Mărcile tensometrice sunt dispozitive fundamentale de detectare care funcționează ca blocuri ale multor alte tipuri de traductoare, incluzând senzori de presiune, sarcină și cuplu, utilizați extensiv în aplicațiile de testare structurală și monitorizare. Chiar și în cazul în care mărcile tensometrice sunt frecvente, acestea sunt unul dintre cele mai dificile tipuri de senzori de utilizat pentru condiționarea și obținerea de date fiabile.

Măsurătorile cu mărci tensometrice funcționează prin detectarea variațiilor minime ale lungimii unei folii metalice datorită solicitărilor pe o suprafață adesea mai mică de 5 mm. Mai mulți factori pot afecta performanța de măsurare a tensiunii, incluzând probleme de condiționare a semnalului, zgomot electric, fluctuații de temperatură și calibrare necorespunzătoare. Deoarece senzorii de presiune, sarcină și cuplu sunt în mod obișnuit bazați pe o configurație de mărci tensometrice în punte completă, ei sunt, de asemenea, afectați de mulți dintre acești factori. Luați în considerare următoarele recomandări pentru a compensa erorile și pentru a spori acuratețea măsurătorilor bazate pe punți.

Cerințe privind condiționarea semnalului

Completarea punții

Cu excepția cazului în care utilizați un senzor cu punte completă, trebuie să completați puntea cu rezistoare de referință. Prin urmare, dispozitivele de condiționare a semnalelor pentru senzori bazați pe punți oferă în mod obișnuit rețele de completare a jumătății de punți compuse din două rezistoare de referință de înaltă precizie. Rezistența nominală a rezistoarelor de completare este mai puțin importantă decât cât de bine se potrivesc cele două rezistoare.

În mod ideal, rezistențele se potrivesc bine și asigură o tensiune de referință stabilă a VEX/2 la borna de intrare negativă a canalului de măsurare. Rezistența ridicată a rezistoarelor de completare ajută la minimizarea curentului consumat de la tensiunea de excitație. Cu toate acestea, utilizarea rezistoarelor de completare care sunt prea mari poate duce la creșterea zgomotului și a erorilor datorate curenților de polarizare.

Excitaţie

Senzorii bazați pe punți necesită o tensiune constantă pentru alimentarea punții. Condiționatoarele de semnal pentru punte includ de obicei o sursă de tensiune. Nici un nivel de tensiune standard nu este recunoscut în întreaga industrie, dar nivelurile de tensiune de excitație de aproximativ 3 V și 10 V sunt comune. Deși o tensiune de excitație mai mare generează o tensiune de ieșire proporțional mai mare, poate provoca, de asemenea, erori mai mari din cauza auto-încălzirii. În mod similar, fluctuațiile mici ale tensiunii de excitație datorate surselor de excitație instabile pot afecta precizia măsurătorilor. Următoarele secțiuni oferă recomandări pentru a minimiza efectele erorilor care rezultă din sursele de auto-încălzire și surse de excitație instabilă.

Amplificare

Ieșirea mărcilor tensometrice este relativ mică. De exemplu, cele mai multe punți de mărci tensometrice produc mai puțin de 10 mV/V sau 10 milivolți de ieșire pe volt de tensiune de excitație. Cu excitație de 10 V, semnalul de ieșire este de 100 mV. Prin urmare, condiționatoarele de semnal pentru senzorii bazați pe punte includ, de obicei, amplificatoare pentru a crește nivelul semnalului, pentru a crește rezoluția măsurătorilor și a îmbunătăți raportul semnal-zgomot.

Senzorii de sarcină, presiune și cuplu pot produce tensiuni joase sau înalte, în funcție de cerințele de excitație. Senzorii de nivel scăzut sunt de obicei alimentați de un dispozitiv de măsură și scot semnale de milivolți. Senzorii de nivel ridicat (sau senzorii condiționați) necesită funcționarea unor surse de alimentare externe mai mari și semnale de ieșire de ± 5 V, ± 10 V sau 4-20 mA.

