BAZELE TENSOMETRIEI

Mărcile tensometrice sunt dispozitive de detectare utilizate într-o varietate de aplicații fizice de testare și măsurare. Ele își schimbă rezistența la terminalele lor de ieșire atunci când sunt supuse unui efort de alungire sau de comprimare. Datorită acestei caracteristici, mărcile sunt în mod obișnuit lipite pe suprafața unui material solid și măsoară modificările sale dimensionale mici atunci când sunt supuse la compresie sau alungire. Mărcile tensometrice și principiile lor sunt adesea folosite în dispozitivele pentru măsurarea accelerației, presiunii, deformației și forței. Strain (deformația) este o unitate fără dimensiuni, definită ca o variație a lungimii pe unitate de lungime. De exemplu, dacă o bară lungă de 1 m se întinde la 1,000002 m, deformația este definită ca 2 microdeformații. Mărcile tensometrie au un gage factor caracteristic, definit ca variația fracționată a rezistenței împărțită la deformație. De exemplu, 2 micro-strain aplicate la o marcă cu gage factor de 2 produce o variație de rezistență fracționată de (2x2) 10^-6= 4x10^-6 sau 4 μΩ. Valorile obișnuite ale rezistenței mărcii variază în mod obișnuit de la 120 la 350 Ω, dar unele dispozitive pot fi de la 30 Ω până la 3 kΩ.

CONFIGURAȚII DE MĂSURARE CU MĂRCI TENSOMETRICE

PUNTEA Wheatstone

Pentru a efectua o măsurare exactă a deformației, trebuie măsurate variațiile extrem de mici ale rezistenței. Circuitul punte Wheatstone este folosit pe scară largă pentru a transforma microdeformația mărcii într-o variație de tensiune care poate fi trimisă la intrarea ADC-ului (vezi Figura 7.01). Când toate cele patru rezistoare ale punții sunt absolut egale, puntea este perfect echilibrat și Vout = 0. Dar când unul sau mai multe dintre rezistoare schimbă valoarea doar cu o cantitate fracționată, puntea produce o tensiune semnificativă, măsurabilă. Atunci când se utilizează cu un instrument, o marcă tensometrică înlocuiește unul sau mai multe dintre rezistoarele din punte și, pe măsură ce marca tensometrică suferă modificări dimensionale (deoarece este lipită pe o probă de testare), aceasta dezechilibrează puntea și produce o tensiune de ieșire proporțională cu deformația.

Circuite punte completă

Deși, adesea, sunt folosite circuitele jumătate de punte și sfert de punte, circuitul punte completă este configurația optimă pentru mărci tensometrice. Oferă cea mai mare sensibilitate și cele mai puține componente de eroare, și deoarece puntea completă produce cea mai mare ieșire, zgomotul este un factor mai puțin important în măsurare. Din aceste motive, se recomandă puntea completă atunci când este posibil.

O punte completă conține patru mărci tensometrice montate pe un element de testare (vezi figura 7.01).

Fig. 7.01. Circuitul punte completă realizează cea mai mare ieșire cu minim de erori.Toate cele patru brațe ale punții sunt active: două sunt supuse alungirii în timp ce alte două, pe partea opusă, sunt supuse compresiunii.

Două mărci sunt montate pe suprafața supusă alungirii, iar celelalte două sunt montate pe suprafața opusă, supusă compresiunii. Pe măsură ce elementul se deformează, cele două mărci supuse alungirii își cresc rezistența, în timp ce celelalte două își scad, dezechilibrând puntea și producând o ieșire proporțională cu deplasarea. Tensiunea de ieșire a punții este dată de:

EQN: 7.01. Tensiune de ieșire a punții complete: Vo = (Vex) (X)

unde:
Vo = tensiunea de ieșire a punții, V
Vex = tensiunea de excitație aplicată punții, V
X = variația relativă a rezistenței, ΔR/R

Puntea anulează factorii de eroare potențiali pe măsură ce temperatura variază deoarece toate cele patru mărci tensometrice au același coeficient de temperatură (anulându-se reciproc) și sunt situate în imediata apropiere a specimenului. Rezistența firelor de legătură nu afectează precizia măsurării atâta timp cât amplificatorul de intrare are o impedanță de intrare ridicată. De exemplu, un amplificator cu o impedanță de intrare de 100 MΩ produce un flux neglijabil de curent prin cablurile de măsurare, reducând la minimum căderile de tensiune datorate rezistenței legăturilor.

