Измерительные мосты: принципы работы и применение в электротехнике

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. 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:

1. Напряжение возбуждения
2. Синфазное напряжение
3. Напряжение смещения
4. Смещение дрейфа
5. 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.

1. Предотвращение помех в системе (правильное заземление, экранирование и электропроводка)
2. Уменьшение шума, создаваемого в системе (архитектура, выбор компонентов и уровни смещения)
3. Уменьшение электронного шума (аналоговые фильтры, подавление синфазных помех)
4. 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.