Что такое измерительный мост. Как работает мост Уитстона. Какие бывают виды измерительных мостов. Для чего используются мостовые схемы в электротехнике. Каковы преимущества и недостатки измерительных мостов.
Принцип работы измерительного моста
Измерительный мост — это электрическая схема, предназначенная для измерения электрических величин путем сравнения с эталонным значением. Основной принцип работы заключается в уравновешивании двух плеч моста.
Простейшим и наиболее распространенным измерительным мостом является мост Уитстона. Он состоит из четырех резисторов, соединенных в замкнутый контур. Напряжение питания подается на одну диагональ моста, а с другой диагонали снимается выходной сигнал.
Когда сопротивления всех четырех резисторов равны, мост находится в равновесии и выходное напряжение равно нулю. При изменении сопротивления одного из резисторов равновесие нарушается и на выходе появляется напряжение, пропорциональное этому изменению.
Виды измерительных мостов
Помимо классического моста Уитстона существует несколько разновидностей измерительных мостов:
- Мост постоянного тока — для измерения активных сопротивлений
- Мост переменного тока — для измерения комплексных сопротивлений
- Двойной мост — для измерения малых сопротивлений
- Автоматический мост — с автоматической балансировкой
- Трансформаторный мост — на основе трансформатора
Выбор конкретного типа моста зависит от измеряемой величины и требуемой точности измерений.
Применение измерительных мостов
Измерительные мосты нашли широкое применение в электротехнике и электронике для следующих целей:
- Точное измерение сопротивлений, емкостей, индуктивностей
- Измерение температуры с помощью термосопротивлений
- Измерение деформаций тензорезистивными датчиками
- Измерение pH-уровня в жидкостях
- Измерение влажности датчиками сопротивления
Благодаря высокой чувствительности мостовые схемы позволяют измерять даже очень малые изменения сопротивления с высокой точностью.
Преимущества и недостатки измерительных мостов
Основными преимуществами измерительных мостов являются:
- Высокая чувствительность и точность измерений
- Возможность измерения очень малых изменений сопротивления
- Простота конструкции
- Универсальность применения
К недостаткам можно отнести:
- Необходимость балансировки моста перед измерениями
- Зависимость от стабильности источника питания
- Влияние паразитных емкостей и индуктивностей на высоких частотах
Тем не менее, преимущества измерительных мостов обеспечивают их широкое применение в измерительной технике и различных датчиках.
Особенности применения моста Уитстона
Балансировка моста
Для проведения точных измерений мост Уитстона необходимо предварительно сбалансировать. Это делается путем подбора сопротивлений плеч моста таким образом, чтобы при отсутствии измеряемой величины выходное напряжение было равно нулю.
Чувствительность моста
Чувствительность моста Уитстона зависит от номиналов используемых резисторов. Максимальная чувствительность достигается, когда сопротивления всех плеч моста равны. При этом даже небольшое изменение сопротивления одного из плеч приводит к значительному выходному сигналу.
Температурная компенсация
Для устранения температурной погрешности в мостовых схемах часто применяют температурную компенсацию. Для этого используют терморезисторы или схемы температурной коррекции.
Линеаризация характеристики
При больших изменениях измеряемой величины характеристика моста Уитстона становится нелинейной. Для линеаризации применяют специальные схемы или программную коррекцию результатов измерений.
Измерительные мосты переменного тока
Мосты переменного тока позволяют измерять комплексные сопротивления — индуктивности и емкости. Их особенностями являются:
- Использование реактивных элементов в плечах моста
- Применение фазочувствительных детекторов
- Возможность измерения добротности и тангенса угла потерь
- Зависимость точности от частоты питающего напряжения
Мосты переменного тока широко применяются для измерения параметров катушек индуктивности, конденсаторов, кабелей связи и других цепей переменного тока.
Автоматические мостовые схемы
Для автоматизации измерений применяются автоматические мостовые схемы. Их особенностями являются:
- Автоматическая балансировка моста
- Цифровая индикация результата измерений
- Высокая скорость измерений
- Возможность сопряжения с компьютером
Автоматические мосты позволяют существенно повысить производительность измерений при сохранении высокой точности. Они широко применяются в измерительных приборах и системах автоматического контроля.
Заключение
Измерительные мосты являются эффективным инструментом для высокоточных измерений электрических величин. Благодаря своим преимуществам они нашли широкое применение в измерительной технике, системах автоматики и различных датчиках. Правильное применение мостовых схем позволяет решать сложные измерительные задачи в электротехнике и электронике.
Измерительные мосты постоянного и переменного тока. Принципы измерений: мост Уитстона
Выберите страну
Выберите регион
Выберите город
При обслуживании металлических кабельных линий наиболее часто пользуются измерительными мостами, хотя для поиска мест повреждения кабеля существуют и другие приборы. Во-первых, они обеспечивают высокую точность в широком диапазоне измеряемых величин. Во-вторых, их применение позволяет организовать измерения таким образом, чтобы компенсировать посторонние влияния, что незаменимо для локализации неисправности. В-третьих, они недороги.
