Kako pojačati izlaz merača naprezanja?

Mernici naprezanja su neophodni senzori koji se koriste u širokom spektru industrija, od vazduhoplovstva i automobila do niskogradnje i ispitivanja materijala. Ovi uređaji mjere mehaničko naprezanje otkrivanjem promjena u električnom otporu, dajući vrijedne podatke za sisteme za nadzor i kontrolu. Međutim, izlazni signal mjernog mjerača je često vrlo mali i zahtijeva pojačanje da bi bio koristan u praktičnim primjenama. U ovom postu na blogu ću podijeliti neke efikasne metode za pojačavanje izlaza mjerača naprezanja, oslanjajući se na svoje iskustvo kao dobavljača mjerača naprezanja.

Razumijevanje osnova izlaznih merača naprezanja

Prije nego što se upustimo u tehnike pojačanja, ključno je razumjeti prirodu izlaza mjerača naprezanja. Deformacijski mjerač obično ima otpor koji se mijenja proporcionalno primijenjenom naprezanju. Promjena otpora je obično vrlo mala, često reda nekoliko oma ili manje. Ova mala promjena otpora rezultira odgovarajućom malom promjenom napona na mjeraču naprezanja kada je dio strujnog kola.

Izlazni napon mjernog mjerača može se izračunati pomoću sljedeće formule:
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
gdje:

• (\Delta V) je promjena izlaznog napona
• (V_{exc}) je pobudni napon primijenjen na most mjerača naprezanja
• (G) je mjerni faktor mjernog mjerača
• (\epsilon) je primijenjena soja

Kao što možete vidjeti iz formule, izlazni napon je direktno proporcionalan naponu pobude, faktoru mjerenja i primijenjenom naprezanju. Međutim, čak i sa relativno visokim naponom pobude i velikim faktorom mjerenja, izlazni napon i dalje može biti prilično mali, posebno za male deformacije.

Most konfiguracije za pojačanje

Jedan od najčešćih načina za povećanje izlazne snage mjerača naprezanja je korištenje konfiguracije mosta. Wheatstoneov most je najrasprostranjenije kolo mosta za primjenu mjerača naprezanja. Sastoji se od četiri otporna elementa, pri čemu je mjerač naprezanja jedan ili više ovih elemenata.

Quarter Bridge konfiguracija

U konfiguraciji četvrtine mosta, samo jedan od četiri otpornika u Wheatstoneovom mostu je mjerač naprezanja. Ostala tri otpornika su fiksni otpornici. Ova konfiguracija je jednostavna i isplativa, ali pruža najniži učinak u usporedbi s drugim konfiguracijama mostova.

Half Bridge konfiguracija

Konfiguracija polumosta koristi dva mjerača naprezanja. Ovo se može urediti na različite načine, ovisno o primjeni. Na primjer, jedan mjerač deformacije može se koristiti za mjerenje deformacije, dok se drugi može koristiti kao mjerač temperaturne kompenzacije. Konfiguracija polumosta pruža veći učinak od konfiguracije četvrtine mosta.

Puni mostni mjerač naprezanja

Potpuna konfiguracija mosta koristi četiri mjerača naprezanja. Ova konfiguracija pruža najveći učinak i najosetljivija je na naprezanje. Takođe nudi najbolju temperaturnu kompenzaciju. U konfiguraciji punog mosta, sva četiri otpornika u Wheatstoneovom mostu su mjerači naprezanja. Ovo omogućava maksimalno korištenje promjena otpora uzrokovanih deformacijom i rezultira znatno većim izlaznim naponom u usporedbi s konfiguracijom četvrtine i polumosta.

Pojačala za kondicioniranje signala

Nakon što je mjerač naprezanja konfiguriran u mosnom krugu, sljedeći korak je pojačanje izlaznog signala. Pojačala za kondicioniranje signala su posebno dizajnirana da pojačaju male izlazne signale sa mjerača naprezanja i drugih senzora. Ova pojačala obično imaju visoku ulaznu impedanciju kako bi se minimizirao učinak opterećenja na most mjernog mjerača i nizak šum kako bi se osiguralo precizno pojačanje signala.

Instrumentation Amplifiers

Instrumentacijska pojačala su popularan izbor za pojačavanje signala mjerača naprezanja. Oni su dizajnirani da obezbede visoko pojačanje, visok odnos odbijanja zajedničkog moda (CMRR) i nizak napon pomaka. Visoki CMRR je posebno važan u primjenama mjerača naprezanja jer pomaže u odbijanju bilo kakvog zajedničkog šuma koji može biti prisutan u ulaznom signalu.