Circuite jumătate de punte

Atunci când condițiile fizice nu permit montarea unei punți complete, se poate folosi o jumătate de punte. În mod tipic, pe un element de testare sunt montate două mărci tensometrice și două rezistoare discrete completează puntea. Tensiunea de ieșire este:

EQN. 7.02. Tensiune de ieșire a jumătății de punte: Vo = Vex (X/2)

unde:
Vo = tensiunea de ieșire a punții, V
Vex = tensiunea de excitație aplicată la punte, V
X = variația relativă a rezistenței, ΔR/R

Fig. 7.02. In circuitul jumătate de punte, numai două brațe sunt active. Două mărci tensometrice sunt pe specimen în timp ce alte două rezistoare fixe care completează puntea nu sunt.

Pentru un ΔR mare, circuitele jumătate de punte și sfert de punte pot introduce o eroare suplimentară de neliniaritate (a se vedea figura 7.02). De asemenea, citirile nu sunt exacte atunci când coeficienții de temperatură dintre rezistoarele de completare a punții și mărci tensometrice sunt diferiți și rezistențele nu variază proporțional cu temperatura. Mai mult, rezistoarele de completare a punții nu sunt localizate de obicei în apropierea mărcilor, deci diferențele de temperatură contribuie cu erori suplimentare. În sistemele cu cabluri lungi de legătură, rezistoarele de completare a punții trebuie atașate aproape de mărci; totuși, acest lucru nu poate fi întotdeauna practic datorită limitărilor de testare sau a altor condiții fizice.

Circuite sfert de punte

Un circuit sfert de punte utilizează o marcă de tensiune și trei rezistoare de completare a punții. Tensiunea de ieșire este:

EQN. 7.03. Tensiunea de ieșire la sfert de punte: Vo = Vex (X/4)

unde:
Vo = tensiunea de ieșire a punții, V
Vex = tensiune de excitație aplicată punții, V
X = variația relativă a rezistenței, ΔR/R

Acest aranjament are cea mai mică ieșire, astfel că zgomotul este o problemă potențială. Mai mult decât atât, toate sursele de eroare și limitările din jumătatea de punte se aplică circuitului sfert de punte (a se vedea figura 7.03).

Fig. 7.03. Un circuit sfert de punte utilizează numai un braț activ și este cel mai puțin sensibil dintre cele trei. El este, de altfel, cel mai predispus la zgomot și erori.

Sursa de excitație

Măsurătorile exacte depind de o sursă de excitație stabilă, reglementată și cu zgomot redus. O sursă reglementată este necesară deoarece tensiunea de ieșire a unei mărci tensometrice este proporțională cu tensiunea de excitație. Prin urmare, fluctuațiile tensiunii de excitație produc tensiuni de ieșire inexacte.

Un sistem ideal de achiziție a datelor oferă o sursă de excitație pentru fiecare canal, reglabil independent de la 0,5 la 10,5V cu o limită de curent de 100 mA. O tensiune de excitație, V, utilizată cu o marcă tensometrică de rezistență R, necesită un curent de I = V/R. Rezistența unei punți Wheatstone măsurată între oricare două terminale simetrice este egală cu valoarea unuia dintre brațele de rezistență. De exemplu, patru brațe de 350 Ω formează o punte de 350 Ω. Curentul de sarcină este egal cu tensiunea de excitație împărțită la rezistența punții; în acest caz, 10 V/ 350 = 0,029 A = 29 mA.

Incălzirea

De asemenea, ar trebui să se țină seama de încălzirea rezistivă în mărcile tensometrice, deoarece mărcile răspund la temperatură ca și la stres. În majoritatea circuitelor standard, căldura pe care fiecare marcă o disipă este mai mică de 100 mW, deci nu este, uzual, o problemă. Acest lucru este valabil mai ales atunci când marca tensometrică este lipită pe un material care conduce rapid căldura, cum ar fi metalul. Însă, deoarece materialele cum ar fi lemnul, plasticul sau sticla nu conduc căldură la fel de repede, folosiți cea mai mică tensiune de excitație posibilă fără a introduce probleme de zgomot. De asemenea, căldura poate deveni o problemă atunci când mărcile tensometrice sunt, mai puțin frecvent, mici, sau numeroase mărci ocupă un spațiu limitat.