Учитывая сказанное, полезно ознакомиться не только с устройством измерительных мостов, но и с принципами их применения для локализации неисправностей. Впрочем, говоря языком математики, для построения оптимальных схем измерения такие знания необходимы, но недостаточны.
Диагностика — это всегда и опыт, и искусство.
Принцип работы мостовой схемы измерения продемонстрировано на Рисунке 1 (RM1a), а способ ее применения на практике — на Рисунке 2 (RM2a). Сопротивление R1 вычисляется исходя из полученного при балансировке моста соотношения R4/R3, в качестве R2 используется резистор с известным значением. Конечно, сказанное дает только самое общее представление об измерительной схеме моста. На самом деле он устроен гораздо сложнее — современные мосты создаются на основе цифровых процессоров. Микропроцессорное ядро позволяет автоматизировать процедуру измерения (в первых моделях оператор должен был пользоваться калькулятором, сегодня же все расчеты выполняются аппаратурой), обеспечить многофункциональность устройства (многие мосты интегрированы с другими измерительными приборами — мультиметрами, рефлектометрами и т. п.), устранить помехи (посторонние постоянные и переменные напряжения почти всегда присутствуют на жилах кабелей), организовать дальнейшую обработку накопленных результатов измерений (хранение, обмен с компьютером, печать протоколов) и др.
Рассмотренный выше мост, используемый для измерения сопротивления, носит имя Уитстона (Wheatstone). Для подключения измеряемых цепей в нем применяются всего две клеммы (B и C). Более сложные схемы реализованы в двух других мостах — Муррея (Murray) и Купфмюллера (Kupfmuller) (RM2в). Здесь измеряемые цепи подключаются с помощью трех клемм (A, B и C). В более сложных схемах Хиборна/Графа (Hilborn/Graf) задействуются четыре клеммы (A, B, B’ и C) (RM3). Смысл увеличения числа точек подключения станет понятен при рассмотрении схем измерения с применением мостов.
Еще один момент. Все упомянутые мостовые схемы используются для измерений при постоянном токе (определяются величины активных сопротивлений, подключенных к клеммам). Кроме того, мостовые схемы Уитстона и Муррея используются для измерений при переменном токе (определяются величины емкостей, подключенных к клеммам). В таких мостах источником напряжения служит генератор синусоидального напряжения.
Теперь остановимся на схемах измерений.
С помощью моста Уитстона при постоянном токе измеряют сопротивление витой пары (шлейфа), сопротивление изоляции жил пары, сопротивление изоляции между жилами и экраном (RM3, RM4, RM5).
Значения упомянутых параметров используются для диагностики кабельных линий. Локализация же неисправностей требует определения места повреждения на кабельной линии. При помощи моста постоянного тока несложно вычислить расстояние до места повреждения. Зная сопротивление шлейфа Rшл и погонное сопротивление жил кабеля Rпог, можно воспользоваться формулой: Lпары = Rшл / 2Rпог, и рассчитать длину витой пары.
Погонное сопротивление медных жил определяется табличным способом по их сечению. Оно зависит не только от сечения жил, но и от их температуры. Чтобы избежать ошибки, нужно использовать значение погонного сопротивления для соответствующей температуры (особенно важно это для воздушных кабельных линий, где температура меняется в широких пределах). В простых мостах значения вводятся оператором вручную из таблиц.
Длина витой пары может быть установлена также мостовым методом при переменном токе. В таком случае измеряемым параметром является емкость витой пары. Разделив емкость витой пары на ее погонную емкость, получим длину витой пары.
Аналогично рассмотренным выше измерениям при постоянном токе, с помощью моста Уитстона при переменном токе определяются емкость витой пары (шлейфа) и емкость каждой из жил пары относительно экрана. Длина жил может быть вычислена по их погонной емкости. Погонная емкость (нФ/км) витой пары зависит от сечения жил, типа скрутки, вида и материала изоляции и определяется табличным способом по типу кабеля.
Резкое увеличение емкости витой пары по сравнению с ее паспортным значением, как правило, свидетельствует о наличии воды в сердечнике кабеля.
Для локализации повреждений этого типа применяются другие методы, прежде всего зондирование поврежденной пары с помощью рефлектометра.
Отметим, что, в отличие от сопротивления, погонная емкость слабо зависит от температуры, что существенно упрощает измерения.
Измерительные мосты | Журнал сетевых решений/LAN
При обслуживании металлических кабельных линий наиболее часто пользуются измерительными мостами. Во-первых, они обеспечивают высокую точность в широком диапазоне измеряемых величин. Во-вторых, их применение позволяет организовать измерения таким образом, чтобы компенсировать посторонние влияния, что незаменимо для локализации неисправности. В-третьих, они недороги.