Operational Amplifiers

Operacijska pojačala (op-pojačala) se također mogu koristiti za pojačavanje signala mjerača naprezanja. Dok su op-pojačala pojačala opće namjene, mogu se konfigurirati na različite načine kako bi se postiglo željeno pojačanje. Međutim, u poređenju sa instrumentacijskim pojačalima, op-pojačala mogu imati niži CMRR i veći offset napon, što može uticati na tačnost pojačanog signala.

Optimizacija napona pobude

Napon pobude koji se primjenjuje na most mjerača također igra ključnu ulogu u određivanju izlaznog napona. Povećanje napona pobude može direktno povećati izlazni napon merača naprezanja, prema formuli koja je ranije pomenuta. Međutim, postoje neka ograničenja za povećanje napona pobude.

Power Dissipation

Jedno od glavnih ograničenja je disipacija snage. Kako se povećava napon pobude, raste i snaga koja se raspršuje pomoću mjerača naprezanja. To može dovesti do pregrijavanja mjernog mjerača, što može utjecati na njegovu točnost i pouzdanost. Stoga je važno odabrati napon pobude koji je unutar nazivne snage mjernog mjerača.

Buka i smetnje

Još jedno razmatranje su buka i smetnje. Veći napon pobude također može povećati osjetljivost mjernog mjerača na električni šum i smetnje. To može rezultirati smanjenim omjerom signal-šum (SNR), što može utjecati na tačnost mjerenja. Stoga je važno uravnotežiti potrebu za visokim naponom pobude sa potrebom da se šum i smetnje minimiziraju.

Temperaturna kompenzacija

Promjene temperature mogu imati značajan utjecaj na izlaz mjernog mjerača. Kako se temperatura mijenja, otpor mjerača naprezanja može se promijeniti, čak i u odsustvu primijenjenog naprezanja. To može dovesti do grešaka u mjerenju. Stoga je temperaturna kompenzacija važan aspekt pojačanja mjernih mjerača.

Aktivna temperaturna kompenzacija

Aktivna temperaturna kompenzacija uključuje korištenje dodatnih senzora ili krugova za mjerenje temperature i prilagođavanje izlaza mjerača naprezanja u skladu s tim. Na primjer, termistor se može koristiti za mjerenje temperature, a izlaz merača naprezanja može se podesiti na osnovu očitavanja temperature.

Pasivna temperaturna kompenzacija

Pasivna temperaturna kompenzacija može se postići korištenjem konfiguracija mostova. Na primjer, u konfiguraciji polumosta ili punog mosta, jedan ili više mjerača naprezanja mogu se koristiti kao mjerači temperaturne kompenzacije. Ovi mjerači su postavljeni tako da na njih utječu iste promjene temperature kao i na mjerni deformitet, ali ne i primijenjeno naprezanje. Ovo pomaže da se ponište promjene otpora izazvane temperaturom u mjernom mjeraču deformacije.

Filtriranje signala

Osim pojačanja, filtriranje signala je također važno za poboljšanje kvaliteta izlaza mjerača naprezanja. Šum i smetnje mogu se unijeti u signal iz različitih izvora, kao što su elektromagnetne smetnje (EMI), šum napajanja i mehaničke vibracije.

Niskopropusni filteri

Niskopropusni filteri se obično koriste za uklanjanje visokofrekventnog šuma iz signala mjerača naprezanja. Ovi filteri dozvoljavaju niskofrekventnim signalima (uključujući signal izazvan naprezanjem) da prođu, dok prigušuju visokofrekventni šum.

Visokopropusni filteri

Visokopropusni filteri se mogu koristiti za uklanjanje niskofrekventnog šuma, kao što su DC offseti i spori drift. Ovi filteri omogućavaju prolaz visokofrekventnim signalima dok prigušuju niskofrekventne signale.

Zaključak

Pojačavanje izlazne snage merača je kritičan korak u mnogim aplikacijama. Korištenjem odgovarajućih konfiguracija mostova, pojačavača za kondicioniranje signala, optimiziranjem pobudnog napona, implementacijom temperaturne kompenzacije i primjenom filtriranja signala, moguće je značajno povećati izlaz mjernog mjerača i poboljšati tačnost mjerenja.

Kao dobavljač mjerača naprezanja, razumijem važnost obezbjeđivanja visokokvalitetnih mjerača naprezanja i neophodne podrške za pojačanje i kondicioniranje signala. Ako tražite mjerače naprezanja ili trebate savjet kako da pojačate njihov učinak, preporučujem vam da me kontaktirate radi detaljne rasprave. Možemo raditi zajedno kako bismo pronašli najbolje rješenje za vašu specifičnu primjenu.

Reference

• Doebelin, EO (2003). Mjerni sistemi: primjena i dizajn. McGraw-Hill.
• Kistler Group. (2021). Tehnologija mjerača naprezanja. Preuzeto sa [URL web stranice]
• Omega Engineering. (2021). Priručnik za mjerenje naprezanja. Preuzeto sa [URL web stranice]