Эластичные резистивные тензодатчики

Эластичные резистивные тензодатчики интенсивно используются для медико-биологических измерений, особенно при кардиоваскуляр-ных (сердечно-сосудистых) и респираторных размерных и плетизмо-графических (объемных) обследованиях. Эти устройства обычно представляют собой узкую резиновую трубку (с внутренним диамет­ром 0,5 мм и внешним диаметром 2 мм) длиной от 30 до 250 мм, заполненную ртутью, пастообразным электролитом или проводящей пастой. Концы трубки герметично закрыты электродами (амальга­мированные медь, серебро или платина). При растяжении такой трубки ее длина увеличивается, а диаметр уменьшается, что приво­дит к увеличению сопротивления.

Сопротивление, приходящееся на единицу длины типичного эластичного тензодатчика, составляет приблизительно от 2 до 200 мОм/мм. По сравнению с другими тензодатчиками эти устройства позволяют из­мерять намного большие перемещения.

Нелинейность эластичного тензодатчика не превышает 1% для растяжений, составляющих 10% (или менее) от максимального растя­жения. При увеличении растяжения до 30% от максимальной величи­ны нелинейность достигает 4% от полного диапазона. Начальная нелинейность (зона нечувствительности) связана с ненатянутостью трубки. Резиновым трубкам присуща долговременная ползучесть,

однако для динамических измерений этот недостаток не имеет су­щественного значения.

При использовании рассматриваемых преобразователей возника­ет много проблем, например: обеспечение надежного контакта ртути и электродов, обеспечение непрерывности ртутного столба, контроль дрейфа сопротивления, обусловленного относительно большим ТКС эластичного датчика. Кроме того, возникают трудности с точной ка­либровкой из-за сложности связей между массой и упругостью, на­пряжением и деформацией в комплексе ткань — тензодатчик. Из-за низкого сопротивления эти тензодатчики потребляют большую мощ­ность [18].

Мостовые схемы

Разнообразные мостовые схемы широко используются для изме­рения сопротивлений, емкостей и индуктивностей. Мы обсудим прос­той резистивный мост, так как он применяется наиболее часто.

На рис. 8.11(a) показан стандартный мост Уинстона с источником питания и приведено соотношение, устанавливающее связь между его входным и выходным напряжениями. Мост может питаться от ис­точника как постоянного, так и переменного тока; здесь мы рассмот­рим только мост постоянного тока. Из приведенного соотношения следует, что при R1/R4 = R₂/R₃ выходное напряжение моста равно нулю (т. е. мост сбалансирован).

Для проведения измерения в одно или несколько плеч моста вклю­чаются резистивные измерительные преобразователи (тензодатчики, резистивные термометры, термисторы и т. п.), сопротивления кото­рых являются функциями от соответствующих измеряемых физиче­ских переменных. Таким образом, измеряемые отклонения сопротивлений одного или нескольких резисторов моста от исходных значений отражают значения (или изменения) этих переменных.

На рис. 8.11(6) изображен мост, все резисторы которого имеют равные номиналы при сбалансированном состоянии моста, но сопро­тивление одного из резисторов изменяется пропорционально (1 + х), где х — относительное отклонение сопротивления от номинала как функция, например, деформации. Зависимость выходного сигнала моста от х нелинейна, но для малых х с достаточной для многих прак­тических целей точностью аппроксимируется линейным соотношени­ем. Величину выходного сигнала можно удвоить, используя два идентичных резистивных элемента, как показано на рис. 8.11(e).

Рисунок 8.11. Наиболее распространенные мостовые схемы на тензодатчиках и соотно­шения между их входными и выходными напряжениями [23]:

(a) v = {[(Ri/Ri) - (Ri/Ri)\/[(\ + Л,/Л₄) х (1 + R₂/Ri)]) V,;

(б) v = ViX/[4(l + х/2)] = xVi/4 при х « 1;

(в) v = ViX/[2(l + х/2)] = xVi/2 при х < 1;

(г) v = xVr,

(d) v = -xVi/2;

(e) v = -xVi/2.

На рис. 8.11 (г) представлена схема моста на четырех резисторах, сопротивления двух из которых увеличиваются, а сопротивления двух других уменьшаются по одному и тому же линейному закону. Такая схема часто применяется для измерения перемещений методом изгиба тонкой балки с использованием двух идентичных двухэле­ментных тензодатчиков, закрепляемых на противоположных поверх­ностях балки. Выходной сигнал такого моста в четыре раза больше выходного сигнала одноэлементного моста и линейно зависит от х.

В мостовой схеме, изображенной на рис. 8.11(d), используется по­тенциометр, два плеча которого являются двумя соседними плечами моста. Роль такого потенциометра может, например, выполнять потенциометрический резистивный преобразователь.

В схеме, показанной на рис. 8.11(e), ОУ обеспечивает принудитель­ную балансировку моста. Эта схема отличается хорошей линейнос­тью и очень низким выходным сопротивлением, что упрощает измерение ее выходного сигнала и гарантирует лучшую точность.

Обратим внимание, что до сих пор мы не учитывали влияние на­грузки моста (сопротивления измерительных приборов или каких-либо других схем) на величину его выходного сигнала. На практике такое влияние всегда имеет место (рис. 8.12), хотя во многих случаях им можно пренебречь.