Учитывая сказанное, полезно ознакомиться не только с устройством измерительных мостов, но и с принципами их применения для локализации неисправностей. Впрочем, говоря языком математики, для построения оптимальных схем измерения такие знания необходимы, но недостаточны. Диагностика — это всегда и опыт, и искусство.
Принцип работы мостовой схемы измерения продемонстрировано на Рисунке 1 (RM1a), а способ ее применения на практике — на Рисунке 2 (RM2a). Сопротивление R1 вычисляется исходя из полученного при балансировке моста соотношения R4/R3, в качестве R2 используется резистор с известным значением. Конечно, сказанное дает только самое общее представление об измерительной схеме моста. На самом деле он устроен гораздо сложнее — современные мосты создаются на основе цифровых процессоров. Микропроцессорное ядро позволяет автоматизировать процедуру измерения (в первых моделях оператор должен был пользоваться калькулятором, сегодня же все расчеты выполняются аппаратурой), обеспечить многофункциональность устройства (многие мосты интегрированы с другими измерительными приборами — мультиметрами, рефлектометрами и т. п.), устранить помехи (посторонние постоянные и переменные напряжения почти всегда присутствуют на жилах кабелей), организовать дальнейшую обработку накопленных результатов измерений (хранение, обмен с компьютером, печать протоколов) и др.
Рассмотренный выше мост, используемый для измерения сопротивления, носит имя Уитстона (Wheatstone). Для подключения измеряемых цепей в нем применяются всего две клеммы (B и C). Более сложные схемы реализованы в двух других мостах — Муррея (Murray) и Купфмюллера (Kupfmuller) (RM2в). Здесь измеряемые цепи подключаются с помощью трех клемм (A, B и C). В более сложных схемах Хиборна/Графа (Hilborn/Graf) задействуются четыре клеммы (A, B, B? и C) (RM3). Смысл увеличения числа точек подключения станет понятен при рассмотрении схем измерения с применением мостов.
Еще один момент. Все упомянутые мостовые схемы используются для измерений при постоянном токе (определяются величины активных сопротивлений, подключенных к клеммам). Кроме того, мостовые схемы Уитстона и Муррея используются для измерений при переменном токе (определяются величины емкостей, подключенных к клеммам). В таких мостах источником напряжения служит генератор синусоидального напряжения.
Теперь остановимся на схемах измерений.
С помощью моста Уитстона при постоянном токе измеряют сопротивление витой пары (шлейфа), сопротивление изоляции жил пары, сопротивление изоляции между жилами и экраном (RM3, RM4, RM5).
Значения упомянутых параметров используются для диагностики кабельных линий. Локализация же неисправностей требует определения места повреждения на кабельной линии. При помощи моста постоянного тока несложно вычислить расстояние до места повреждения. Зная сопротивление шлейфа Rшл и погонное сопротивление жил кабеля Rпог, можно воспользоваться формулой: Lпары = Rшл / 2Rпог, и рассчитать длину витой пары.
Погонное сопротивление медных жил определяется табличным способом по их сечению. Оно зависит не только от сечения жил, но и от их температуры. Чтобы избежать ошибки, нужно использовать значение погонного сопротивления для соответствующей температуры (особенно важно это для воздушных кабельных линий, где температура меняется в широких пределах). В простых мостах значения вводятся оператором вручную из таблиц.
В более сложных приборах при помощи автоматической или полуавтоматической калибровочной процедуры определяется поправочный коэффициент по измеренному значению температуры (для чего в комплекте прибора присутствует щуп-датчик).
Длина витой пары может быть установлена также мостовым методом при переменном токе. В таком случае измеряемым параметром является емкость витой пары. Разделив емкость витой пары на ее погонную емкость, получим длину витой пары.
Аналогично рассмотренным выше измерениям при постоянном токе, с помощью моста Уитстона при переменном токе определяются емкость витой пары (шлейфа) и емкость каждой из жил пары относительно экрана. Длина жил может быть вычислена по их погонной емкости. Погонная емкость (нФ/км) витой пары зависит от сечения жил, типа скрутки, вида и материала изоляции и определяется табличным способом по типу кабеля.
Резкое увеличение емкости витой пары по сравнению с ее паспортным значением, как правило, свидетельствует о наличии воды в сердечнике кабеля.
Для локализации повреждений этого типа применяются другие методы, прежде всего зондирование поврежденной пары с помощью рефлектометра.
Отметим, что, в отличие от сопротивления, погонная емкость слабо зависит от температуры, что существенно упрощает измерения.
Игорь Иванцов — менеджер отдела «Инструменты и приборы для монтажа и обслуживания телекоммуникационных систем» компании «СвязьКомплект». С ним можно связаться по тел. (095) 362-7787, по адресам: info@skomplekt.com, http://www.skomplekt.com.
Мост | электрический инструмент | Британика
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Этот день в истории
- Викторины
- Подкасты
- Словарь
- Биографии
- Резюме
- Популярные вопросы
- Инфографика
- Демистификация
- Списки
- #WTFact
- Товарищи
- Галереи изображений
- Прожектор
- Форум
- Один хороший факт
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
- Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica. - Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы. - #WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти. - На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
- Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д. - Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня. - 100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю. - Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать! - SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!
