Применение тензодатчиков для измерения силы

Лекция 6. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ С ДАТЧИКАМИ

6.1. Общие сведения

6.2. Резистивные датчики

6.3. Тензометрические датчики

6.4. Применение тензодатчиков для измерения силы

6.5. Измерение потоков жидкостей и газов

6.6. Измерение деформации

Общие сведения

Датчиком (sensor) называется устройство, вырабатывающее выходной сигнал в ответ на входной электрический сигнал или механическое действие. Иначе датчиками называют преобразователи (transducer) одного типа сигнала в другой.

Датчики применяются для измерения различных физических свойств материалов и сред (температуры, силы, давления, позиции, интенсивности света и др). Эти входные воздействия задают возбуждение датчика, который входит в систему измерения данного параметра. Такой системой является совокупность аналоговых и (или) цифровых модулей управления/анализа какимлибо процессом.

Различают активные и пассивные датчики. Активный датчик использует внешние цепи возбуждения, например датчики на резисторах. Такие датчики изменяют свое сопротивление в зависимости от состояния окружающей среды датчика, но для его функционирования необходим источник тока, к которому он подключен.

Пассивные датчики могут сами формировать выходной сигнал без использования внешнего источника тока или напряжения, например фотодиоды. Фотодиод генерирует фотодиодный ток в зависимости от уровня освещенности, который не зависит от внешних цепей.

В табл. 2.1 приведены виды типичных датчиков.

Выходной сигнал датчиков, как правило, достаточно мал (миллиамперы, милливольты, пикофарады и т. п.), в связи с этим сигнал должен быть усилен для приема, оцифровки и дальнейшей обработки цифровой системой.

Цепи усиления, фильтрации, трансформации и преобразования называются цепями формирования сигнала.

Помимо низкого выходного сигнала выход датчика, как правило, достаточно не линеен. Другими словами, датчики далеко не всегда выдают прямо пропорциональную зависимость выходного сигнала от входного возбуждения. Таким образом, цепи формирования сигнала должны содержать модули линеаризации датчика.

Таблица 2.1

Типичные датчики

Измеряемый параметр	Наименование датчика	Активный или пассивный	Выход датчика
Температура	Термоэлемент Тиристор Резистивный термометр Термистор	Пассивный Активный Активный Активный	Напряжение Напряжение/ток Сопротивление Сопротивление
Сила/давление	Тензометр Пьезокварцевый датчик	Активный Пассивный	Сопротивление Напряжение
Ускорение	Акселерометр	Активный	Емкость
Позиция	Преобразователь перемещения	Активный	Переменное напряжение
Интенсивность света	Фотодиод	Пассивный	Ток

Рис. 2.1. Схема управления термопроцессом

Рассмотрим типичную схему микропроцессорной системы для анализа и контроля температуры среды некоторого процесса (рис. 2.1).

Температурный датчик помещен в исследуемую среду (процесс). Выходной сигнал датчика согласовывается (нормируется) и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Микропроцессор (микроконтроллер) управляет работой АЦП и воспринимает преобразованный в соот-

ветствующую цифровую величину сигнал, получаемый с датчика. Исполнительным устройством системы контроля температуры является нагреватель, управляемый микропроцессором при помощи цифроаналогового преобразователя и схем согласования. Основываясь на данных о температуре, микропроцессорная система поддерживает уровень приложенного напряжения (протекающего тока) через нагреватель для поддержания заданного значения температуры процесса.

Если эту или аналогичную систему объединить в один конструктив, мы получим интеллектуальный датчик(smartsensor), который имеет функции самонастройки, автолиниеризации и пр. Если расширить интеллектуальный датчик возможностями передачи данных по стандартизированной локальной сети, то мы получим интегрированную систему сбора и обработки информации. Такие системы выпускаются ведущими мировыми производителями (AnalogDevices, TexasInstruments, Philips и др.) Они интегрируют на одном конструктиве (или даже кристалле) высокопроизводительные АЦП, ЦАП, микроконтроллеры, flash-память, различные стандартные контроллеры последовательной передачи данных и др.

Резистивные датчики

Наиболее распространенными датчиками являются резистивные элементы. В табл. 2.2 приведены различные резистивные датчики.

