Завдання

Дослідити характеристики тензорезистивних перетворювачів деформації.

Порядок виконання

Запустити програму, визначити залежність вихідного сигналу вимірювального кола перетворювача від прикладеної сили, побудувати графічну залежність.

Конторольні питання

4.1 Суть явища тензоефекту.

4.2 Пружні, непружні деформації.

4.3 Похибки дротяних, фольгових, напівпровідникових тензорезисторів.

4.4 Характеристики тензочутливих елементів.

4.5 Схеми включення тензочутливих елементів.

4.6 Застосування тензорезистивних перетворювачів.

4.7 Конструкція напівпровідникових тензорезисторів.

Лабораторна робота № 5

ДОСЛІДЖЕННЯ МОСТОВИХ ВИМІРЮВАЛЬНИХ СХЕМ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ.

Мета:Ознайомитись з роботою вимірювальних мостів.

Технічне забезпечення:ПЕОМ, програма EWB 4.0.

Короткі теоретичні відомості

Важливим класом пристроїв, призначених для виміру параметрів електричних ланцюгів (опору, ємності, індуктивності й ін.) методом порівняння, є мости. Порівняння вимірюваної величини зі зразковою мірою, що виробляється в процесі виміру за допомогою моста, може здійснюватися вручну або автоматично, на постійному чи на перемінному струмі. У найпростішому випадку мостова схема містить чотири резистори, з'єднаних у кільцевий замкнутий контур. Таку схему має одинарний міст постійного струму (мал. 5.1). Резистори R1, R2, R3 i R4 цього контура називаються плечами моста, а точки з'єднання сусідніх пліч - вершинами моста. Ланцюги, що з'єднують протилежні вершини, називають діагоналями. Одна з діагоналей (3-4) містить джерело живлення GB, а інша (1—2) — покажчик рівноваги PG. У випадку моста змінного струму його плечі можуть містити в собі не тільки резистори, але також конденсатори і котушки індуктивності, тобто опори можуть мати комплексний характер.

Міст називається урівноваженим, якщо різниця потенціалів між точками 1 і 2 дорівнює нулю, тобто напруга на діагоналі, що містить індикатор нуля, відсутня і струм через індикатор дорівнює нулю.

Співвідношення між опорами пліч, при якому міст урівноважений, називається умовою рівноваги моста. Цю умову можна одержати, використовуючи закони Кірхгофа для розрахунку мостової схеми. Наприклад, для одинарного моста постійного струму залежність протікаючого через індикатор нуля(гальванометр) РG струму I_G від опорів пліч, опору гальванометра R_G і напруги живлення U має вид

(5.1)

Струм І_G = 0 при

R1R4 = R2R3 (5.2)

Це і є умова рівноваги одинарного моста постійного струму, яку можна сформулювати в такий спосіб: для того щоб міст був урівноважений, добутки опорів протилежних пліч повинні бути рівні. Якщо опір одного з пліч невідомий (наприклад, R1 = Rx), то умова (5.2) буде мати вид

.

Таким чином, вимірювання за допомогою одинарного моста можна розглядати як порівняння невідомого опору Rx зі зразковим опором R2 при збереженні незмінним відношенням R3/R4. З цієї причини плече R2 називають плечем порівняння, плечі RЗ і R4 — плечами відношення.

Одинарні мости можуть також працювати на змінному струмі. У цьому

випадку опори пліч є комплексними. Узагальнена схема моста перемінного струму представлена на рис. 5.2. Індикатором нуля звичайно служить електронний мілівольтметр. Можливо також використання електронного індикатора нуля на базі електронно-променевої трубки. Електронні індикатори мають дуже великий вхідний опір, що вигідно відрізняє їх від електромеханічних пристроїв, таких, як вібраційний гальванометр або телефонні навушники, що теж іноді використовуються як індикатори нуля.

Аналогічно співвідношенню (5.2) умова рівноваги одинарного моста перемінного струму має вид

, (5.3)

де Z₁,Z₂,Z₃ i Z₄ — комплексні опори пліч.

Як відомо, будь-яке комплексне число Z можна представити в показовійформі: Z = ze^jj. Використовуючи це представлення, одержимо замість умови (2.77) рівність

, (5.4)

яка справедлива тільки в тому випадку, якщо виконуються співвідношення, що випливають з неї

(5.5)

і

(5.6)

Умова (5.5), що вимагає рівності добутків модулів комплексних опорів протилежних пліч, доповнюється умовою (5.6), що накладає вимогу рівності сум їхніх аргументів. Тільки одночасне виконання співвідношень (5.5) і (5.6) забезпечує рівність нулю напруги на діагоналі 1—2, у яку включений індикатор нуля РV (мал. 5.2).