Alegerea unui nivel optim de excitare

Selectarea unui nivel optim de excitație reprezintă un echilibru între realizarea unui raport puternic semnal-zgomot și minimizarea efectelor auto-încălzirii. Într-o lume ideală, se preferă niveluri ridicate de tensiune de excitație deoarece variația tensiunii de ieșire pentru un anumit nivel de solicitare crește proporțional cu tensiunea de excitație. Datorită acestui fapt, puteți măsura mai ușor și mai precis tensiunile mici generate de punțile de mărci tensometrice, în special în medii zgomotoase sau atunci când sunt utilizate fire lungi, susceptibile la zgomot. Cu toate acestea, deoarece mărcile tip folie sunt în mod esențial dispozitive electrice rezistive, nivelurile de excitație mai mari determină auto-încălzire, ceea ce introduce multiple efecte negative. Auto-încălzirea schimbă rezistivitatea și sensibilitatea punții și capacitatea adezivului de a transfera solicitarea. Mărcile tensometrice sunt rareori distruse de tensiunile de excitație excesive. Rezultatul obișnuit este degradarea performanței în locul defectării mărcii.

Deoarece mulți factori diferiți vă pot afecta nivelul de excitație ideal, nu puteți să standardizați un nivel de tensiune de excitație a punții pentru o anumită dimensiune și tip de marcă. În general, puteți reduce auto-încălzirea prin scăderea nivelului de excitație, dar o tensiune de excitație optimă este cel mai bine determinată printr-o procedură experimentală. Dacă nu este aplicată nicio sarcină, ar trebui să examinați punctul de zero al canalului în timp ce creșteți progresiv nivelul de excitație. Când observați instabilitate în citirea lui zero, ar trebui să reduceți excitația până când stabilitatea revine. Ar trebui să experimentați la cea mai ridicată temperatură la care efectuați măsurătorile. În medii zgomotoase, puteți utiliza în continuare niveluri scăzute de excitație prin ecranarea corectă a firelor de legătură și prin plasarea dispozitivului de măsurare în apropierea senzorilor. În funcție de configurația dvs. de testare, luați în considerare hardware-ul de măsurare cu factori de formă distribuiți, care vă oferă o flexibilitate maximă în plasarea sistemului.

Alți factori care afectează excitarea optimă

■ Suprafața grilei mărcii tensometrice. Puteți reduce auto-încălzirea prin selectarea unei mărci tensometrice cu o suprafață mai mare (lungimea mărcii active x lățimea activă a grilei) pentru o mai bună disipare a căldurii.

■ Rezistența nominală a mărcii. Valori mai mari de rezistență, ca 350 Ω în loc de 120 Ω, scad puterea pe unitatea de suprafață disipată pentru a face posibilă o tensiune de excitație mai mare.

■ Proprietățile de disipare a suprafeței de montare. Metalele de conductivitate ridicată, cum ar fi cuprul sau aluminiu, sunt disipatoare de căldură excelente, care înlătură căldura de la mărcii tensometrice. Metalele cu conductivitate termică scăzută, cum ar fi oțelul inoxidabil sau titanul, sunt disipatoare slabe de căldură. Măsurarea tensiunii pe plastic necesită o atenție deosebită. Majoritatea materialelor plastice acționează mai degrabă ca termoizolante decât disipatoare de căldură, astfel că sunt necesare valori extrem de pentru excitație, pentru a evita efectele grave de auto-încălzire. Materialele plastice încărcate puternic cu agenți de umplere anorganici sub formă de pulbere sau fibroasă prezintă o problemă mai mică deoarece astfel de materiale de umplere contribuie la îmbunătățirea conductivității termice.

■ Tehnica de instalare și de cablare. Dacă marca este deteriorată în timpul instalării, dacă terminale sudate sunt parțial nelipite din cauza căldurii de sudare sau dacă se formează discontinuități în linia de lipire, nivelurile ridicate de excitație pot crea probleme grave. Tehnica adecvată este esențială pentru obținerea unei performanțe consistente în toate lucrările de testare, dar în special în condiții de supraexcitație.

