Дисц. "Сензорна техника"



Дата30.11.2018
Размер1.09 Mb.
#106157



ТУ - ВАРНА

Дисц. “СЕНЗОРНА ТЕХНИКА”

Кат. “ЕТМ”
ЛАБОРАТОРНО УПРАЖНЕНИЕ
“ИЗСЛЕДВАНЕ НА TEНЗОМЕТРИЧЕН СЕНЗОР”
ТЕОРЕТИЧНА ПОСТАНОВКА
Тензометричният метод е косвен метод за измерване на най-разнообразни неелектрични величини - налягане, сили, моменти и други. Основен елемент в тензометрията е тензометричния сензор, представляващ еластична механична конструкция, към която по определен начин са закрепени тензорезистори – фиг.1.


Фиг.1

Измерваната механична величина F или Р въздейства на еластичния елемент, предизвиквайки неговата деформация, пропорционална на механичната величина. Деформацията на еластичния елемент се преобразува от тензорезисторите в изменение на електрическото им съпротивление ( 1 ), пропорционално на деформацията, вследствие на промяна на дължината и сечението на проводника, от който са направени. На фиг.2 са показани няколко различни варианта на тензорезистори.

(1) ,

Фиг.2


Основните проблеми при тензометричния метод възникват поради ниската чувствителност на тензорезисторите, като правило не превишаваща 1-2 % от номиналната стойност на резистора. Това определя и класическата измервателна верига на тензорезистивните измервателни преобразуватели: мостова схема на свързване за преобразуване на изменението на съпротивлението в напрежение с последващо усилване с помощта на прецизен измервателен диференциален усилвател.

Възможните реализации на мостовата верига са показани на Фиг.3- захранване на мостовите схеми с напрежение и Фиг.4- захранване на мостовите схеми с ток. Изборът на една от тези схемни реализации на измервателния мост се определя от конкретните условия на приложението. Следва да се отбележи, че схемите с диференциално изменящи се рамена на моста, освен че осъществяват линейно преобразуване, също така осъществяват автоматично температурна компенсация, докато при другите схеми се налага компенсацията да се прави допълнително.



Фиг.3 Мостови схеми захранвани с напрежение


Фиг.4 Мостови схеми захранвани с ток

На Фиг.5 е показана типична схема на използване на диференциален усилвател за усилване на изходното напрежение от тензомоста, приложима за всички схеми от Фиг.3. Възможни са и други схемни решения, извършващи освен усилване и линеаризация на мостовата схема, ако това е необходимо.



Фиг.5
Най-добри резултати при тази проста реализация се получават при използването на специални прецизни усилватели, притежаващи диференциален вход, висок коефициент на усилване, висок коефициент на подтискане на синфазната съставна, ниска стойност на адитивна и мултипликативна грешки, получили поради тези специфични изисквания наименованието „тензоусилватели”.

Допълнителен проблем при тензометричния метод е свързан с възникването на термо електродвижещи сили (е.д.с.) в точките на съединение на проводниците, идващи от изхода на моста с входните клеми на тензоусилвателя, както е показано на Фиг.6. Тези термо е.д.с. могат да се окажат съизмерими по стойност с изходния сигнал на моста и заедно с входните остатъчно напрежение и токове на тензоусилвателя създават адитивна грешка, която следва да бъде отчетена или компенсирана по някакъв начин.

Фиг.6


Паразитните термодвойки, които се образуват в местата на свързване на проводниците, идващи от моста и изводите на усилвателя при разлика в температурата им даже само един градус генерира термо е.д.с., която може да достигне единици и десетки микроволта. От друга страна, остатъчното напрежение и входните токове на операционния усилвател (отбелязани с еOS на фигурата) също създават адитивна грешка. В добавка, те са и температурно зависими. Това налага особено строги изисквания към използвания усилвател, което довежда на практика до използването на скъпо струващи специални инструментални усилватели като тези с периодична корекция на дрейфа или с МДМ преобразуване.

Ефикасен метод за отстраняване на влиянието на всички паразитни източници, причиняващи адитивна грешка е представен на Фиг.7., където с EOS сумарно са означени всички източници на адитивна грешка. Методът се състои в следното. Отчита се факта, че полярността на паразитните е.д.с., коментирани по-горе и възникващи във входната верига на усилвателя са със знак, независещ от полярността на изходното напрежение на моста. Измервателното преобразуване се извършва в два такта, като се сменя полярността на захранващото напрежение на моста, респективно – на изходното напрежение на моста (полезния сигнал). Резултатът се взема като разлика от изходните напрежения на моста в двата такта. По този начин, в резултата полезният сигнал се умножава два пъти, а паразитните напрежения се унищожават напълно. Една примерна реализация е дадена на Фиг.7-б.


Фиг.7. Метод за елиминиране на паразитните напрежения във веригата на усилвателя (а) и примерна реализация (б).

Типични стойности за тензорезисторите са 120Ω, 350Ω, 3500Ω. За да се избегне грешка от самонагряване на тензосензорите се подава максимално допустим ток в границите 15mA ÷ 150mA.

ОПИСАНИЕ НА ОПИТНАТА ПОСТАНОВКА


Тензометричният сензор ( Load Cell type “ L6D-C3 “ resistance 350Ω ) е за номинален товар 50кг. Необходимите тежести за изпълнение на операцията “ градуиране ” са с тегло: 1192; 1242; 2570; 2724 грама.

На входа на тензометричният измервателен усилвател се намира П – образния противосмутителен нискочестотен филтър изграден от елементите R1,1; R1,2; C2; C1,1; C1,2. Тензометричният измервателен усилвател е съставен от блок “ входен диференциален усилвател с диференциален изход ” – U1, U2, R2,1; R2,2; R3 и блок “ изходен диференциален усилвател с недиференциален изход ” – U3, R4-1÷4 ; блок “ нулиране ” – U4, P, C4, R6-1,2 ; и пасивен нискочестотен филтър – R5, C3.

Честотата на срязване f при -3dB на П – образния противосмутителен нискочестотен филтър се определя съгласно израза:

f = (1)


Коефициентът на усилване на блок “входен диференциален усилвател с диференциален изход” се дава с израза:
A = (+ 1) (2)

ЗАДАЧИ ЗА ЛАБОРАТОРНОТО УПРАЖНЕНИЕ




  1. Да се разучи схемата на лабораторния макет и от принципната схема да се снемат стойностите на пасивните компоненти.

  2. От приложенaта фирмена документация да се снемат основните параметри на тензометричния сензор: изходна чувствителност; съпротивления в захранващия и измервателния диагонал. Да се обясни разликата в двете съпротивления.

  3. Да се изчисли големината на тока протичащ през тензосензора. Проверете дали той се намира в допустимия диапазон.

  4. Да се изчисли големината на изходното напрежение в измервателния диагонал на тензосензора при захранващо напрежение 5V и номинален товар 50кг.

  5. Да се изчисли честотата на срязване fна П – образния противосмутителен нискочестотен филтър съгласно израза (1).

  6. Да се изчисли коефициентът на усилване Aна входния диференциален усилвател с диференциален изход съгласно израза (2) и експериментално да се определи реалният коефициент на усилване на входния диференциален усилвател.

  7. С помоща на потенциометъра Р да се нулира схемата без приложен товар на тензосензора (изключване влиянието на “тарата”).

  8. Експериментално да се проведе градуировка на тензосензора и тензометричния измервателен усилвател с наличните тежести. От получените данни да се изчисли приведената грешка от нелинейност γ.













Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница