Hur förstärker man utsignalen från en töjningsmätare?
Lämna ett meddelande
Töjningsmätare är viktiga sensorer som används i ett brett spektrum av industrier, från flyg- och bilindustrin till anläggningsteknik och materialtestning. Dessa enheter mäter mekanisk belastning genom att detektera förändringar i elektriskt motstånd, vilket ger värdefull data för övervaknings- och kontrollsystem. Utsignalen från en töjningsmätare är emellertid ofta mycket liten och kräver förstärkning för att vara användbar i praktiska tillämpningar. I det här blogginlägget kommer jag att dela med mig av några effektiva metoder för att förstärka produktionen av en töjningsmätare, utifrån min erfarenhet som leverantör av töjningsgivare.
Förstå grunderna för töjningsmätare
Innan du fördjupar dig i förstärkningstekniker är det viktigt att förstå karaktären på töjningsmätarens utdata. En töjningsmätare har vanligtvis ett motstånd som ändras i proportion till den applicerade töjningen. Förändringen i resistans är vanligtvis mycket liten, ofta i storleksordningen några ohm eller mindre. Denna lilla förändring i resistans resulterar i en motsvarande liten förändring i spänningen över töjningsmätaren när den ingår i en krets.
Utspänningen från en töjningsmätare kan beräknas med följande formel:
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
Där:
- (\Delta V) är förändringen i utspänningen
- (V_{exc}) är excitationsspänningen som appliceras på töjningsmätarbryggan
- (G) är töjningsmätarens manometerfaktor
- (\epsilon) är den applicerade stammen
Som du kan se från formeln är utspänningen direkt proportionell mot exciteringsspänningen, mätfaktorn och den applicerade töjningen. Men även med en relativt hög excitationsspänning och en stor mätfaktor kan utspänningen fortfarande vara ganska liten, speciellt för små töjningar.
Bryggkonfigurationer för förstärkning
Ett av de vanligaste sätten att öka effekten av en töjningsmätare är att använda en brokonfiguration. Wheatstone-bron är den mest använda brokretsen för töjningsmätare. Den består av fyra resistiva element, där töjningsmätaren är ett eller flera av dessa element.
Quarter Bridge-konfiguration
I en kvartsbrokonfiguration är endast ett av de fyra motstånden i Wheatstone-bron en töjningsmätare. De övriga tre motstånden är fasta motstånd. Denna konfiguration är enkel och kostnadseffektiv men ger den lägsta effekten jämfört med andra bryggkonfigurationer.
Half Bridge-konfiguration
En halvbrokonfiguration använder två töjningsgivare. Detta kan ordnas på olika sätt, beroende på applikation. Till exempel kan en töjningsmätare användas för att mäta töjningen, medan den andra kan användas som temperaturkompensationsmätare. Halvbrokonfigurationen ger en högre effekt än kvartsbryggkonfigurationen.
Komplett brotöjningsmätare
Den fullständiga brokonfigurationen använder fyra töjningsgivare. Denna konfiguration ger den högsta effekten och är den mest känsliga för belastning. Den erbjuder också den bästa temperaturkompensationen. I en komplett brokonfiguration är alla fyra motstånden i Wheatstone-bron töjningsmätare. Detta möjliggör maximalt utnyttjande av de töjningsinducerade resistansförändringarna och resulterar i en betydligt högre utspänning jämfört med kvarts- och halvbryggkonfigurationerna.
Signalkonditioneringsförstärkare
När töjningsmätaren väl är konfigurerad i en bryggkrets är nästa steg att förstärka utsignalen. Signalkonditioneringsförstärkare är speciellt utformade för att förstärka de små utsignalerna från töjningsmätare och andra sensorer. Dessa förstärkare har vanligtvis hög ingångsimpedans för att minimera belastningseffekten på töjningsmätarbryggan och lågt brus för att säkerställa korrekt signalförstärkning.
Instrumentförstärkare
Instrumentförstärkare är ett populärt val för att förstärka töjningsmätarsignaler. De är designade för att ge hög förstärkning, högt common-mode rejection ratio (CMRR) och låg offsetspänning. Den höga CMRR är särskilt viktig i töjningsmätartillämpningar eftersom det hjälper till att avvisa all common-mode-brus som kan finnas i insignalen.
Operationsförstärkare
Operationsförstärkare (op-amps) kan också användas för att förstärka töjningsmätarsignaler. Medan op-förstärkare är mer generella förstärkare, kan de konfigureras på olika sätt för att uppnå önskad förstärkning. Jämfört med instrumentförstärkare kan op-förstärkare dock ha lägre CMRR och högre offsetspänning, vilket kan påverka noggrannheten hos den förstärkta signalen.