Таблица 2.2

Резистивные датчики

Наименование датчика	Диапазон сопротивлений
Тензометрические датчики	120 Ом, 350 Ом, 3500 Ом
Динамометры	350–3500 Ом
Датчики давления	350–3500 Ом
Датчики относительной влажности	100 кОм – 10 MОм
Термометры сопротивления	100–1000 Ом
Термисторы	100 Ом – 10 MОм

Как видно из таблицы, первые три позиции имеют малый диапазон измерения сопротивления, следовательно, при использовании этих датчиков особенно необходимо очень точно отслеживать малейшие изменения сопротивления.

Обычная схема подключение резистивного датчика приведена на рис. 2.2.

V_out= I R( R+∆)

Рис. 2.2. Резистивный датчик

Следует заметить, что при данном включении необходимо учитывать нелинейность как самого датчика, возникающую при его самонагреве, так и возможную нестабильность работы источника тока. Для избежания этих искажений рекомендуется использовать источник тока малой величины.

Более сложными, но более информативными и распространенными схемами включения резистивных датчиков являются различные мостовые схемы, например мост Уитстона (рис. 2.3).

R1 − R2

Vout= R R1R+1 4Vв − R R2R+2 3Vв = 1+ RRR R141+3 RR32 Vв

 4 

V₀ ⁼ 0,если R RR¹₄ = R₃²

Рис. 2.3. Мост Уитстона

Если плечи моста равны (R₁/R₄ = R₂/R₃),то такой мост называют сбалансированным (нулевым).

Пусть R₁– датчик, определим R₂/R₃ = K,при этом будем механически вводить мост в нулевое положение при помощи подстроечного резистора R₄, который имеет шкалу (например, реостат), таким образом получим систему управления/подстойки параметров датчика R₁.Такую систему можно использовать, например, для определения уровня поднятия заслонки при подаче жидкостей через электромеханический вентиль.

В мостовых схемах можно применять более одного датчика и определять их сопротивление по напряжению диагонали моста (рис. 2.4). Как указывалось выше, следует учитывать, что относительное изменение выходного напряжения такого моста будет достаточно невелико (десятки милливольт при V_в = 10 В).

Чувствительность моста – это отношение максимально ожидаемого изменения выходного напряжения (выхода) к напряжению возбуждения (возбуждению). Так, если максимальный выход составляет 10 мВ, а возбуждение 10 В, то чувствительность равна 1 мВ/В.

Vв ∆R  4 R + ∆R 

Vв ∆R  2 R + ∆R 

Vв∆R 2  R 

Vв∆RR

   

 2   2 

Рис. 2.4. Конфигурации мостов (возбуждение напряжением)

Если мост располагается достаточно далеко от системы принятия сигнала, то за счет сопротивления связывающих их проводником могут возникнуть дополнительные искажения. В этом случае мосты лучше питать не постоянным напряжением, а током (рис. 2.5), тогда нелинейным будет только четверть моста.

В качестве схемы усиления выходных сигналов моста рассмотрим схему, предложенную на рис. 2.6. Усиление сигнала происходит операционным усилителем (ОУ). Такая схема требует использования высокоточных резисторов R_F для обеспечения высокого коэффициента ослабления синфазной составляющей сигнала (КОСС). Выход схемы не линеен. Однако она достаточно проста и в ней применен однополярный источник питания.

 

I R_в ∆R∆R  I2_в ∆R I2_в ∆R I_в∆R

4 _R _{+ }  4 

Рис. 2.5. Конфигурации мостов (возбуждение током)

 

Vout⁼ V4^в _R ₊∆R_∆R _

 2 

Рис. 2.6. Усиление выходного сигнала выхода четвертьмостового датчика

Vout= −Vв∆2RR

Рис. 2.7. Линеаризация четвертьмостового датчика

В качестве схемы линеаризации выходного сигнала рассмотрим схему, представленную на рис. 2.7. Здесь операционный усилитель принудительно устанавливает нуль в измерительной диагонали путем подачи компенсирующего напряжения обратной полярности в измеряющее плечо моста. При этом амплитуда выходного сигнала мостового датчика в два раза больше, чем при стандартном включении, и сигнал линеен даже при большом изменении величины чувствительного элемента (∆R). Однако в данной схеме используется двухполярный источник питания.

Тензометрические датчики

Тензодатчики применяются для измерения величины силы (давления).

Различают резистивные, полупроводниковые и пьезоэлектрические тензометрические датчики. Измерение силы тензодатчиком происходит косвенно – путем измерения деформации калиброванного элемента, вызванной действием данной силы. Для измерения давления его преобразуют в силу и измеряют тензометрическим методом. Тензодатчики также применяют для измерения скоростей потока различных жидкостей и сред (воздуха, газов). Такие измерения производят, используя дифференциальный метод измерения. В табл. 2.3 приведены направления и техника применения тензодатчиков.