Содержание
- Введение
Краткие факты
- Факты и сопутствующий контент
Викторины
- Интересные факты об измерениях и математике
: часть первая
Скачать PDF
Abstract
Мостовые схемы — проверенный временем способ точного измерения сопротивления и других аналоговых величин.
В этой статье рассматриваются основы мостовых схем и показано, как их использовать для выполнения точных измерений в практических условиях. В нем подробно описаны основные аспекты применения мостовой схемы, такие как шум, напряжения смещения и дрейф напряжения смещения, синфазное напряжение и напряжение возбуждения. В нем описывается, как подключать мосты к аналого-цифровым преобразователям (АЦП) высокого разрешения, а также способы максимального использования возможностей АЦП.
Введение
Мост Уитстона был разработан на заре развития электроники как способ точного измерения номинала резисторов без использования точного опорного напряжения или измерителя высокого импеданса. Хотя резистивные мосты редко используются для этой первоначальной цели, они по-прежнему широко используются в датчиках. Эта статья покажет, почему мосты до сих пор так популярны, и обсудит некоторые ключевые аспекты измерения выходной мощности моста.
ПРИМЕЧАНИЕ. Эта статья состоит из двух частей.
В первой части рассматривается базовый мост и основное внимание уделяется мостам с низким выходным сигналом, например, из тензометрических датчиков с приклеенной проволокой или фольгой. Часть вторая, примечания по применению 3545, «Основы резистивного моста: часть вторая», посвящена мостам с высокой выходной мощностью, например тем, в которых используются кремниевые резисторы.
Базовые конфигурации моста
На рис. 1 показан классический мост Уитстона, в котором выход моста Vo представляет собой дифференциальное напряжение между Vo+ и Vo-. При использовании в датчике значение одного или нескольких резисторов будет меняться в зависимости от интенсивности измеряемого свойства. Эти изменения сопротивления вызывают изменение выходного напряжения. Уравнение 1 показывает выходное напряжение Vo как функцию напряжения возбуждения и всех резисторов моста.
Рис. 1. Схема основного моста из Уитстона.
Vo = Ve(R2/(R1 + R2) — R3/(R3 + R4))
Уравнение 1 не является элегантным, но его можно упростить для большинства широко используемых мостов.
Мостовые выходы наиболее чувствительны к изменениям сопротивления, когда Vo+ и Vo- равны 1/2 от Ve. Этого условия легко достичь, используя одинаковое номинальное значение R для всех четырех резисторов. Изменения сопротивления, вызванные измеряемым свойством, учитываются с помощью дельта R или dR. Резисторы с термином dR называются «активными» резисторами. В следующих четырех случаях все резисторы имеют одинаковое номинальное значение R. Один, два или четыре резистора будут активными или будут иметь термин dR. При выводе этих уравнений dR считается положительным. Если сопротивление действительно уменьшается, то используется -dR. В особых случаях, описанных ниже, величина dR одинакова для всех активных резисторов.
Четыре активных элемента
В первом случае активны все четыре мостовых резистора. Сопротивление R2 и R4 увеличивается с интенсивностью измеряемого свойства, а сопротивление R1 и R3 уменьшается. Этот случай типичен для тензодатчика, использующего четыре тензодатчика.
Физическая ориентация тензорезисторов определяет, будет ли их значение увеличиваться или уменьшаться при приложении нагрузки. Уравнение 2 показывает, что эта конфигурация обеспечивает простую линейную зависимость между выходным напряжением (Vo) и изменением сопротивления (dR). Эта конфигурация также обеспечивает наибольший выходной сигнал. Стоит отметить, что выход — это не просто линейная функция dR, это линейная функция dR/R. Это тонкое, но важное отличие, поскольку изменение сопротивления большинства чувствительных элементов пропорционально их объемному сопротивлению.
Vo = Ve(dR/R) Мост с четырьмя активными элементами.
Один активный элемент
Второй случай — один активный элемент (уравнение 3). Это часто используется, когда соображения стоимости или проводки более важны, чем амплитуда сигнала.
Vo = Ve(dR/(4R + 2dR)) Мост с одним активным элементом.
Как и следовало ожидать, мост с одним активным элементом имеет в 4 раза больший выходной сигнал, чем мост с четырьмя активными элементами.
Другой важной характеристикой этой конфигурации является нелинейный выходной сигнал, вызванный добавлением члена dR в знаменатель. Эта нелинейность мала и предсказуема. При необходимости это можно исправить программно.
Два активных элемента с противоположным откликом
Третий случай, показанный в уравнении 4, имеет два активных элемента с сопротивлениями, изменяющимися в противоположных направлениях (dR и -dR). Оба резистора размещаются на одной стороне моста (R1 и R2 или R3 и R4). Как и ожидалось, чувствительность вдвое выше, чем у моста с одним активным элементом, и вдвое меньше, чем у моста с четырьмя активными элементами. Выход для этой конфигурации является линейной функцией dR и dR/R. Члены dR в знаменателе отсутствуют.