Optimering av excitationsspänning
Excitationsspänningen som appliceras på töjningsmätarbryggan spelar också en avgörande roll för att bestämma utspänningen. Att öka exciteringsspänningen kan direkt öka utspänningen från töjningsmätaren, enligt formeln som nämnts tidigare. Det finns dock vissa begränsningar för att öka exciteringsspänningen.
Kraftförlust
En av de viktigaste begränsningarna är effektförlust. När excitationsspänningen ökar ökar också den effekt som avges av töjningsmätaren. Detta kan leda till överhettning av töjningsmätaren, vilket kan påverka dess noggrannhet och tillförlitlighet. Därför är det viktigt att välja en magnetiseringsspänning som ligger inom töjningsmätarens märkeffekt.
Buller och störningar
En annan faktor är buller och störningar. En högre excitationsspänning kan också öka töjningsmätarens känslighet för elektriskt brus och störningar. Detta kan resultera i ett försämrat signal-brusförhållande (SNR), vilket kan påverka mätningens noggrannhet. Därför är det viktigt att balansera behovet av en hög excitationsspänning med behovet av att minimera brus och störningar.
Temperaturkompensation
Temperaturförändringar kan ha en betydande inverkan på utmatningen av en töjningsmätare. När temperaturen ändras kan motståndet hos töjningsmätaren ändras, även i frånvaro av någon påförd töjning. Detta kan leda till fel i mätningen. Därför är temperaturkompensation en viktig aspekt av töjningsmätarförstärkning.
Aktiv temperaturkompensation
Aktiv temperaturkompensation innebär att man använder ytterligare sensorer eller kretsar för att mäta temperaturen och justera utmatningen från töjningsmätaren därefter. Till exempel kan en termistor användas för att mäta temperaturen, och uteffekten från töjningsmätaren kan justeras baserat på temperaturavläsningen.
Passiv temperaturkompensation
Passiv temperaturkompensation kan uppnås med bryggkonfigurationer. Till exempel, i en halvbro- eller helbrokonfiguration kan en eller flera av töjningsgivarna användas som temperaturkompensationsmätare. Dessa mätare är placerade på ett sådant sätt att de påverkas av samma temperaturförändringar som mättöjningsgivaren men inte av den påförda töjningen. Detta hjälper till att eliminera de temperaturinducerade resistansförändringarna i den mätande töjningsmätaren.
Signalfiltrering
Förutom förstärkning är signalfiltrering också viktigt för att förbättra kvaliteten på töjningsmätarens utsignal. Brus och störningar kan införas i signalen från olika källor, såsom elektromagnetisk störning (EMI), strömförsörjningsbrus och mekaniska vibrationer.
Lågpassfilter
Lågpassfilter används vanligtvis för att ta bort högfrekvent brus från töjningsmätarsignalen. Dessa filter tillåter lågfrekventa signaler (inklusive den töjningsinducerade signalen) att passera igenom samtidigt som de dämpar högfrekvent brus.
Högpassfilter
Högpassfilter kan användas för att ta bort lågfrekvent brus, såsom DC-offset och långsam drift. Dessa filter tillåter högfrekventa signaler att passera igenom samtidigt som de dämpar lågfrekventa signaler.
Slutsats
Att förstärka utsignalen från en töjningsmätare är ett kritiskt steg i många applikationer. Genom att använda lämpliga bryggkonfigurationer, signalkonditioneringsförstärkare, optimera exciteringsspänningen, implementera temperaturkompensation och tillämpa signalfiltrering är det möjligt att avsevärt öka utsignalen från en töjningsmätare och förbättra mätningens noggrannhet.
Som leverantör av töjningsgivare förstår jag vikten av att tillhandahålla töjningsmätare av hög kvalitet och det nödvändiga stödet för förstärkning och signalkonditionering. Om du letar efter töjningsmätare eller behöver råd om hur man förstärker deras uteffekt, rekommenderar jag att du kontaktar mig för en detaljerad diskussion. Vi kan arbeta tillsammans för att hitta den bästa lösningen för just din applikation.
Referenser
- Doebelin, EO (2003). Mätsystem: Applikation och design. McGraw-Hill.
- Kistler Group. (2021). Strain Gauge Technology. Hämtad från [Webbadress]
- Omega Engineering. (2021). Töjningsmätare handbok. Hämtad från [Webbadress]