Compensarea pentru surse de excitație instabile

Precizia unei măsurători bazate pe punți este direct proporțională cu stabilitatea sursei de excitație. Variațiile sursei de excitație determină variații ale tensiunii măsurate a punții. Ca rezultat, fluctuațiile mici ale surselor de excitație se traduc la o interpretare greșită în deformație. Două metode vă pot ajuta să ocoliți sursele de excitație instabile și inexacte. Puteți măsura tensiunea furnizată efectiv de sursă pentru a compensa fluctuațiile atunci când scalați datele în software sau puteți face referință la măsurătorile efectuate de către ADC față de sursa de excitație. Prima metodă necesită măsurători suplimentare, adăugând astfel costuri și complexitate sistemului.

Abordarea rațiometrică vă elimină dependența de precizia tensiunii de excitație prin detectarea continuă a tensiunii de excitație și scalarea măsurătorilor direct în hardware. Tensiunea de excitație este detectată continuu de circuitele de precizie de pe module și utilizată pentru a acționa intrarea de referință a ADC. Folosind această implementare, așa cum se arată în figura 8, modulele returnează datele ca un raport al tensiunii de ieșire a punții și al tensiunii de excitație. Această metodă corectează în mod continuu și automat erorile în acuratețea tensiunii de excitație.

Minimizarea erorilor din rezistența prin cablu

Firele de legătură lungi și firele scurte ale mărcii, care prezintă o rezistență mai mare decât firele de completare a punții, pot fi o sursă majoră de erori în măsurătorile cu mărci tensometricei. De exemplu, să presupunem că fiecare fir din cele două de conectare a mărcii tensometrice este de 15 m lungime cu o rezistență RL egală cu 1 Ω. Rezistența legăturii adaugă 2 Ω la brațul punții, ceea ce adaugă o eroare de offset și reduce sensibilitatea ieșirii punții. Puteți compensa această eroare măsurând rezistența legăturii RL și contabilizând-o în calculele deformației. Însă, o problemă mai dificilă apare din variațiile rezistenței legăturilor cu fluctuațiile de temperatură. Coeficientul de temperatură al firelor din cupru este în mod obișnuit cu două ordine de mărime mai mare decât coeficientul de temperatură al mărcilor. Prin urmare, o ușoară schimbare a temperaturii poate genera o eroare de măsurare de mai multe microdeformații (με).

Utilizarea unei conexiuni cu 3 fire poate elimina efectele rezistenței variabile a firelor de legătură deoarece rezistențele firelor afectează brațele adiacente ale punții. După cum se poate observa în figura 9, modificările rezistenței firelor de legătură, RL2 , nu modifică raportul brațelor punții R3 și RG. Prin urmare, orice variație a rezistenței datorată temperaturii se anulează reciproc, iar puntea rămâne echilibrată.

Teledetecție

Dacă circuitul mărcilor tensometrice este departe de condiționarea de semnal și de sursa de excitație, o altă sursă posibilă de eroare este căderea de tensiune cauzată de rezistența în firele lungi care leagă tensiunea de excitație la punte. Aceasta conduce la obținerea unei tensiuni de excitație mai scăzute decât cea destinată inițial pentru elementul de detectare. Unele condiționatoare de semnal includ o funcție numită teledetecție pentru a compensa această eroare. Cu ajutorul teledetecției cu reacție, conectați cablurile suplimentare de detectare la punctul în care firele tensiunii de excitație se conectează la circuitul punții, așa cum se vede în figura 10. Firele suplimentare de detectare reglează alimentarea excitației prin amplificatoare de feedback negativ pentru a compensa pierderile pe legături și a livra tensiunea necesară la punte.

