Компания КВТ представляет практические рекомендации по выбору тензометрического усилителя от компании Gantner Instruments.
Тензорезистор - один из важнейших инструментов электроизмерительной техники, применяемой для измерения механических величин. Как следует из названия, они используются для измерения деформации. Тензорезисторы широко применяются при проведении разного рода испытаний и мониторинга конструкций. Получаете ли вы максимальную пользу от вашего усилителя? Компания Gantner Instruments делится практическими советами, которые помогут вам сделать оптимальный выбор тензометрического усилителя для вашей системы сбора данных.
Почему так важен правильный выбор усилителя для тензометрических измерений?
Наиболее распространенный способ измерения деформации - использование одного тензорезистора в трехпроводной четвертьмостовой схеме. Эта четвертьмостовая конфигурация создает определенные проблемы для корректного преобразования сигнала. Нельзя недооценивать важность тщательного выбора тензометрического усилителя - ошибочный выбор может стоить больших финансовых и временных затрат в будущем.
Структурный мониторинг состояния виадука Мийо компанией Gantner Instruments
1. Максимальная отдача от тензометрического усилителя
Четвертьмостовая схема - это измерение на несимметричном входе, где измеряется напряжение входного сигнала относительно нулевого потенциала («заземления»). Затем полученная разница преобразуется и поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Несимметричные входы могут подвергаться воздействию шумов, поскольку провод, по которому проходит сигнал, улавливает любой электрический фоновый шум. Сигнал на несимметричном входе также может иметь контуры заземления. Основные рекомендации включают использование кабеля витой пары с экранированием фольгой для подключения к тензорезистору.
Трехпроводная четвертьмостовая схема
Подключите экранированный кабель на одном конце к заземлению шасси преобразователя сигнала. Рассмотрите возможность увеличения амплитуды напряжения питания. Компромиссное решение может быть направлено на увеличение амплитуды напряжения питания, о чем мы расскажем позже в этой статье. Наконец, выбирайте усилитель с 24-битным сигма-дельта аналого-цифровым преобразователем - более высокое разрешение приводит к меньшему шуму квантования и, следовательно, к более высокому отношению сигнал / шум (SNR). Кроме того, сигма-дельта АЦП использует передискретизацию, фильтрацию и модуляцию шума для достижения максимального разрешения. Возможно высокоточное преобразование даже малосигнальных уровней напряжения.
2. Диапазон измерения имеет значение
Измерительные усилители обеспечивают одновременно точность и стабильность процесса преобразования сигнала. Тензорезисторы нуждаются в измерительных усилителях для усиления сигналов измерения низкого уровня от моста Уитстона перед подачей их на АЦП. Необходимо отрегулировать коэффициент усиления преобразователя так, чтобы обеспечить полномасштабный выходной сигнал тензорезистора во всем диапазоне АЦП. На точность влияют диапазон измерения и коэффициент усиления преобразователя. Более современные измерительные усилители обеспечивают регулируемые диапазоны измерения с коэффициентом усиления ± 0,05%. Диапазон измерения ± 2000 мкм / м приведет к погрешности полной шкалы всего в 1 мкм / м. А расширенный диапазон измерения ± 20 000 мкм / м для обнаружения трещин будет иметь погрешность полной шкалы всего 10 мкм / м. Таким образом, коэффициент усиления в сочетании с регулируемым диапазоном измерений - одна из тех характеристик, на которые следует обращать внимание при выборе тензометрического усилителя.
3. Измеряйте деформацию, а не температуру
Деформация, полученная при измерении при комнатной температуре, считается точной, если выполняется при неизменных условиях окружающей среды. Но при изменении температуры материал образца расширяется, что приводит к нежелательному искажению значений деформации. Изменение температуры также влияет на металлическую решетку и тепловой коэффициент тензорезистора - процесс, называемый тепловой мощностью или кажущейся деформацией, вызванной температурой. Выбор тензорезистора с автоматической температурной компенсацией (STC), который предназначен для регулировки теплового коэффициента тензорезистора в соответствии с коэффициентом расширения материала образца, в значительной степени, но не полностью, компенсирует тепловую мощность. Остаточная кажущаяся деформация в виде смещения значений деформации сохраняется. Если температура тензорезистора и характеристики кажущейся деформации известны, это смещение можно рассчитать, и величина деформации соответственно компенсируется. Двумя распространенными методами исправления или компенсации ошибок, связанных с тепловой мощностью, являются (а) использование ненагруженного тензорезистора для компенсации или (б) применение вычислительной коррекции, основанной на измеренной температуре тензорезистора.
4. Выбор оптимального напряжения питания моста
Температурный дрейф из-за самонагрева тензорезистора вызывает очевидное изменение деформации, которое на самом деле не связано с деформацией образца. Чем выше напряжение питания, подаваемое на тензорезистор, тем больше мощность, тем больше тепла выделяется током, протекающим по проводам. Для образцов с плохой теплопроводностью, таких как композитные материалы, или если используются очень маленькие тензорезисторы, снижение напряжения питания или использование тензодатчика с более высоким сопротивлением является вопросом первостепенной важности. При выборе подходящего уровня напряжения питания моста существуют два противоположных соображения: 1) более высокое напряжение питания моста улучшает отношение сигнал / шум тензорезистора, 2) более низкое напряжение питания моста снижает термически индуцированные ошибки в измерениях тензорезистора. Напряжение питания должно быть согласовано с тензорезистором и материалом, к которому он прикреплен. Большинство производителей тензорезисторов предоставляют кривые данных с общими рекомендациями или отправными точками для определения оптимальных уровней напряжения питания. При измерении деформации в низкотемпературной или криогенной среде минимизация чрезмерной энергии во избежание рассеивания тепла тензорезистором становится еще более значимой. Простое снижение напряжения питания до абсолютного минимума не является хорошим решением из-за более низкого отношения сигнал / шум. В этом случае тензоусилитель, обеспечивающий импульсное напряжение питания, поможет минимизировать погрешность вследствие самонагрева тензорезистора.
