві та точній виробничій галузі.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Strain Gauge Sensing via Wheatstone Bridge і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.