O schemă alternativă de detectare la distanță utilizează un canal de măsurare separat pentru a măsura direct tensiunea de excitație reală furnizată pe punte. Deoarece legăturile canalului de măsurare conduc un curent foarte mic, rezistența legăturilor are un efect neglijabil asupra măsurătorilor. Apoi, puteți utiliza tensiunea de excitație măsurată în conversia tensiune-deformație pentru a compensa pierderile pe legături.

Îmbunătățirea raportului semnal-zgomot

Mărcile tensometrice și senzorii bazați pe punte sunt adesea în medii cu zgomot electric. Raportul semnal-zgomot (SNR) descrie raportul dintre amplitudinea semnalului și amplitudinea zgomotului. Un SNR mai mare are în mod obișnuit o măsurătoare mai puțin zgomotoasă, ceea ce permite o rezoluție globală mai bună. Zgomotele în citirea deformațiilor pot fi deosebit de dificile din cauza semnalelor mici în măsurătorile de deformație. Puteți îmbunătăți SNR fie prin creșterea amplitudinii globale a semnalului înainte ca zgomotul să fie introdus în el, fie prin reducerea amplitudinii zgomotului.

Zgomotul introdus de o sursă externă poate fi adesea asociat cu frecvențe specifice, astfel încât să puteți folosi software-ul pentru filtrarea acestuia dacă frecvența zgomotului este previzibilă și nu interferează cu lărgimea de bandă a semnalului de interes. Cel mai obișnuit tip de zgomot este interferența liniilor de alimentare, care apar în măsurători ca zgomot de 50 Hz sau 60 Hz.

Alte tehnici de rejecție a zgomotului extern pentru îmbunătățirea SNR includ:

■ Reduceți lungimea firelor de legătură și folosiți perechi răsucite sau fire de semnal egale. Dacă este posibil, reduceți lungimea firului de legare al mărcii tensometricee și mențineți-l departe de orice sursă potențială de zgomot. Utilizarea perechilor răsucite și a firelor egale de semnal vă ajută, de asemenea, să vă asigurați că cea mai mare parte a zgomotului de mediu este condus în mod egal pe cabluri.

■ Utilizați tehnici adecvate de ecranare. Conectați ecranul la referința dispozitivului de măsurare, care poate fi COM sau EX- (consultați documentația dispozitivului) și asigurați-vă că îl conectați numai la un capăt al cablului. Pentru dispozitivele izolate care au o masă flotantă, ecranul trebuie să floteze la același potențial ca semnalele plăcii pentru a fi eficient.

■ Creșteți amplitudinii semnalului. La măsurători de deformație, puteți realiza acest lucru fie prin alegerea unei mărci mai sensibile, fie prin creșterea amplitudinii tensiunii de excitație. Aveți grijă dacă creșteți amplitudinea tensiunii de excitație, deoarece dacă o creșteți prea mult, erorile de auto-încălzire din marca tensometrică pot depăși beneficiile SNR obținute cu excitația mai mare.

■ Caracteristicile dispozitivului de măsurare care pot ajuta la îmbunătățirea SNR includ:

■ Gama dinamică. Gama dinamică definește nivelul zgomotului raportat la gama de intrare întreagă a dispozitivului de măsurare și este adesea specificată în decibeli (dB). De exemplu, un dispozitiv de măsurare cu o gamă dinamică spurious-free (SFDR) de 106 dB este echivalent cu nivelurile de zgomot de aproximativ 0,0005 la sută din gama de intrare întreagă. Aceasta înseamnă că dispozitivul în sine contribuie foarte puțin la zgomot suplimentar.

■ Rata de rejecție de mod-comun (CMRR). Deoarece zgomotul provenit din surse externe este adesea condus în mod egal pe toate cablurile, o înaltă rată de rejecție de mod-comun rejectează un procent mare din zgomotul condus.

■ Detecția de la distanță . Atunci când utilizați detecția la distanță, anulați orice zgomot care este condus pe cablurile de excitație când eșantionați datele, deoarece detecția de la distanță compensează zgomotul.