Таблица 2.3

Применение тензодатчиков

Направление	Тензодатчик
Деформация	Тензодатчик, пьезоэлектрический преобразователь
Сила	Элемент нагрузки (динамометр)
Давление	Диафрагма преобразует в силу, измеряемую тензодатчиком
Поток	Методы измерения дифференциального давления

Резистивный тензодатчик меняет свои размеры при действии на него силы (сжимается или растягивается), таким образом он изменяет свое сопротивление.

В простейшем случае резистивный тезодатчик представляет собой тензопроволочку, натянутую между двумя стойками-контактами (рис. 2.8). Сила, воздействуя на проволочку (площадью сечения А, длиной L, удельным сопротивлением ρ), вызовет удлинение или сжатие последней, что приведет к пропорциональному увеличению или уменьшению ее сопротивления:

R=ρL,

A

∆R =GF ∆L ,

R L

где GF – это тензочувствительность (значение 2.0–4.5 – для металлов, более 150 – для полупроводников).

Значение силы, приложенной к проволочке, определяется величиной ∆L/L, выражается в единицах относительной деформации(е. о. д.). Таким образом, чем больше тензочувствительность, тем больше величина изменения сопротивления и, следовательно, выше чувствительность датчика.

Тензочувствительная проволочка

Рис. 2.8. Проволочный тензодатчик

Если проволочку или проводящую тензофольгу закрепить на специальной подвижной пластине или основании, мы получим наклеиваемый тензодатчик. Такой датчик устанавливается вдоль направления измеряемой силы

(рис. 2.9).

Рис. 2.9. Наклеиваемый проволочный тензодатчик

Наклеиваемые датчики изготовляют из тех же металлов, что и проволочные (константан, нихром, сплав никеля с железом и т. д.). Наибольшее распространение получили фольговые датчики, изготавливаемые методом фототравления.

Таблица 2.4

Сравнение металлических и полупроводниковых тензодатчиков

Параметр	Металлический тензодатчик	Полупроводниковый тензодатчик
Диапазон измерения	0.1–40,000 µε	0.001–3000 µε
Тензочувствительность	2.0–4.5	50–200
Сопротивление, Ом	120, 350, 600, ..., 5000	1000–5000
Допуск резисторов	0. 1 %–0.2 %	1–2 %
Размер, мм	0.4–150 (стандарт 3–6)	1–5

Проволочные датчики имеют малую поверхность связи с образцом (основанием), что уменьшает токи утечки при высоких температурах и дает большее напряжение изоляции между чувствительным элементом и образцом. Кроме того, фольговые чувствительные элементы имеют большое отношение площади поверхности к площади поперечного сечения (чувствительность) и более стабильны при критических температурах и длительных нагрузках. Большая площадь поверхности и малое поперечное сечение также обеспечивают хороший температурный контакт чувствительного элемента с образцом, что уменьшает саморазогрев датчика.

Полупроводниковые материалы (например, кремний и германий), имеющие пьезорезистивный эффект, используют для изготовления тензодатчиков большой чувствительности. Однако они трудно поддаются компенсации и имеют нелинейное изменение сопротивления (табл. 2.4).

Применение тензодатчиков для измерения силы

Рассмотрим применение тензодатчиков для измерения силы (рис. 2.10). В рассматриваемом примере используются четыре тензорезистора, устновленных на балке и включенных по полномостовой схеме.

Как правило, тензодатчики – это устройства с достаточно низким сопротивлением, поэтому для получения приемлемых уровней выходного напряжения они требуют приложения значительной мощности возбуждения. Пусть тензомостовой датчик имеет импеданс 350 Ом, тогда его чувствительность будет выражаться в милливольтах полной шкалы на вольт напряжения возбуждения. В качестве примера рассмотрим динамометр, состоящий из четырех тензорезисторов (рис. 2.11).

Балка Усилие

Рис. 2.10. Балочный динамометр

Рис. 2.11. Шестипроводной динамометр

В данной ситуации при возбуждении 10 В и коэффициенте преобразования 3 мВ/В верхний предел шкалы составит 30 мВ.

Для измерения давления в жидкостях и газах используются различные механические преобразователи давления, подключенные к тензодатчикам. Для высокочастотных измерений давления (например, в гидроаккустике) применяются пьезоэлектрические преобразователи давления.