Ako zosilniť výstup z tenzometra?

Tenzometre sú základné senzory používané v širokej škále priemyselných odvetví, od letectva a automobilového priemyslu až po stavebné inžinierstvo a testovanie materiálov. Tieto zariadenia merajú mechanické namáhanie zisťovaním zmien elektrického odporu a poskytujú cenné údaje pre monitorovacie a riadiace systémy. Výstupný signál tenzometra je však často veľmi malý a vyžaduje zosilnenie, aby bol užitočný v praktických aplikáciách. V tomto blogovom príspevku sa podelím o niekoľko účinných metód na zosilnenie výstupu tenzometra, pričom vychádzam zo svojich skúseností dodávateľa tenzometrov.

Pochopenie základov tenzometrického výstupu

Predtým, ako sa ponoríme do zosilňovacích techník, je dôležité pochopiť povahu výstupu tenzometra. Tenzometer má typicky odpor, ktorý sa mení úmerne k aplikovanému namáhaniu. Zmena odporu je zvyčajne veľmi malá, často rádovo niekoľko ohmov alebo menej. Táto malá zmena odporu má za následok príslušne malú zmenu napätia na tenzometre, keď je súčasťou obvodu.

Výstupné napätie tenzometra možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
kde:

• (\Delta V) je zmena výstupného napätia
• (V_{exc}) je budiace napätie aplikované na tenzometrický mostík
• (G) je merací faktor tenzometra
• (\epsilon) je aplikovaný kmeň

Ako môžete vidieť zo vzorca, výstupné napätie je priamo úmerné budiacemu napätiu, meraciemu faktoru a použitej námahe. Avšak aj pri relatívne vysokom budiacom napätí a veľkom kalibračnom faktore môže byť výstupné napätie stále dosť malé, najmä pre malé napätia.

Konfigurácie mostov pre zosilnenie

Jedným z najbežnejších spôsobov zvýšenia výkonu tenzometra je použitie konfigurácie mostíka. Wheatstoneov mostík je najpoužívanejším mostíkovým obvodom pre aplikácie tenzometrov. Pozostáva zo štyroch odporových prvkov, pričom tenzometer je jedným alebo viacerými z týchto prvkov.

Konfigurácia štvrť mosta

V konfigurácii štvrtinového mostíka je iba jeden zo štyroch odporov vo Wheatstoneovom mostíku tenzometrom. Ďalšie tri odpory sú pevné odpory. Táto konfigurácia je jednoduchá a nákladovo efektívna, ale poskytuje najnižší výkon v porovnaní s inými konfiguráciami mostov.

Konfigurácia polovičného mosta

Konfigurácia polovičného mostíka používa dva tenzometre. To môže byť usporiadané rôznymi spôsobmi v závislosti od aplikácie. Napríklad jeden tenzometer možno použiť na meranie napätia, zatiaľ čo druhý možno použiť ako merač teplotnej kompenzácie. Konfigurácia polovičného mostíka poskytuje vyšší výkon ako konfigurácia štvrtinového mostíka.

Úplný tenzometer mosta

Konfigurácia úplného mostíka využíva štyri tenzometre. Táto konfigurácia poskytuje najvyšší výkon a je najcitlivejšia na napätie. Ponúka tiež najlepšiu teplotnú kompenzáciu. V konfigurácii plného mostíka sú všetky štyri odpory vo Wheatstoneovom mostíku tenzometre. To umožňuje maximálne využitie zmien odporu vyvolaných napätím a výsledkom je výrazne väčšie výstupné napätie v porovnaní s konfiguráciami štvrť a polovičný mostík.

Zosilňovače na úpravu signálu

Keď je tenzometer nakonfigurovaný v mostíkovom obvode, ďalším krokom je zosilnenie výstupného signálu. Zosilňovače na úpravu signálu sú špeciálne navrhnuté na zosilnenie malých výstupných signálov z tenzometrov a iných senzorov. Tieto zosilňovače majú zvyčajne vysokú vstupnú impedanciu, aby sa minimalizoval vplyv zaťaženia na tenzometrický mostík, a nízky šum, aby sa zabezpečilo presné zosilnenie signálu.

Prístrojové zosilňovače

Prístrojové zosilňovače sú obľúbenou voľbou na zosilnenie tenzometrických signálov. Sú navrhnuté tak, aby poskytovali vysoký zisk, vysoký pomer odmietnutia spoločného režimu (CMRR) a nízke offsetové napätie. Vysoká hodnota CMRR je obzvlášť dôležitá v aplikáciách tenzometrov, pretože pomáha potlačiť akýkoľvek bežný režim šumu, ktorý môže byť prítomný vo vstupnom signáli.