Умови рівноваги можна записати інакше, якщо скористатися не показовою, а алгебраїчною формою представлення комплексних чисел Z = R +jX, де R и Х — дійсна і уявна частини відповідно. У нашому випадку символом Z позначений комплексний опір, а R і Х являють собою активну і реактивну складові. В алгебраїчній формі умова (5.3) перепишеться у виді

(5.7)

Ця рівність виконується, якщо справедливі рівності для активних і реактивних частин:

(5.8)

і

(5.9)

Знову потрібно одночасне виконання співвідношень (5.8) і (5.9).

Дві пари рівностей (5.5), (5.6) і (5.8), (5.9) цілком рівноправні, і вибір того чи іншого визначається розуміннями зручності при розрахунках конкретних мостових схем. Щоб забезпечити виконання двох умов одночасно, необхідно мати не менш двох регульованих елементів. Ними найчастіше є резистори і конденсатори, оскільки вони допускають більш точне регулювання, чим котушки індуктивності. На практиці важливо, щоб міст можна було швидкo, з найменшим числом елементарних операцій по регулюванню, зрівноважити. Число таких операцій, необхідних для досягнення рівноваги, характеризує "збіжність" моста. Правильний вибір регульованих елементів і їхнього положення в плечах моста забезпечує найкращу збіжність, а отже, і найменший час вимірів.

Чутливість мостів. Відповідно до загального визначення чутливості електровимірювальних приладів чутливість моста визначається як відношення зміни сигналу на його виході (струму, напруги, потужності) до вимірюваної величини, що викликала зміну, (опору, ємності й ін.), тобто

, (5.10)

де S — чутливість; У — вихідна величина; Х— вхідна величина.

Якщо використовувати кінцеві збільшення, то чутливість

, (5.11)

причому приріст вхідної величини DУ повинне бути узяте поблизу

рівноваги.

Так як міст складається з мостової схеми і показника, то зручно розглядати чутливість моста у виді добутку чутливості мостової схеми й індикатора нуля: S =Sсх*Sин

У випадку моста постійного струму, коли індикатором служить магнітоелектричний гальванометр, вихідною величиною є відхилення стрілки або світлового покажчика, а вхідний — вимірюваний опірRx = R1. Тоді вираз (2.82) приймає вид

. (5.12)

Чутливість моста можна представити у виді добутку двох величин

, (2.87)

де DI_G — струм, що протікає через рамку гальванометра; S_G — чутливість гальванометра, а S_cxI , — чутливість мостової схеми до струму.

Аналогічно можна визначити чутливість мостової схеми до

напруги S_cxU = DU_G / DR₁ і до потужності S_cxP = DP_G /DR₁ . DU_G i DP_G що входять в ці визначення є приростами напруги і потужності в ланцюзі гальванометра.

Якщо використовується індикатор з дуже високим опором, наприклад електронний індикатор, струмом через який можна знехтувати, то чутливість схеми до напруги S_cxU є найбільш придатною характеристикою. Необхідна чутливість досягається раціональним вибором мостової схеми, індикатора нуля і напруги живлення моста.

Автоматичні мости. Автоматизація виробничих процесів зажадала створення і широкого використання автоматичних пристроїв для виміру температури й інших неелектричних величин. Дуже часта зміна цих величин перетвориться в зміну електричного опору, що і виміряється.

Рис.5.3 – Схема автоматичного моста.

На рис. 5.3 приведена схема автоматичного моста для виміру активного опору Rx. Схема власне кажучи являє собою звичайний одинарний міст, зрівноважування якого досягається переміщенням повзунка реохорда. Переміщення здійснюється за допомогою реверсивного двигуна РД, ротор якого обертається доти, поки не буде досягнута рівновага моста. Одночасно з переміщенням повзунка відбувається рух покажчика і пера реєструючого пристрою, якщо такий є. Живлення моста звичайно здійснюється перемінним струмом, оскільки в цьому випадку схема виявляється простішою, ніж при використанні постійного струму. Приведена похибка автоматичних мостів дорівнює 0,25—0,5%, швидкодія — близько 1 с.

Схеми і конструкції автоматичних мостів перемінного струму для виміру ємності й індуктивності значно складніші і забезпечують меншу точність.