Cum se amplifica ieșirea unui extensometru?

Extensometrele sunt senzori esențiali utilizați într-o gamă largă de industrii, de la industria aerospațială și auto până la inginerie civilă și testarea materialelor. Aceste dispozitive măsoară solicitarea mecanică prin detectarea modificărilor rezistenței electrice, oferind date valoroase pentru sistemele de monitorizare și control. Cu toate acestea, semnalul de ieșire al unui tensiometru este adesea foarte mic și necesită amplificare pentru a fi util în aplicații practice. În această postare pe blog, voi împărtăși câteva metode eficiente de a amplifica rezultatul unui extensometru, bazându-mă pe experiența mea ca furnizor de extensometre.

Înțelegerea elementelor de bază ale ieșirii tensiometrului

Înainte de a explora tehnicile de amplificare, este esențial să înțelegem natura ieșirii jaluzei de tensiometru. Un tensiometru are de obicei o rezistență care se modifică proporțional cu deformarea aplicată. Modificarea rezistenței este de obicei foarte mică, adesea de ordinul câțiva ohmi sau mai puțin. Această modificare mică a rezistenței are ca rezultat o modificare corespunzătoare a tensiunii pe tensiometrul atunci când acesta face parte dintr-un circuit.

Tensiunea de ieșire a unui extensometru poate fi calculată folosind următoarea formulă:
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
Unde:

• (\Delta V) este modificarea tensiunii de ieșire
• (V_{exc}) este tensiunea de excitație aplicată punții de extensometru
• (G) este factorul de măsurare al tensometrului
• (\epsilon) este tulpina aplicată

După cum puteți vedea din formulă, tensiunea de ieșire este direct proporțională cu tensiunea de excitare, factorul de măsurare și deformarea aplicată. Cu toate acestea, chiar și cu o tensiune de excitare relativ mare și un factor de măsurare mare, tensiunea de ieșire poate fi totuși destul de mică, în special pentru deformari mici.

Configurații de pod pentru amplificare

Una dintre cele mai obișnuite modalități de a crește randamentul unui extensometru este utilizarea unei configurații de punte. Podul Wheatstone este cel mai utilizat circuit de punte pentru aplicațiile de extensometru. Este alcătuit din patru elemente rezistive, extensometrul fiind unul sau mai multe dintre aceste elemente.

Configurație Quarter Bridge

Într-o configurație cu un sfert de punte, doar unul dintre cele patru rezistențe din podul Wheatstone este un tensiometru. Celelalte trei rezistențe sunt rezistențe fixe. Această configurație este simplă și rentabilă, dar oferă cea mai mică ieșire în comparație cu alte configurații de pod.

Configurație Half Bridge

O configurație cu jumătate de punte utilizează două extensometre. Acesta poate fi aranjat în diferite moduri, în funcție de aplicație. De exemplu, un tensiometru poate fi utilizat pentru a măsura deformarea, în timp ce celălalt poate fi folosit ca un indicator de compensare a temperaturii. Configurația cu jumătate de punte oferă o ieșire mai mare decât configurația cu un sfert de punte.

Tensometru cu punte completă

Configurația completă a podului utilizează patru tensiometre. Această configurație oferă cea mai mare putere și este cea mai sensibilă la efort. De asemenea, oferă cea mai bună compensare a temperaturii. Într-o configurație cu punte completă, toate cele patru rezistențe din puntea Wheatstone sunt tensiometre. Acest lucru permite utilizarea maximă a modificărilor de rezistență induse de deformare și are ca rezultat o tensiune de ieșire semnificativ mai mare în comparație cu configurațiile sfert și jumătate de punte.

Amplificatoare de condiționare a semnalului

Odată ce extensometrul este configurat într-un circuit în punte, următorul pas este amplificarea semnalului de ieșire. Amplificatoarele de condiționare a semnalului sunt proiectate special pentru a amplifica semnalele mici de ieșire de la extensometre și alți senzori. Aceste amplificatoare au în mod obișnuit o impedanță mare de intrare pentru a minimiza efectul de încărcare pe puntea de extensometru și zgomot redus pentru a asigura o amplificare precisă a semnalului.

Amplificatoare de instrumentare

Amplificatoarele de instrumentare sunt o alegere populară pentru amplificarea semnalelor de extensometru. Acestea sunt proiectate pentru a oferi un câștig ridicat, un raport de respingere în mod comun ridicat (CMRR) și o tensiune de compensare scăzută. CMRR ridicat este deosebit de important în aplicațiile de tensiometru, deoarece ajută la respingerea oricărui zgomot de mod comun care poate fi prezent în semnalul de intrare.

Amplificatoare operaționale

Amplificatoarele operaționale (amplificatoare operaționale) pot fi, de asemenea, utilizate pentru a amplifica semnalele jaluzelor de tensiune. În timp ce amplificatoarele operaționale sunt amplificatoare de uz general, ele pot fi configurate în diferite moduri pentru a obține amplificarea dorită. Cu toate acestea, în comparație cu amplificatoarele de instrumente, amplificatoarele operaționale pot avea un CMRR mai mic și o tensiune de offset mai mare, ceea ce poate afecta acuratețea semnalului amplificat.