Luați în considerare o conexiune Kelvin pentru aplicarea tensiunii de excitație. Deoarece legăturile la excitație poartă un curent mic, pe acestea cad o tensiune mică corespunzătoare; V = I/RL, care reduce tensiunea care ajunge la terminalele punții. După cum se arată în figura 7.04, conexiunile Kelvin elimină această cădere cu o pereche de fire adăugate la bornele de excitație pentru a măsura și regla tensiunea punții. De exemplu, atunci când ie = 50 mA, RL = 5 Ω, iar căderea combinată de tensiune pe cele două conductoare este de 500 mV, nici o tensiune nu cade pe firele de compensare.

Fig. 7.04. Circuitul punte Kelvin utilizează o pereche de fire pentru a realiza tensiunea de excitație direct la punte, și alta pentru a detecta tensiunea de excitație. A treia pereche de fire măsoară tensiunea de ieșire a punții. Aranjamentul elimină eroarea căderii de tensiune pe firele de excitație din semnalul deformației măsurate.

O unitate comercială utilizează o conexiune Kelvin pentru măsurarea și reglarea tensiunii la punte. Ea livrează tensiunea la marca tensometrică cu o pereche de fire și o măsoară cu o altă pereche, așa cum se arată în figura 7.05. Cele șase fire sunt folosite în perechi pentru Sense, Excite și Measure (Detectare, Excitație și Măsurare). Firul Sense este o buclă de feedback pentru a a asigura că tensiunea Excite este ținută constant în cadrul specificațiilor.

Fig. 7.05. Un modul cu mărci tensometrice realizează excitația, câștigul și offset-ul reglabile pentru fiecare canal. Aceasta permite utilizarea întregii game dinamice a instrumentului.

Condiționarea semnalului de la marca tensometrică

Cele mai multe traductoare bazate pe marca tensometrică și celulele de sarcină au atribuite unități de măsură pentru greutate, forță, tensiune, presiune, cuplu și deflecție cu o valoare a scalei maxime măsurate în mV/V de excitație. De exemplu, o celulă de sarcină cu o sursă de excitație de 10 V și un factor de câștig de 2-mV/V generează o ieșire de 20 mV la sarcină maximă, indiferent dacă celula de sarcină a fost proiectată să se ocupe de 10, 100 sau 1000 lbs. Diferența este în rezoluția sistemului. Aceasta înseamnă că celula de sarcină mică de 10 lb produce 0,5 lb/mV, iar o celulă mare de sacină de 1000 lb produce 50 lbs/mV.

Conductoarele care transportă astfel de semnale de nivel scăzut sunt susceptibile la interferențele de zgomot și ar trebui protejate. Filtrele low-pass, măsurătorile de tensiune diferențială și medierea semnalului sunt tehnici eficiente pentru suprimarea interferențelor de zgomot. Mai mult, amplificatoarele de instrumentație condiționează, de obicei, semnalele extrem de scăzute ale mărcii tensometrice înainte de a le trimite la ADC. De exemplu, o intrare cu scală maximă de 10 V oferă o rezoluție de 156 μV pentru un ADC pe 16 biți. Câștigul amplificatorului de instrumentație ar trebui să fie ajustat pentru a asigura o ieșire la scală maximă a mărcii tensometrice sau a celulei de sarcină pe întreaga gamă a ADC-ului.

Traductoarele de forță și de presiune generează, în mod obișnuit, un semnal de ieșire offset atunci când nu se aplică nici o forță externă. Amplificatoarele de instrumentație conțin, în mod obișnuit, un control pentru a regla acest offset la zero și pentru a lăsa celula de sarcină să acopere întreaga gamă a ADC-ului. Cele mai multe instrumente oferă, de asemenea, o excitație reglabilă și câștig.