Рисунок 8.12. Мостовая схема, используемая для ил­люстрации влияния нагрузки.

Примеры практических тензодатчиков

На рис. 8.13 показана упрощенная функциональная схема измери­тельной системы с использованием четырех тензодатчиков для изме­рения изгиба тонкой балки (два двухэлементных тензодатчика закрепляются на противоположных поверхностях балки). Система включает в себя мостовую схему на четырех тензодатчиках, источник питания моста, усилитель и АЦП. Выходной цифровой сигнал подается в ПК.

Рисунок 8.13. Измерительная система с тензометрическим мостом

Питание моста. Тензодатчики — устройства с низким входным сопротивлением (120—350 Ом); это означает, что падение напряже­ния в проводах, соединяющих источник питания с мостом, может приводить к существенному изменению питающего напряжения. По­скольку выходное напряжение моста прямо пропорционально этому напряжению, то его изменение будет приводить к небольшой погреш­ности усиления.В результате выходное напряжение источника питания подстра-ивается к требуемому уровню. В данном примере мост подключен к АЦП. Если для питания моста и для формирования опорного напряжения в АЦП используется один и тот же источник питания, например входящий в состав блока питания ПК, то выходной сигнал АЦП будет менее чувствителен к колебаниям напряжения питания моста, так как оба напряжения изменяются при этом согласованно.

Мосты переменного тока. Питание измерительного моста от источника переменного тока имеет некоторые преимущества: уровень шумов усилителя на несущей частоте ниже, а требуемый фазочувствительный демодулятор ослабляет помехи на частоте сети. Однако при этом способе питания моста усложняется схемотехническая реализация измерительной системы.

Усилитель. Для детектирования и измерения выходного сигнала моста используются различные устройства, например формирователи сигнала моделей 2В30 и 2В31, выпускаемые фирмой Analog Devices. Эти микросхемы — компактные формирователи сигнала с высокими рабочими характеристиками, специально разработанные для обеспечения высокоточного интерфейса тензочувствительных преобразователей и резистивных датчиков температуры. ИС 2В31 имеет три основных функциональных модуля: высококачественный инструментальный усилитель, фильтр нижних частот третьего порядка и источник питания преобразователя с регулируемым выходным напряжением. В микросхему 2В30 входят тот же усилитель и тот же фильтр, что и в ИС 2В31, но в ней отсутствует источник питания.

Хотя рассмотренные микросхемы имеют некоторые преимущества, они все же довольно дороги (более 50 долл. каждая). На рис.8.14 показана более простая схема с использованием только одного ОУ. Эта схема пригодна для измерения лишь малых отклонений сопротивлений моста от номинальных значений, и в ней трудно изменить значение коэффициента усиления. Кроме того, в зависимости от значения коэффициента усиления нелинейность данной схемы может в два раза превысить нелинейность самого моста.

Для считывания выходного сигнала моста чаще всего, по-видимому, используется инструментальный усилитель Инструментальный усилитель, как правило, характеризуется малым дрейфом нуля, высоким КОСС, высоким входным сопротивлением и способностью сохранять эти высокие рабочие характеристики в широком диапазоне значений коэффициента усиления. Этот усилитель обеспечивает приемлемую линейность зависимости выходного на-пряжения от входной деформации.

Мостовая схема. Если точно установлены значения всех необходи­мых параметров схемы, можно рассчитать чувствительность моста.

Рисунок 8.17.Использование диффе­ренциального усилителя в каче­стве усилителя выходного сигна­ла моста.

Лучше всего, однако, непосредственно откалибровать мост, изменяя сопротивление одного из плеч на известную величину и определяя влияние этого изменения на выходной сигнал моста. Этот способ ка­либровки можно реализовать с помощью дополнительного калибро­вочного резистора, сопротивление которого точно известно (рис. 8.18). Мост балансируется при разомкнутом ключе, и затем этот ключ замыкается; за счет подключения калибровочного резистора R_c сопротивление в плече 2 изменяется и баланс моста нарушается. На выходе измерительной системы появляется напряжение, которое не только определяет коэффициент передачи, но и демонстрирует рабо ту усилителя.

Рис. 8.18. Мостовая схема с элементами калибровки и балансировки моста, а также регулировки полной чувствительности [6].

устройств регистрации. Изменение сопротивления AR, которое вызывает появление этого напряжения, вычисляется по формуле

ΔR = R₂ – R₂Rc (R₂ + Rc).

Тогда чувствительность моста определяется выражением

S= Δv₀ /ΔR

В приведенной на рис. 8.18 схеме предусмотрена также регулировка полной чувствительности с помощью переменного резистора R_s без изменения напряжения V_i,. Благодаря этому в мосте можно произво­дить замену измерительных преобразователей. Кроме того, имеется возможность точной установки нулевого напряжения на выходе мо-

ста при нулевом значении измеряемой физической величины даже в том случае, когда плечи моста не обеспечивают его полную баланси­ровку.

8.8 АКСЕЛЕРОМЕТРЫ

Пьезоэлектрические акселерометры широко используются для ви­брационных измерений, поскольку это прочные, надежные и простые устройства. На рис. 8.19 показаны две базовые конструкции акселеро­метров: акселерометры первого типа работают в компрессионном режиме, а акселерометры второго типа — в сдвиговом.