■Filtre anti-alias. Filtrele anti-alias împiedică zgomotul de înaltă frecvență de a fi alias (fals) la frecvențe mai joase. Această caracteristică îmbunătățește nu numai performanța generală de zgomot a dispozitivului, ci vă permite de asemenea să utilizați efectiv filtrele software pentru a filtra anumite frecvențe (filtru notch-oprește bandă îngustă) sau intervale de frecvențe (filtru lowpass/highpass).

Calibrarea corectă

Echilibrarea punții

Când instalați o punte pentru prima dată, probabil că nu veți citi exact zero volți atunci când nu aplicați nici o solicitare. Variațiile ușoare ale rezistenței dintre brațele punții și rezistența legăturilor și o condiție de instalare predeformată generează un anumit offset de tensiune inițial nenul. Puteți rezolva această tensiune inițială de offset în următoarele moduri:

1. Compensare software. Cu această metodă, efectuați o măsurătoare inițială înainte de a aplica solicitarea și utilizați acest offset în ecuațiile de conversie a deformației pentru a compensa offsetul inițial de tensiune în măsurătorile ulterioare. Această metodă simplă și rapidă nu necesită ajustări manuale. Dezavantajul metodei de compensare software este că nu eliminați offsetul punții. Dacă offsetul este suficient de mare, limitează câștigul amplificatorului pe care îl puteți aplica tensiunii de ieșire, limitând astfel gama dinamică a măsurării.

2. Circuit de anulare offset. A doua metodă de echilibrare utilizează o rezistență reglabilă, un potențiometru, pentru a regla fizic ieșirea punții la zero. Prin modificarea rezistenței potențiometrului, puteți controla nivelul ieșirii punții și puteți seta ieșirea inițială la zero volți.

3. Anularea offsetului memorat. A treia metodă, ca și metoda de compensare software, nu afectează direct puntea. Un circuit de anulare adaugă o tensiune DC reglabilă, pozitivă sau negativă, la ieșirea amplificatorului de instrumentație pentru a compensa offsetul inițial al punții. Consultați documentația dispozitivului pentru a determina metodele de anulare hardware ale dispozitivului dvs. de măsurare.

Reglarea amplificării

Puteți verifica ieșirea unui sistem de măsurare cu mărci tensometrice prin comparația deformației măsurate cu o deformație sau intrare mecanică predeterminată sau calculată. Apoi puteți utiliza diferența (dacă există) între valoarea calculată și deformația măsurată pentru fiecare măsurătoare ca un factor de ajustare a amplificării sau factor de calibrare. Această procedură se numește calibrare cu șunt și simulează introducerea unei deformații prin schimbarea rezistenței brațului de detectare din punte cu o anumită valoare cunoscută. Realizați acest lucru prin șuntarea, sau conectarea, unei rezistențe mari de valoare cunoscută în paralel cu un braț al punții pentru a crea o schimbare cunoscută de rezistență, așa cum se vede în figura 12. Deoarece valoarea rezistorului de șunt este cunoscută, puteți calcula tensiune mecanică corespunzătoare căderii de tensiune pe rezistor. Apoi măsurați ieșirea punții și comparați-o cu valoarea tensiunii așteptate pentru a corecta erorile de câștig pe întreaga cale de măsurare.

Scalarea măsurărilor electrice la unitățile de inginerie

Odată ce ați obținut o tensiune măsurabilă, ar trebui să convertiți semnalul în unități reale, cum ar fi kilograme (lb) pentru forță sau psi pentru presiune. Puteți scala aceste valori electrice la fenomenele fizice pe care senzorul le măsoară prin următoarele metode:

■ Două puncte liniar - Utilizați două perechi de valori electrice și valorile lor fizice corespunzătoare pentru a calcula panta și valoarea y a unei ecuații liniare. Apoi, puteți utiliza această ecuație pentru a scala valorile electrice la valori fizice, inclusiv măsurători care nu se încadrează în intervalul valorilor specificate pentru calcularea pantei și a valorii y.