Rata de rejectare a modului-comun

Un raport ridicat de rejectare a modului-comun (CMRR) este esențial pentru amplificatoarele de mărci tensometrice (vezi capitolul 5). Un semnal de mărci tensometrice într-o punte Wheatstone este suprapus peste o tensiune de mod-comun egală cu jumătate din tensiunea de excitație. CMRR este o măsură a modului în care amplificatorul rejectează tensiunile de mod-comun. De exemplu, luați în considerare o sursă de excitație de 10 V (Vmax = 5 V) pentru o marcă tensometrică cu 2 mV/V (Vs = 20 mV) la scală maximă și un amplificator cu o CMRR de 90 dB (a se vedea figura 7.06). Amplificatorul poate introduce o eroare de 0,158 mV, corespunzând la aproximativ 0,80% din scala maximă, care poate să nu fie acceptabilă:

Fig. 7.06. Normal, semnalul mărcii tensometrice se suprapune peste o tensiune de mod-comun egală cu jumătate din tensiunea de excitație. Prin urmare, un CMRR mare este necesar pentru a rejecta tensiunea de mod-comun și a amplifica semnalul mărcii tensometrice.

EQN: 7,04. Rata de rejectare a modului-comun

dB = 20 log10 (Vs/Ve)

Vmax/Ve = log10-1 (dB/20) = log10-1 (90/20) = 31,622

Ve = Vmax/(log10-1 (dB/20)) = 5,00/31,622 = 0,158 mV

% eroare = (Ve/Vs) 100 = (0,158/20) 100 = 0,79%

unde:

Ve = tensiune de eroare, 0,158 mV
Vs = tensiune de semnal, 20 mV
Vmax = tensiune maximă, 5V
CMRR = 90 dB

Prin comparație, o CMRR de 115 dB introduce doar 9 μV de eroare, care corespunde doar la 0,04% din scala maximă.

Modulele de condiționare a semnalului pentru mărci tensometrice oferă, de regulă, o sursă de excitație reglată, cu excitație Kelvin opțională. Rezistoarele de completare a punții interne pot fi conectate pentru mărci tensometrice în sfert și jumătate de punte. Amplificatoarele de instrumentație oferă intrarea și scalarea ajustărilor de câștig și o ajustare a offsetului anulează sarcinile statice mari. Acest lucru permite ca semnalele de intrare să utilizeze întreaga gamă a sistemului de achiziție de date, iar măsurătorile acoperă rezoluția maximă a ADC.

Unele condiționatoare de semnal pentru mărci tensometrice oferă setări de câștig fix, offset și excitație, dar setările fixe nu au avantajul gamei maxime dinamice a ADC. Ele scad rezoluția reală disponibilă a măsurătorii. De exemplu, multe module condiționatoare de semnal pentru mărci tensometrice pot fi setate la o evaluare fixă ​​de 3 mV/V. La 10 V, reglarea excitației, offsetului și câștigului sunt toate fixate ​​și nu pot fi efectuate ajustări.

O ajustare a excitației permite utilizatorilor să stabilească tensiunea de excitație la maximul permis de producător, ceea ce maximizează ieșirea punții. De asemenea, ajustarea offset-ului permite utilizatorilor compensarea la ieșire produsă fie de un mic dezechilibru a punții, fie de o deformare statică a elementului mecanic. Iar ajustarea amplificării permite utilizatorilor să stabilească un câștig care oferă o ieșire la scală maximă în sarcină maximă, ceea ce optimizează gama dinamică a ADC.

CALIBRAREA

Modulul de condiționare a semnalului oferă o caracteristică de calibrare cu șunt (a se vedea figura 7.07). Acesta permite utilizatorilor să comute propriile rezistoare de șunt în oricare dintre cele două brațe inferioare ale punții sub controlul software. De exemplu, un rezistor de șunt poate fi calculat pentru a simula o sarcină maximă. Aplicarea unui rezistor de șunt este o modalitate convenabilă de a simula un dezechilibru fără a fi nevoie să aplicați o sarcină fizică. Pentru orice punte echilibrată, un rezistor specific poate fi conectat în paralel cu unul dintre cele patru elemente de punte pentru a obține un dezechilibru predictiv și o tensiune de ieșire. De exemplu, o marcă tensometrică de 350 Ω, 2 mV/V, oferă o ieșire maximă atunci când un braț scade cu 0,8% până la 347,2 W. Un rezistor de 43,75 kΩ șuntat peste unul sau celălalt element de punte inferior pendulează ieșirea la maxim pozitiv sau maxim negativ.