5. Обратите внимание на стабильность работы дополняющего резистора
Будь то усталостные испытания или мониторинг состояния конструкций, тензометрические измерения могут продолжаться от нескольких недель до нескольких месяцев. Зачастую это измерения в непрерывном режиме днем и ночью. Изменения температуры окружающей среды являются одной из наиболее частых причин ошибок в измерениях при использовании четвертьмостовой схемы. Поскольку активный тензорезистор и пассивный дополняющий резистор переключаются последовательно, дрейф резистора напрямую влияет на точность измерения. Изменение сопротивления в зависимости от температуры всего на 0,1% может привести к удлинению до 500 мкм / м. Температурный коэффициент сопротивления, или TCR, является одним из основных параметров, используемых для характеристики стабильности мостового дополняющего резистора. TCR определяет изменение сопротивления как функцию температуры окружающей среды. Типичный способ выражения параметра TCR - ppm / K, что означает доли на миллион при изменении температуры на 1 кельвин. Зачастую для экономии затрат используются резисторы с высоким значением параметра TCR, что приводит к нежелательным ошибкам или заставляет вас программировать сложные кривые температурной коррекции. Вы хотите, чтобы измерение деформации не превратилось в измерение температуры!
6. Избегайте ошибок измерения при длинных кабельных линиях
Иногда длинные кабельные линии неизбежны. Сопротивление подводящих проводов, соединяющих тензорезистор с мостом Уитстона, ослабляет выходной сигнал моста или «снижает чувствительность» тензорезистора. Поскольку затухание зависит от длины проводов моста, оно будет иметь более значительный эффект при увеличении длины кабеля. При использовании традиционных тензометрических усилителей перед началом измерения необходимо выполнить ручную калибровку шунта. В процессе калибровки шунта определяется сопротивление подводящего провода и последующий поправочный коэффициент. Хотя этот метод применяется широко, он не компенсирует изменения сопротивления подводящих проводов во время фактического измерения, например, из-за колебаний температуры окружающей среды. Проверенный метод непрерывной коррекции сопротивления выводного провода - это логометрическое измерение внутреннего дополняющего резистора моста, который автоматически корректирует ошибки измерения, вызванные сопротивлением выводного провода, даже во время самого измерения. Нет необходимости в ручной калибровке шунта, что также исключает ошибки на уровне оператора.
7. Избавьтесь от шумов с помощью технологии несущей частоты
Есть ли поблизости от вашей системы шумовые помехи, может быть, даже электрический двигатель или двигатель переменного тока? Это важные источники электрического шума при измерении сигналов низкого напряжения с тензорезисторов или тензодатчиков. На качество тензометрических измерений негативно влияют шумы и дрейф смещения, который увеличивается по мере увеличения продолжительности измерений. Усилители на несущей частоте предоставляют ряд преимуществ в этих задачах. Преимущество, которое они дают по сравнению с усилителями постоянного напряжения, заключается в устранении всех частот и последующих гармоник за пределами полосы несущей частоты. Это устраняет термоэлектрические шумы напряжения, частоты линий электропередач и резонансные частоты двигателей поблизости. Это все первичные шумовые сигналы, которые инженеры по измерениям отфильтровывают из своих наборов данных во время начальной постобработки перед анализом.
8. Выбирайте оптические сенсоры в экстремальных условиях эксплуатации
Оптический сенсор или оптоволоконный датчик деформации на основе волоконной брэгговской решетки (FBG) предлагает альтернативный метод сбора высококачественных результатов измерений деформации в суровых условиях, непригодных для резистивных тензорезисторов. Он обнаруживает изменения в пропускании света, когда прикрепленный к нему объект испытывает нагрузку. Ключевой особенностью оптических сенсоров является то, что им не требуется электричество или напряжение питания для работы, что делает их пригодными для использования в средах, которые подвержены высоким уровням электромагнитных помех. Оптические сенсоры по своей природе гальванически изолированы, что идеально подходит для измерения деформации в задачах с высоким напряжением. Оптические сенсоры обеспечивают долгосрочную стабильность сигнала и надежность системы. Даже при высоких вибрационных нагрузках они в гораздо меньшей степени подвержены механическим повреждениям. Поскольку оптические сенсоры имеют лишь минимальное ослабление сигнала, целостность данных остается высокой, даже если система сбора данных расположена в нескольких километрах от места проведения измерений, что делает оптические сенсоры популярным решением для мониторинга объектов инфраструктуры. Для измерения сигнала, поступающего от оптического датчика деформации, вам понадобится оптическое опросное устройство, которое измеряет длину волны света, отраженного оптическим сенсором, и затем преобразует его в деформацию.
Ознакомиться с продукцией Gantner Instruments можно в разделе каталога: Q.series X - универсальная модульная система сбора данных
КонтроллВахенд а Техника (КВТ) 2019