Vo = Ve(dR/(2R)) Два активных элемента с противоположным откликом.
И во втором, и в третьем случаях активна только половина моста. Другая половина просто обеспечивает опорное напряжение, равное 1/2 Ve. Следовательно, нет необходимости, чтобы все четыре резистора имели одинаковое номинальное значение.
Важно только, чтобы оба резистора на левой половине моста совпадали, и оба резистора на правой половине моста совпадали.
Два идентичных активных элемента
В четвертом случае также используются два активных элемента, но эти элементы имеют одинаковую реакцию — они оба увеличивают значение или уменьшают значение. Чтобы быть эффективными, эти резисторы должны располагаться по диагонали моста (R1 и R3 или R2 и R4). Очевидным преимуществом такой конфигурации является то, что в обоих местах можно использовать чувствительный элемент одного и того же типа. Недостатком является нелинейный выходной сигнал, возникающий из-за члена dR в знаменателе уравнения 5.
Vo = Ve(dR/(2R + dR) Два идентичных активных элемента в мостовой схеме, управляемой напряжением.
Эта нелинейность предсказуема, и ее можно устранить с помощью программного обеспечения или устранить, управляя мостом с источником тока, а не с источником напряжения. В уравнении 6 Ie представляет собой ток возбуждения.
Следует отметить, что Vo в уравнении 6 является функцией только dR, а не отношения dR/R, как это было в предыдущих случаях.
Vo = Ie(dR/2) Два идентичных активных элемента в управляемом током мосту
Понимание четырех описанных выше особых случаев полезно при работе с отдельными чувствительными элементами. Однако во многих случаях датчик имеет внутреннюю перемычку с неизвестной конфигурацией. В этих случаях знание точной конфигурации не очень важно. Производитель предоставит необходимую информацию, такую как погрешность линейности чувствительности, синфазное напряжение и т. д. Но зачем вообще использовать мост? На этот вопрос легко ответить, рассмотрев следующий пример.
Пример тензодатчика
Одним из распространенных примеров резистивного моста является тензодатчик с четырьмя активными элементами. Четыре тензорезистора расположены в виде моста и прикреплены к жесткой конструкции, которая слегка деформируется при приложении нагрузки. По мере приложения нагрузки значение двух тензодатчиков увеличивается, а значение двух других тензодатчиков уменьшается.
Эти изменения сопротивления очень малы. Полномасштабный выход типичного тензодатчика составляет 2 мВ на вольт возбуждения. Из уравнения 2 видно, что это эквивалентно полномасштабному изменению сопротивления всего на 0,2%. Если выход тензодатчика должен быть измерен с точностью до 12 бит, то изменения сопротивления должны быть точно измерены на 1/2 ppm. Для прямого измерения изменений на 1/2 ppm потребуется 21-разрядный АЦП. Помимо АЦП с очень высоким разрешением, эталонный АЦП должен быть сверхстабильным. Оно не могло измениться более чем на 1/2 части на миллион в зависимости от температуры. Эти две причины обеспечивают достаточную мотивацию для использования моста, но есть еще более весомая причина.
Резисторы в тензодатчике реагируют не только на приложенную нагрузку. Термическое расширение конструкции, к которой они прикреплены, и TCR самого материала датчика вызовут изменения сопротивления. Эти нежелательные изменения сопротивления могут быть такими же большими или даже больше, чем изменение, вызванное предполагаемой нагрузкой..jpg)
Если же эти нежелательные изменения происходят одинаково во всех резисторах моста, то их влияние незначительно или отсутствует. Например, нежелательное изменение на 200 частей на миллион эквивалентно 10% полной шкалы в этом примере. Но в уравнении 2 изменение R на 200 частей на миллион создает разницу менее чем в 1 младший бит при 12-битном измерении. Во многих случаях желаемое изменение сопротивления, dR, прямо пропорционально объемному сопротивлению, R. В этих случаях изменение R на 200 частей на миллион не должно иметь никакого эффекта, поскольку отношение dR/R остается прежним. Значение R может удвоиться, а выходное напряжение не пострадает, поскольку dR также удвоится.
Приведенный выше пример показывает, как использование моста может облегчить задачу измерения очень малых изменений сопротивления. В следующем разделе рассматриваются основные проблемы схемы при измерении моста.
Пять ключевых проблем в мостовых схемах
Есть много соображений при измерении мостов с низкой выходной мощностью.
Пять наиболее важных проблем:
- Напряжение возбуждения
- Синфазное напряжение
- Напряжение смещения
- Смещение дрейфа
- Шум
Напряжение возбуждения
Уравнение 1 показывает, что выход любого моста прямо пропорционален напряжению его питания. Следовательно, схема должна либо поддерживать постоянное напряжение питания с той же точностью, что и желаемое измерение, либо компенсировать изменения напряжения питания. Самый простой способ компенсировать изменения напряжения питания — получить опорное напряжение АЦП из возбуждения моста. На рис. 2 опорное напряжение АЦП поступает от делителя напряжения, включенного параллельно мосту. Это приводит к отклонению изменений напряжения питания, поскольку разрешение АЦП по напряжению будет меняться вместе с чувствительностью моста.
Рис. 2. Опорное напряжение для АЦП пропорционально Ve. Это устраняет ошибки усиления из-за изменений в Ve.
Альтернативный подход использует дополнительный входной канал на АЦП для измерения напряжения возбуждения моста. Затем программное обеспечение может компенсировать изменения напряжения моста. Уравнение 7 показывает скорректированное выходное напряжение (Voc) как функцию измеренного выходного напряжения (Vom), измеренного напряжения возбуждения (Vem) и напряжения возбуждения во время калибровки (Veo).
Вок = ВомВео/Вем
Синфазное напряжение
Одним из недостатков моста является то, что на выходе получается дифференциальный сигнал с синфазным напряжением, равным половине напряжения питания. Часто этот дифференциальный сигнал необходимо сдвинуть по уровню и преобразовать в сигнал относительно земли перед подачей на АЦП. Если это необходимо, обратите пристальное внимание на отклонение синфазного сигнала системы и на то, как на синфазное напряжение влияют изменения Ve. Возвращаясь к приведенному выше примеру с тензодатчиком, рассмотрим влияние изменения Ve, если инструментальный усилитель используется для преобразования дифференциального сигнала от моста в несимметричный сигнал.
Если Ve позволить измениться на 2 %, синфазное напряжение на выходе моста изменится на 1 % от Ve. Если влияние этого сдвига синфазного сигнала ограничено 1/4 спецификации точности, то усилитель должен иметь подавление синфазного сигнала 98,3 дБ или выше. (20log[0,01Ве/(0,002Ве/(40964))] = 98,27). Этот уровень производительности, безусловно, достижим, но он выходит за рамки многих недорогих или дискретных инструментальных усилителей.
Напряжение смещения
Смещения моста и измерительной электроники сдвигают желаемый сигнал вверх или вниз. Компенсировать эти сдвиги во время калибровки несложно, пока сигнал остается в пределах активного диапазона электроники. Если сигнал дифференциального моста преобразуется в сигнал относительно земли, смещение моста и усилителей может легко создать сигнал, который теоретически находится под землей. Когда это происходит, создается мертвая зона. Выходной сигнал АЦП остается равным нулю до тех пор, пока выходной сигнал моста не станет достаточно положительным, чтобы преодолеть все отрицательные смещения в системе.
Чтобы предотвратить это, в схему необходимо предусмотреть положительное смещение. Это смещение гарантирует, что выходной сигнал будет в активном диапазоне, даже если мост и электроника имеют отрицательное смещение. Меньшая проблема со смещением — уменьшение динамического диапазона. В этом случае могут потребоваться компоненты более высокого качества или электронная регулировка смещения. Регулировку смещения можно выполнить с помощью механических потенциометров, цифровых потенциометров или даже путем подключения резисторов к битам GPIO на АЦП.
Смещение дрейфа электроники
Дрейф смещения и шум, безусловно, являются самыми большими проблемами, связанными с мостовыми схемами. В приведенном выше примере с тензодатчиком выходной сигнал полной шкалы моста составляет 2 мВ/В, а требуемая точность — 12 бит. Если тензодатчик питается от источника питания 5 В, то выходное напряжение полной шкалы будет равно 10 мВ, а точность измерения должна быть не ниже 2,5 мкВ. Проще говоря, смещение смещения всего на 2,5 мкВ создаст ошибку в 1 младший бит на 12-битном уровне.
Это сложное требование для высококачественных обычных операционных усилителей. Например, OP07 имеет максимальное смещение TC 1,3 мкВ/Кл и максимальный долгосрочный дрейф 1,5 мкВ в месяц. Чтобы поддерживать очень низкий дрейф смещения, необходимый для мостов, необходима некоторая активная регулировка смещения. Это может быть сделано с помощью аппаратного обеспечения, программного обеспечения или их комбинации.
Аппаратная регулировка смещения : Усилители, стабилизированные прерывателем или автоматически обнуляющие, представляют собой чисто аппаратное решение. В усилитель встроена специальная схема, которая постоянно производит выборку входного сигнала и подстраивается таким образом, чтобы поддерживать минимальную разницу в напряжении между входными контактами. Поскольку эти регулировки непрерывны, дрейф во времени и температуре становится функцией схемы коррекции, а не фактическим смещением усилителя. Типичные дрейфы смещения MAX4238 и MAX4239 составляют 10 нВ/°C и 50 нВ/1000 часов.
Корректировка смещения с помощью программного обеспечения : Калибровка нуля или измерение тары являются примерами корректировки смещения с помощью программного обеспечения. Выход моста измеряется, когда мост находится в одном состоянии, например, без нагрузки на ячейку. Затем к ячейке прикладывается нагрузка и снимаются другие показания. Разница в двух показаниях связана только с примененным стимулом. Взятие разницы в показаниях снимает не только смещение электроники, но и смещение моста. Это чрезвычайно эффективная техника, но ее можно использовать только тогда, когда желаемый результат основан на изменении выходного сигнала моста. Если требуется абсолютное показание выходного сигнала моста, этот метод использовать нельзя.
Аппаратная/программная регулировка смещения: добавление в схему двухполюсного аналогового переключателя позволяет выполнять программную калибровку практически в любом приложении. На рис. 3 переключатель используется для отключения одной стороны моста от усилителя и замыкания входов усилителя.
Если оставить другую сторону моста подключенной к входу усилителя, поддерживается синфазное входное напряжение, что устраняет любые ошибки, которые могут быть вызваны изменениями синфазного напряжения. Замыкание входа усилителя позволяет выполнить измерение системного смещения. Это показание затем вычитается из последующих нормальных показаний, чтобы удалить смещение всей электроники. К сожалению, этот метод не может устранить смещение мостовидного протеза.
Рис. 3. Добавление переключателя позволяет выполнять программную калибровку.
Этот тип автоматической калибровки нуля встроен во многие современные АЦП и чрезвычайно эффективен при устранении смещения АЦП. Однако это не устраняет смещения моста или смещения какой-либо электроники между мостом и АЦП.
Немного более сложная форма коррекции смещения использует двухполюсный двухпозиционный переключатель между мостом и электроникой (см. рис. 4). Переключение переключателя из положения A в положение B меняет полярность соединения между мостом и усилителем.
Если показание АЦП, снятое, когда переключатель находится в положении B, вычесть из показания АЦП, снятого, когда переключатель находится в положении A, результатом будет 2VoGain. Срок зачета отсутствует. Этот метод не только устраняет смещение электроники, но и улучшает отношение сигнал/шум в два раза.
Рис. 4. Иллюстрация добавления двухполюсного переключателя на два направления для расширенной калибровки программного обеспечения.
Возбуждение моста переменного тока : Хотя в настоящее время оно редко используется, в течение многих лет возбуждение переменного тока резистивных мостов было распространенным и эффективным способом устранения ошибок смещения постоянного тока в электронике. Если мост управляется напряжением переменного тока, на выходе моста также будет сигнал переменного тока. Этот сигнал может быть емкостно связан, усилен, смещен по уровню и т. д., и амплитуда переменного тока конечного сигнала не будет зависеть от каких-либо смещений постоянного тока в электронике.
Амплитуда сигнала переменного тока затем измеряется с использованием стандартных методов измерения переменного тока. Когда используется возбуждение переменным током, это должно быть достигнуто за счет минимизации изменений синфазного напряжения моста. Это значительно снижает требования схемы к подавлению синфазных помех.
Шум
Как упоминалось выше, шум является одной из самых больших проблем при работе с маломощными мостами. Кроме того, низкочастотный характер многих мостовых приложений означает, что также необходимо учитывать «мерцание» или шум 1/F. Подробное обсуждение шума выходит далеко за рамки этой статьи, и на эту тему уже написано много статей. Здесь достаточно сказать, что в любом хорошем проекте следует учитывать четыре источника шумоподавления.
- Предотвращение помех в системе (правильное заземление, экранирование и электропроводка)
- Уменьшение шума, создаваемого в системе (архитектура, выбор компонентов и уровни смещения)
- Уменьшение электронного шума (аналоговые фильтры, подавление синфазных помех)
- Программная компенсация или DSP (алгоритмы, использующие множественные измерения для улучшения полезного сигнала и подавления нежелательных сигналов)
Разработанные в последние годы сигма-дельта преобразователи высокого разрешения значительно упростили задачу оцифровки мостовых сигналов.
В следующем разделе будет показано, как эти преобразователи решают пять проблем, связанных с шумом, которые обсуждались выше.
Сигма-дельта преобразователи высокого разрешения (АЦП)
Современные 24- и 16-разрядные сигма-дельта АЦП с малошумящими PGA почти идеально подходят для измерения резистивных мостов в низкоскоростных приложениях. Они решают пять основных проблем (см. обсуждение выше, рис. 2 и далее), связанных с попыткой оцифровать аналоговый выход моста.
Изменения напряжения возбуждения, Ve
Буферизованные входы опорного напряжения упрощают задачу построения логометрической системы. Резистор-делитель и шумоподавляющий конденсатор — единственные компоненты, необходимые для создания опорного напряжения, которое отслеживает Ve. (См. рис. 2.) В логометрической системе выходной сигнал нечувствителен к небольшим изменениям Ve, и отпадает необходимость в высокоточном эталонном напряжении.
Если логометрическая система не подходит, эти многоканальные АЦП являются альтернативным решением.