Optimizarea tensiunii de excitare

Tensiunea de excitație aplicată punții tensometrice joacă, de asemenea, un rol crucial în determinarea tensiunii de ieșire. Creșterea tensiunii de excitare poate crește direct tensiunea de ieșire a tensometrului, conform formulei menționate mai devreme. Cu toate acestea, există unele limitări pentru creșterea tensiunii de excitare.

Disiparea puterii

Una dintre principalele limitări este disiparea puterii. Pe măsură ce tensiunea de excitare crește, crește și puterea disipată de extensometrul. Acest lucru poate duce la supraîncălzirea tensometrului, ceea ce poate afecta acuratețea și fiabilitatea acestuia. Prin urmare, este important să alegeți o tensiune de excitare care să se încadreze în puterea nominală a tensometrului.

Zgomot și interferențe

Un alt aspect este zgomotul și interferența. O tensiune de excitare mai mare poate crește, de asemenea, susceptibilitatea tensometrului la zgomot electric și interferențe. Acest lucru poate duce la un raport semnal-zgomot (SNR) degradat, care poate afecta acuratețea măsurării. Prin urmare, este important să echilibrăm necesitatea unei tensiuni de excitație ridicate cu nevoia de a minimiza zgomotul și interferența.

Compensarea temperaturii

Schimbările de temperatură pot avea un impact semnificativ asupra ieșirii unui extensometru. Pe măsură ce temperatura se modifică, rezistența tensometrului se poate modifica, chiar și în absența oricărei forțe aplicate. Acest lucru poate duce la erori în măsurare. Prin urmare, compensarea temperaturii este un aspect important al amplificării cu tensiometru.

Compensarea activă a temperaturii

Compensarea activă a temperaturii implică utilizarea unor senzori sau circuite adiționale pentru a măsura temperatura și pentru a ajusta în consecință puterea tensometrului. De exemplu, un termistor poate fi utilizat pentru a măsura temperatura, iar ieșirea tensometrului poate fi ajustată pe baza citirii temperaturii.

Compensarea pasivă a temperaturii

Compensarea pasivă a temperaturii poate fi realizată folosind configurații de punte. De exemplu, într-o configurație cu jumătate de punte sau punte completă, unul sau mai multe dintre tensometre pot fi utilizate ca manometre de compensare a temperaturii. Aceste manometre sunt amplasate în așa fel încât să fie afectate de aceleași schimbări de temperatură ca și extensometrul de măsurare, dar nu de deformarea aplicată. Acest lucru ajută la anularea modificărilor de rezistență induse de temperatură în jaumetrul de măsurare.

Filtrarea semnalului

Pe lângă amplificare, filtrarea semnalului este, de asemenea, importantă pentru a îmbunătăți calitatea ieșirii tensometrului. Zgomotul și interferențele pot fi introduse în semnal din diverse surse, cum ar fi interferența electromagnetică (EMI), zgomotul sursei de alimentare și vibrațiile mecanice.

Filtre trece-jos

Filtrele trece-jos sunt utilizate în mod obișnuit pentru a elimina zgomotul de înaltă frecvență de la semnalul jauzei de tensiune. Aceste filtre permit semnalelor de joasă frecvență (inclusiv semnalul indus de efort) să treacă prin atenuarea zgomotului de înaltă frecvență.

Filtre de trecere înaltă

Filtrele de trecere înaltă pot fi utilizate pentru a elimina zgomotul de joasă frecvență, cum ar fi decalajele DC și deriva lentă. Aceste filtre permit semnalelor de înaltă frecvență să treacă în timp ce atenuează semnalele de joasă frecvență.

Concluzie

Amplificarea ieșirii unui tensiometru este un pas critic în multe aplicații. Folosind configurații adecvate de punte, amplificatoare de condiționare a semnalului, optimizarea tensiunii de excitație, implementarea compensării temperaturii și aplicarea filtrării semnalului, este posibilă creșterea semnificativă a ieșirii unui tensiometru și îmbunătățirea preciziei măsurării.

În calitate de furnizor de extensometre, înțeleg importanța furnizării de extensometre de înaltă calitate și suportul necesar pentru amplificare și condiționarea semnalului. Dacă sunteți în căutarea de tensiometre sau aveți nevoie de sfaturi despre cum să le amplificați puterea, vă încurajez să mă contactați pentru o discuție detaliată. Putem lucra împreună pentru a găsi cea mai bună soluție pentru aplicația dumneavoastră specifică.

Referințe

• Doebelin, EO (2003). Sisteme de măsurare: aplicație și proiectare. McGraw-Hill.
• Grupul Kistler. (2021). Tehnologie de extensometru. Preluat de la [URL site-ul]
• Omega Engineering. (2021). Manual de extensometru. Preluat de la [URL site-ul]