Fig. 7.07. O punte poate fi calibrată cu un rezistor șunt, care este comutat cu o comandă software într-unul din brațele punții.

O ecuație pentru calculul valorii rezistorului șunt de calibrare este:

EQN. 7.05. Rezistor șunt de calibrare pentru traductoare:

Rs = Rba [Vex / 4 (Vo)]

Rs = 350 [10/4 (0,020)] = 43,75 kΩ

unde:
Rs = rezistor șunt, Ω
Rba = rezistor braț punte, Ω
Rs >> Rba
Vex = tensiune de excitație, V
Vo = tensiunea de ieșire a punții, V

Multe produse includ software de calibrare cu un program Windows care oferă mai multe metode de calibrare, instrucțiuni online și un ecran de diagnosticare pentru testarea sistemului calibrat.

Traductoare și celule de sarcină

Mărcile tensometrice sunt disponibile comercial în module prefabricate, cum ar fi celulele de sarcină care măsoară forța, tensiunea, compresia și cuplul. Celulele de sarcină folosesc în mod obișnuit o configurație cu punte întreagă și conțin patru fire pentru excitarea și măsurarea punții. Producătorii oferă informații de calibrare și acuratețe.

Aparatele de presiune cu diafragmă de deformație

Aparatele de presiune cu diafragmă de deformație este formată din două sau patru mărci tensometrice montate pe o diafragmă subțire. Mărcile sunt legate într-un circuit de punte Wheatstone, inclusiv rezistoare de completare a punții, atunci când este necesar, astfel încât aparatul de presiune este echivalent electric cu o celulă de sarcină. Tensiunea de ieșire este specificată în mV/ V de excitație pentru o presiune diferențială la scală maximă pe diafragmă.

Atunci când o parte a diafragmei (numită partea presiunii de referință) este deschisă pentru atmosfera ambientală, aparatul compară presiunea de referință cu presiunea ambiantă, care este de aproximativ 14,7 psi la nivelul mării. Când aparatul măsoară presiunea atmosferică, camera de referință trebuie sigilată fie cu o referință de vid (aproape de zero psi), fie cu referința la nivelul mării.

Variațiile de temperatură pot afecta precizia aparatelor de presiune cu diafragmă de deformație. Un aparat de presiune cu o presiune de referință sigilată, diferită de zero, prezintă variații de temperatură compatibile cu legea ideală a gazului. De exemplu, o variație de 5°C a temperaturii ambientale în apropierea temperaturii normale a camerei (25°C) produce o eroare de 1,7% în măsurarea presiunii. Variațiile de temperatură pot, de asemenea, să afecteze performanțele propriu-zise ale mărcilor tensometrice. Traductoarele trebuie să conțină circuite de compensare a temperaturii pentru a menține măsurători precise ale presiunii în medii cu temperaturi larg variabile.

Toate aparatele de presiune cu membrană tensionată necesită o sursă de excitație reglată. Unele aparate conțin regulatoare interne, astfel încât utilizatorii pot conecta o tensiune nereglementată de la o sursă de alimentare. Unele aparate de presiune cu membrană tensionată utilizează, de asemenea, condiționarea internă a semnalului, care amplifică ieșirea de semnal în mV de la puntea Wheatstone la o tensiune la scală maximă de la 5 la 10 V. Aparatele de acest tip au ieșiri cu impedanță redusă. Spre deosebire de acestea, alte aparate de presiune nu au condiționarea internă a semnalului, astfel încât impedanța lor de ieșire egalează rezistența punții Wheatstone (câțiva kΩ pentru tipuri de semiconductori), iar ieșirea lor la scală maximă este în mV.

Referințe:

Metode experimentale pentru determinarea deformațiilor și tensiunilor mecanice - Pavel TRIPA