Один канал АЦП можно использовать для измерения выходного сигнала моста, а второй входной канал — для измерения напряжения возбуждения моста. Уравнение 7, приведенное выше, затем можно использовать для корректировки изменений Ve.
Синфазное напряжение
Если мост и АЦП питаются от одного источника, то на выходе моста будет дифференциальный сигнал 1/2 В DD . Эти входные условия идеальны для большинства сигма-дельта преобразователей с высоким разрешением. Кроме того, их превосходное подавление синфазного сигнала (более 100 дБ) устраняет опасения по поводу небольших изменений синфазного напряжения.
Напряжение смещения
При разрешении по напряжению в диапазоне субмкВ выход моста может быть подключен непосредственно к входу АЦП. При условии отсутствия эффектов термопары единственным источником ошибки смещения является сам АЦП. Чтобы уменьшить ошибку смещения, большинство этих преобразователей имеют внутренние переключатели, которые позволяют им подавать на вход нулевое напряжение и проводить измерения.
Затем это измерение можно вычесть из последующих измерений моста, чтобы удалить любое смещение в АЦП. Многие АЦП выполняют эту калибровку нуля автоматически; в других случаях пользователь должен намеренно корректировать смещение АЦП. Этот метод коррекции смещения уменьшает ошибки смещения до уровня шума АЦП, который может быть менее 1 мкВ ПП .
Смещение оправки
Использование калибровки нуля на АЦП постоянно или достаточно часто, чтобы температура не могла существенно измениться между циклами калибровки, эффективно устраняет любые изменения смещения из-за изменения температуры или долговременного дрейфа. Следует отметить, что изменения показаний смещения могут равняться размаху шума АЦП. Если целью является обнаружение небольших изменений выходного сигнала моста в течение относительно короткого периода времени, возможно, будет лучше отключить функцию автоматической калибровки, поскольку это устранит один источник шума.
Шум
Шум устраняется тремя способами, наиболее очевидным из которых является внутренний цифровой фильтр.
Этот фильтр практически устраняет влияние высокочастотного шума, а также может обеспечивать подавление низкочастотного шума, улавливаемого линиями электропередач. В нормальном режиме подавление частот линии электропередач обычно лучше 100 дБ. Вторая форма шумоподавления связана с высоким подавлением синфазного сигнала, опять же, как правило, более 100 дБ. Подавление синфазного сигнала уменьшает нежелательный шум, улавливаемый проводами моста, и уменьшает влияние шума на напряжение возбуждения моста. Наконец, непрерывная калибровка нуля уменьшает мерцание или шум 1/F на частотах ниже частоты обновления калибровки.
Недорогие трюки
Подключение выхода моста напрямую ко входу сигма-дельта АЦП с высоким разрешением не является решением всех проблем. В некоторых приложениях требуется преобразование сигнала для согласования выхода моста со входом используемого АЦП. Это преобразование сигнала относится к одной из трех основных категорий: усиление, сдвиг уровня и преобразование дифференциального сигнала в несимметричный.
Хороший инструментальный усилитель справится со всеми этими задачами, но может быть дорогим, и ему может не хватать дрейфа смещения. Следующие схемы могут обеспечить адекватное преобразование сигнала по более низкой цене, чем инструментальный усилитель.
Одиночный операционный усилитель
Если требуется только усиление, то может работать простая схема, показанная на рис. 5. На первый взгляд это плохой выбор, потому что он не сбалансирован и создает нагрузку на мост. Однако загрузка моста (хотя и нежелательная) не обязательно является проблемой. Многие мосты имеют низкий импеданс; 350 Ом довольно распространены. Импеданс каждого выхода будет вдвое меньше, или 150 Ом. Эти 150 Ом сопротивления немного снижают усиление, добавляя к сопротивлению R1. Компенсацию этого дополнительного сопротивления легко выполнить, выбрав значение R1 на 150 Ом меньше. Конечно, будет некоторая погрешность в значении 150 Ом, а температурный коэффициент сопротивления (TCR) моста может не точно соответствовать TCR R1 и R2.
Тем не менее, если R1 намного больше 150 Ом, эти эффекты будут весьма незначительными. Переключатель для калибровки нуля также показан на рис. 5.
Рис. 5. Пример сопряжения с мостом с низким импедансом.
Дифференциал против приборов
Во многих случаях вместо инструментального усилителя можно использовать дифференциальный усилитель. Это не только снижает стоимость, но также уменьшает количество источников шума и источников дрейфа смещения. Как и в случае усилителя выше, необходимо учитывать значение и TRC резисторов моста.
Двойной источник питания
Схема на рис. 6 заслуживает упоминания из-за ее простоты. Выходной сигнал моста усиливается, сдвигается по уровню и преобразуется в сигнал относительно земли с использованием всего двух операционных усилителей и двух резисторов. Кроме того, эта схема удваивает напряжение на мосту, что удваивает выходной сигнал. Однако у этого подхода есть недостаток — он требует отрицательного источника питания и дает слегка нелинейный выходной сигнал при использовании полностью активного моста.