Operačné zosilňovače

Na zosilnenie tenzometrických signálov možno použiť aj operačné zosilňovače (operačné zosilňovače). Zatiaľ čo operačné zosilňovače sú všeobecnejšie zosilňovače, môžu byť nakonfigurované rôznymi spôsobmi, aby sa dosiahlo požadované zosilnenie. V porovnaní s prístrojovými zosilňovačmi však môžu mať operačné zosilňovače nižšie CMRR a vyššie offsetové napätie, čo môže ovplyvniť presnosť zosilneného signálu.

Optimalizácia budiaceho napätia

Pri určovaní výstupného napätia zohráva rozhodujúcu úlohu aj budiace napätie aplikované na mostík tenzometra. Zvýšenie budiaceho napätia môže priamo zvýšiť výstupné napätie tenzometra podľa vyššie uvedeného vzorca. Zvyšovanie budiaceho napätia má však určité obmedzenia.

Stratový výkon

Jedným z hlavných obmedzení je strata energie. So zvyšujúcim sa budiacim napätím sa zvyšuje aj výkon rozptýlený tenzometrom. To môže viesť k prehriatiu tenzometra, čo môže ovplyvniť jeho presnosť a spoľahlivosť. Preto je dôležité zvoliť budiace napätie, ktoré je v rámci menovitého výkonu tenzometra.

Hluk a rušenie

Ďalším aspektom je šum a rušenie. Vyššie budiace napätie môže tiež zvýšiť náchylnosť tenzometra na elektrický šum a rušenie. To môže mať za následok zhoršený pomer signálu k šumu (SNR), ktorý môže ovplyvniť presnosť merania. Preto je dôležité vyvážiť potrebu vysokého budiaceho napätia s potrebou minimalizovať šum a rušenie.

Kompenzácia teploty

Zmeny teploty môžu mať významný vplyv na výstup tenzometra. Pri zmene teploty sa môže meniť odpor tenzometra, a to aj v prípade absencie akéhokoľvek aplikovaného napätia. To môže viesť k chybám v meraní. Preto je teplotná kompenzácia dôležitým aspektom zosilnenia tenzometra.

Aktívna kompenzácia teploty

Aktívna teplotná kompenzácia zahŕňa použitie prídavných snímačov alebo obvodov na meranie teploty a prispôsobenie výstupu tenzometra. Napríklad termistor možno použiť na meranie teploty a výstup tenzometra možno nastaviť na základe odčítania teploty.

Pasívna kompenzácia teploty

Pasívnu teplotnú kompenzáciu možno dosiahnuť pomocou konfigurácií mostíkov. Napríklad v konfigurácii s polovičným mostíkom alebo úplným mostíkom možno jeden alebo viacero tenzometrov použiť ako teplotné kompenzačné meradlá. Tieto meradlá sú umiestnené tak, aby boli ovplyvnené rovnakými teplotnými zmenami ako merací tenzometer, ale nie aplikovanou deformáciou. To pomáha eliminovať zmeny odporu spôsobené teplotou v meracom tenzometri.

Filtrovanie signálu

Okrem zosilnenia je dôležitá aj filtrácia signálu na zlepšenie kvality výstupu z tenzometra. Šum a rušenie môžu byť zavedené do signálu z rôznych zdrojov, ako je elektromagnetické rušenie (EMI), šum napájacieho zdroja a mechanické vibrácie.

Nízkopriepustné filtre

Nízkofrekvenčné filtre sa bežne používajú na odstránenie vysokofrekvenčného šumu zo signálu tenzometra. Tieto filtre umožňujú prechod nízkofrekvenčných signálov (vrátane signálu indukovaného napätím), pričom tlmia vysokofrekvenčný šum.

Vysokopriepustné filtre

Vysokopriepustné filtre možno použiť na odstránenie nízkofrekvenčného šumu, ako sú DC offsety a pomalý drift. Tieto filtre umožňujú prechod vysokofrekvenčných signálov a zároveň tlmia nízkofrekvenčné signály.

Záver

Zosilnenie výstupu tenzometra je kritickým krokom v mnohých aplikáciách. Použitím vhodných konfigurácií mostíkov, zosilňovačov na úpravu signálu, optimalizácie budiaceho napätia, implementácie teplotnej kompenzácie a aplikovania filtrácie signálu je možné výrazne zvýšiť výkon tenzometra a zlepšiť presnosť merania.

Ako dodávateľ tenzometrov chápem dôležitosť poskytovania vysokokvalitných tenzometrov a potrebnej podpory pre zosilnenie a úpravu signálu. Ak hľadáte tenzometre alebo potrebujete poradiť, ako zosilniť ich výstup, odporúčam vám kontaktovať ma pre podrobnú diskusiu. Môžeme spolupracovať, aby sme našli najlepšie riešenie pre vašu konkrétnu aplikáciu.

Referencie

• Doebelin, EO (2003). Meracie systémy: Aplikácia a dizajn. McGraw-Hill.
• Kistler Group. (2021). Technológia tenzometra. Získané z [Website URL]
• Omega Engineering. (2021). Príručka tenzometra. Získané z [Website URL]