Тензодатчики

Тензодатчик – устройство, применяемое для детектирования небольших смещений внутри материалов из-за деформаций или вибраций. Тензодатчики состоят из тонких проводников, прикрепленных к материалу, подверженному деформации. Изменения сопротивления датчика свидетельствует о деформации материала. Для детектирования различных физических величин используются преобразователи, состоящие, например, из набора тензодатчиков, прикрепленных к диафрагме (фольге). Примером может служить датчики напряжений – тензодатчики, сконфигурированные для измерения веса.

Тензодатчики обычно используются в конфигурации, называемой мостом Уитстона, который представляет собой четыре резистора, соединенных в виде ромба. Если к мосту приложить напряжение, то дифференциальное напряжение в промежуточных узлах мостах (Vm) будет меняться при изменениях сопротивлений резисторов моста, а тензодатчик представляет собой, в сущности, переменный резистор.

Тензодатчики включаются в различные конфигурации моста – полномостовую, полумостовую и четвертьмостовую схемы. В полномостовой схеме все четыре резистора моста Уитстона представляют собой тензодатчики. В полумостовой схеме тензодатчики используются в двух плечах моста, а в других двух плечах находятся резисторы, установленные пользователем либо встроенные в устройство согласования сигналов. На рисунке А-7 показана полумостовая схема включения тензодатчиков. R1 должен быть равен R2, а Rg – величина сопротивления тензодатчика без нагрузки. На этом рисунке приведен случай возбуждения постоянным напряжением, хотя для некоторых тензодатчиков требуется возбуждение током.

Рисунок А-7. Полумостовая схема включения тензодатчиков

Б. Схемотехника цепей аналогового ввода/вывода

В данном параграфе обсуждаются компоненты схемы аналогового ввода УСД. Это необходимо для лучшего понимания работы системы сбора данных по преобразованию напряжений реальных сигналов в цифровую форму, которую может анализировать и визуализировать компьютер.

Инструментальный усилитель

Для обеспечения максимальной точности аналого-цифрового преобразования используется инструментальный усилитель, который усиливает входное напряжение, чтобы оно наилучшим образом попадало в рабочий диапазон АЦП. Коэффициент усиления (КУ) определяется рабочим диапазоном АЦП, который подстраивается согласно диапазону изменения входного сигнала. Это выполняется либо аппаратно при помощи перемычек, либо программно с помощью LabVIEW. После усиления сигнала выходное напряжение усилителя флуктуирует в течение некоторого промежутка времени, которое называется временем установления (settling time) прежде чем стабилизируется в некотором допустимом диапазоне около действительного напряжения. Время установления влияет на частоту, с которой вы можете точно производить выборки данных, и оно зависит от приложенного усиления. Рисунок А-8 иллюстрирует переходную характеристику обычного инструментального усилителя. Обратите внимание, что проходит некоторое время – время установления ts, прежде чем усиленный сигнал стабилизируется в переделах допустимого диапазона напряжений (% V). Выходной сигнал усилителя должен установиться прежде, чем АЦП начнет преобразование. Если частота выборки (частота, с которой мультиплексор переключает каналы) превысит время установления сигнала инструментального усилителя, то принимаемые данные могут оказаться неточными.

Рисунок А-8. Время установления

Например, рассмотрим УСД, принимающее два сигнала, как показано на рисунке А-9. Один из них в канале CH0 имеет напряжение +5 В, а другой в CH1 – 5 В. Это, пожалуй, наихудшая ситуация, ведь при переключении каналов инструментальный усилитель «видит» ступеньку амплитудой 10 вольт. Предположим, что время установления усилителя равно 10 мкс, а выборка происходит с частотой 200 кГц. Тогда усилитель не получит достаточного времени на установление, а мультиплексор уже переключит каналы. Следовательно, напряжение, поданное на АЦП, будет неправильным.

Рисунок А-9. Влияние мультиплексирования сигналов на инструментальный усилитель

На рисунке А-10 показана оцифровка сигналов рисунка А-9 со скоростью большей и меньшей времени установления. Обратите внимание, что в случае, если время установления сигнала инструментального усилителя (ИУ) еще не закончилось, АЦП оцифровывает неправильный уровень напряжения.

Рисунок А-10. Следствие оцифровки со скоростью, превышающей время установления сигнала инструментального усилителя

В этом примере приведена наихудшая ситуация – ИУ должен усилить напряжение в крайних точках рабочего диапазона. Когда последовательные входные сигналы отличаются лишь на несколько процентов друг от друга, время установления ИУ гораздо меньше. Например, рассмотрим следующие технические характеристики платы AT-MIO-16X. Инструментальный усилитель этой платы имеет время установления в диапазон, обеспечиваемый 16-битной точностью, равное 40 мкс. Следовательно, вы можете точно оцифровать сигналы, изменяющиеся в диапазоне 10 вольт, с частотой 25 кГц (наихудший сценарий). Однако если сигналы в опрашиваемых каналах отличаются не более чем на 10%, то время установления гораздо меньше, и вы можете оцифровывать сигнал с максимальной частотой этой платы – 100 кГц.

Для уменьшения влияния времени установления используйте следующие советы:

• Упорядочите оцифровываемые сигналы, чтобы перепады напряжения при переключении каналов были как можно меньше.

• Уменьшите сопротивления и емкости подводящих проводов DAQ платы.

• Приобретите плату, имеющую ИУ со сверхмалым временем установления. Многие DAQ платы компании National Instruments имеют специально разработанный инструментальный усилитель – NI-PGIA, обладающий одинаковым временем установления для всех КУ. На рисунке А-11 приводится сравнение зависимостей времен установления NI-PGIA и стандартного ИУ.

Рисунок А-11. Сравнение времен установления NI-PGIA и стандартного ИУ.

Характеристики УСД часто приводятся в терминах младшего двоичного разряда (least significant bit – LSB). Один МДР равен приращению напряжения, которое соответствует дискретному изменению МДР (т.е. то же, что и шаг дискретизации).

МДР	=	Рабочий диапазон АЦП
		(усиление×2разрешение АЦП в битах)

Например, AT-MIO-16X может прийти в установившееся состояние в диапазоне 0.5 МДР (или 76.3 мкВ), используя усиление, равное 1, и рабочий диапазон 10 В.

АЦП

Главным компонентом схемы аналогового ввода является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП оцифровывает входной аналоговый сигнал, то есть преобразует аналоговое напряжение в цифровую величину и хранит эту величину в FIFO буфере до тех пор, пока она не будет передана в память компьютера. Во время высокоскоростного сбора данных FIFO буфер предотвращает потерю данных из-за задержек прерывания, которые могут возникнуть при передаче данных в память компьютера. УСД используют различные методы аналого-цифрового преобразования. Наиболее частот используемые методы это: последовательного приближения, параллельный, последовательно-параллельный, двойного интегрирования и дельта-сигма модуляции.