■ Tabel - Furnizați un set de valori electrice și valorile fizice corespunzătoare. Software-ul care însoțește hardware-ul de măsurare trebuie să fie capabil de a efectua scalare liniară între fiecare pereche de valori electrice și fizice. Limitele de intrare trebuie să se încadreze în cele mai mici și cele mai mari valori fizice.

■ Polinomial - Furnizați coeficienții direcți și inverși ai unei ecuații polinomiale.

Software-ul folosește apoi această ecuație pentru a scala valorile electrice la valorile fizice. Căutați un software care poate calcula un set de coeficienți dacă știți numai celălalt set.

Fișele de date sau certificatele de calibrare de la producătorii de senzori includ adesea un tabel de valori electrice și fizice sau o ecuație polinomială pentru scalare. Dacă nu aveți tabel sau o ecuație polinomială pentru senzorul dvs., utilizați scalarea liniară în două puncte. Utilizați ieșirea nominală a senzorului și capacitatea senzorului ca o pereche de valori electrice și fizice. Utilizați zero pentru cealaltă pereche de valori electrice și fizice. De exemplu, presupuneți că aveți un senzor de presiune condiționat care scoate un semnal de 0-5 V sau un curent de 4-20 mA. Ambele valori 0 V și 4 mA corespund unei măsurări de presiune 0. În mod similar, 5 V și 20 mA corespund capacității de scală maximă sau sau presiunii maxime pe care traductorul o poate măsura.

Utilizarea tehnologiei TEDS pentru o mai rapidă conectare și configurare

Cum s-a discutat în secțiunea anterioară, traductoarele bazate pe punte, cum ar fi senzorii celulă de sarcină, de presiune sau de cuplu, necesită mai multe intrări din fișa de date a senzorului pentru a transforma corect tensiunea de ieșire din senzor în unități inginerești. Când setați și configurați un sistem tradițional de măsurare, trebuie să introduceți manual acești parametri importanți ai senzorului. Puteți reduce timpul de setare prin echiparea sistemului cu senzori și actuatori inteligenți IEEE 1451.4 sau TEDS (Transducer Electronic Data Sheet). Acești senzori stochează date cheie cum ar fi producătorul, modelul, gama maximă a scalei și sensibilitatea într-un EEPROM din senzor sau cablul senzorului. Cu ajutorul informațiilor de setare a senzorilor, instrumentele compatibile cu TEDS pot comunica direct cu senzorul și pot efectua setarea prin program. Software-ul compatibil TEDS poate de asemenea scala automat de la funcțiile polinomiale furnizate de producătorul senzorului sau laboratorul de calibrare. Pentru mai multe informații despre standardul IEEE 1451.4 sau cum funcționează senzorii inteligenți TEDS, consultați secțiunea TEDS de la sfârșitul acestui document.

Concluzie

Reducerea zgomotului și creșterea rezoluției sunt importante pentru efectuarea măsurătorilor exacte de la mărci tensometrice și de la senzorii de punte necondiționați din cauza nivelurilor foarte mici de tensiune care sunt implicate. Selectarea dispozitivului de măsurare potrivit poate îmbunătăți considerabil integritatea măsurătorilor punții. În plus față de factorul de câștig și nivelul de excitație, ar trebui să luați în considerare un dispozitiv de măsurare cu o gamă dinamică mare, detectarea excitației și o arhitectură rațiometrică. Apoi, dacă luați măsuri pentru reducerea zgomotului introdus în sistem, puteți reduce nivelul de excitație pentru a reduce erorile de auto-încălzire și pentru a îmbunătăți precizia semnalului de la senzorul din punte. Ar trebui să calibrați marca tensometrică, periodic, pentru a ține cont de variațiile în caracteristicile fizice ale mărcilor tensometrice, variațiilor în rezistența firului de legătură și pentru a compensa imperfecțiunile din sistemul de măsurare.

Alegerea unui sistem de măsurare NI pentru presiune, presiune, sarcină sau cuplu