Разновидности тензомостов

Почему именно мост, а не делитель?

Казалось бы для того чтобы измерить деформацию с помощью тензорезистора достаточно использовать делитель напряжения, состоящий из тензорезистора и постоянного резистора (см. рисунок 1). R1 — постоянный резистор R2 — тензорезистор, R1=R2.

Рисунок 1. Делитель с тензорезистором

Все вроде бы просто: вследствие деформации сопротивление, к примеру, увеличивается, и напряжение в средней точке тоже увеличивается. Но если реально собрать такую схему, возникнет несколько проблем, которые затруднят измерения, а то и вовсе эксперимент не удастся.

Основным недостатком данной схемы является то, что напряжение смещения (покоя) на несколько порядков отличается от изменений напряжений вследствие изменения сопротивления тензорезистора. Другими словами при использовании данной схемы возникают неоправданно жесткие требования к динамическому диапазону измерительного усилителя. Например при питании делителя от постоянного напряжения величиной 5,0 В, необходимо на уровне 2,5 В измерять напряжения порядка единиц милливольт с точностью порядка десятков мкВ а это как никак минимум 20 log2,5/10^-6 ≈ 100 дБ! Это значит, что нужен достаточно дорогой усилитель с широким входным динамическим диапазоном.

Но существует простое решение: если данную схему дополнить еще одним делителем и измерять сигнал между двумя средними точками, то это будет достаточно элегантным решением проблемы. Рассмотрим такую схему на рисунке 2. Резисторы R1 и R2 имеют аналогичное назначение, как и в предыдущей схеме. А резисторы R3 и R4 — постоянные резисторы. R1=R2=R3=R4.

Рисунок 2. Тензомост

Получилось, что на обоих входах дифференциального усилителя при «разгруженном» тензорезисторе в идеальном случае должно быть одинаковое напряжение. В реальности на мосту присутствует небольшое напряжение, вызванное несогласованностью сопротивлений, называемое разбалансировкой моста. Это напряжение можно исключить, поставив вместо одного из постоянных резисторов потенциометр или вычитая его из полученного результата.

Теперь мы можем проводить измерения усилителем со сравнительно узким динамическим диапазоном, то есть снизить требования к измерительному усилителю.

Если данную схему классифицировать по количеству проводов требуемых для подключения, то такая схема будет называться четырехпроводной схемой измерения.

Но и данная схема не совершенна. Напряжение источника питания, под воздействием различных факторов может изменяться, что вносит погрешности в измерения. Также, от измерительного моста до усилителя провода, как правило, имеют значительную длину, и соответственно определенное сопротивление, на котором падает часть напряжения источника питания. Для более точных измерений необходимо учитывать эти факторы. Для компенсации этих факторов достаточно измерять фактическое напряжение на тензомосту. Для этого в схему добавляют еще один дифференциальный усилитель, измеряющий напряжение питания моста, непосредственно на тензомосту (cм. рисунок 3). Данный усилитель имеет более широкий абсолютный диапазон измерений, чем измерительный. Если посчитать количество проводов идущих от измерительной схемы до тензомоста то будет понятно, почему данную схему называют шестипроводной схемой измерения.

Но и это еще не предел совершенства. Для еще большей точности измерений применяют следующий способ. Во всех предыдущих схемах применялось питание тензомоста постоянным напряжением. Но, как известно, в низкочастотной части спектра присутствуют в значительной мере тепловые и другие виды шумов. Если питать тензомост переменным током, сдвигая рабочий частотный диапазон в частотной области в сторону высоких частот, то можно увеличить соотношение сигнал/шум и, следовательно, повысить точность измерений. Для этого нужно выбрать участок спектра с низким уровнем шума.

Рисунок 3

Данные схемы имеет как преимущества, так и недостатки. В таблице ниже они представлены в наглядном виде. Исключим схему делителя напряжения из рассмотрения вследствие ее недееспособности.

Тип схемы	Тип питания	Точность	Частотный диапазон	Стоимость
Четырехпроводная	DC	—	+	++
	AC	—	—	+
Шестипроводная	DC	+	+	—
	AC	++	—	—

См. также

• Тензометрические измерения
• Теория тензоизмерений, схемы подключения тензорезисторов к ZETSENSOR
• Схемы подключения тензорезисторов к тензостанции ZET 017-T8
• Тензовесы своими руками
• Формирование тензометрических мостовых схем для измерения различных параметров
• Применение тензорезисторов для измерения физических величин
• ZET 7010 Tensometer-485 интеллектуальный тензодатчик с интерфейсом RS-485 (статические измерения)
• ZET 7110 Tensometer-CAN интеллектуальный тензодатчик с интерфейсом CAN (статические измерения)
• ZET 7111 Tensometer-CAN интеллектуальный тензодатчик с интерфейсом CAN для проведения динамических измерений