| | Аналого-цифровые преобразователи сопротивления тензорезистивных датчиковДля обеспечения контроля и исследования состояния несущих конструкций строительных конструкций и механических объектов самого различного назначения широко используются тензометрические датчики. Для проведения мониторинга состояния сложных конструкций может потребоваться сбор информации с нескольких сотен, а то и тысяч датчиков, разнесенных на значительное расстояние. Сложность тензометрических исследований усугубляется малым диапазоном изменения сопротивления датчика под воздействием деформации конструкции, не превышающей нескольких десятых долей процента от номинального значения сопротивления датчика.
В настоящее время фактическим стандартом является включение тензорезистров в мостовую схему [1…5]. Различают полномостовые (с четырьмя тензорезисторами), полумостовые (с двумя тензорезисторами) и четвертьмостовые схемы (с одним тензорезистором).
Измерение деформации с помощью тензорезистивных преобразователей — одно из самых сложных в технике электрических измерений. Сложность определяется малым диапазоном изменения сопротивления под воздействием деформации. Диапазон изменения сопротивления тензорезистра обычно не превышает нескольких десятых процента от номинала и, как правило, ниже сопротивления проводов, соединяющих датчик с измерительной аппаратурой и разброса номинальных сопротивлений тензорезисторов и эталонных резисторов в плечах моста.
Питание мостовых схем может осуществляться как от источника напряжения, так и от источника тока. Последнее включение предпочтительнее, поскольку при этом в два раза уменьшается нелинейность для четвертьмостовой схемы и полностью устраняется для остальных включений. Кроме того, уменьшается влияние соединительных проводов при подключении питания удаленной мостовой схемы.
Рис. 1. Логометрическая схема преобразования сигнала разбаланса полномостовой схемы с источником напряжения (а) и тока (б)
Для обеспечения независимости результатов преобразования от нестабильности источников возбуждения мостовой схемы широко используется логометрический способ аналого-цифрового преобразования [1, 6], при котором обеспечивается пропорциональность опорного напряжения преобразователя сигналу возбуждения (напряжению (рис. 1а) или току (рис. 1б)) моста. При указанном условии результат преобразования N пропорционален частному от деления Uin/Uref и не зависит от нестабильности напряжения или тока возбуждения. Опорное напряжение Uref в первом случае выбрано равным напряжению возбуждения моста Uв, а во втором пропорционально току возбуждения (Uref=I•Rref).
Рис. 2. Схема преобразования сигнала разбаланса полномостовой схемы с источником напряжения произвольной формы
Для снижения влияния помех, прежде всего, промышленной сети, и влияния термо-ЭДС на скрутках датчиков, мостовые схемы запитывают напряжением переменного тока синусоидальной или треугольной формы с последующей фильтрацией [1, 3] . Необходимую форму напряжения возбуждения формируют с помощью ЦАП (рис.2), нестабильность которого контролируют и учитывают с помощью дополнительного АЦП.
Если при использовании полномостовых схем включения тензодатчиков альтернативного решение не существует, то при применении полумостовых, и, особенно, четвертьмостовых схем, проявляется ряд недостатков, которые заставляют задуматься о поиске других решений при использовании четвертьмостовой схемы.
Действительно, при одном резистивном датчике для четвертьмоста требуется три эталонных резистора, отклонение сопротивления которых приведет к существенной начальной разбалансировке схемы. Изменение температуры окружающей среды приведет к дополнительному разбалансу моста за счет различных температурных коэффициентов сопротивления резисторов. Проведение начальной балансировки при недеформированном состоянии конструкции может частично решить эту проблему при заданной температуре. Балансировка же с учетом работы в диапазоне температур приводит к значительному усложнению этой процедуры и снижению точности преобразования.
Высокая разрешающая способность современных АЦП в широком диапазоне изменения входных сигналов позволяет использовать потенциометрические схемы (рис.3) [3].
Рис. 3. Потенциометрическая схема измерения параметров тензорезистивных датчиков
Питание потенциометрической схемы от источника напряжения приводит к нелинейности преобразования. Конечно, учитывая малые уровни приращения сопротивления тензодатчика этой погрешностью в большинстве случаев можно пренебречь, однако, остается проблема влияния сопротивления соединительных проводов и проблема переконфигурации измерительной схемы при использовании нескольких датчиков. Как указывалось выше, решение этих проблем значительно упрощается при использовании для питания резистивных датчиков источника тока. Включение тензодатчиков в единую токовую цепь позволяет реализовать измерительную схему [3, 4] (рис. 4). Каждый датчик (R1-R4) подключается двумя проводами непосредственно к входам АЦП, что исключает влияние их сопротивления на точность преобразования.
Рис. 4. Логометрическая схема преобразования полного сопротивления четырех тензодатчиков
Симметричность подключения позволяет реализовать связь витой парой, что увеличивает помехозащищенность линии. Источники погрешности сведены к минимуму и в значительной мере могут быть учтены при начальной балансировке, которая заключается в измерении и запоминании значения полного сопротивления датчика при недеформированном состоянии конструкции.
Эффективная разрешающая способность АЦП по действующему значению ENOB_rms и полному размаху (ENOB_p-p) шумового сигнала в типовых режимах ADuC7060/7061
| Режим |
Частота обновления данных |
Uin |
| ±1,2 В PGA = 1 |
±600 мВ PGA = 2 |
±300 мВ PGA = 4 |
±150 мВ PGA = 8 |
±75 мВ PGA = 16 |
±37,5 мВ PGA = 32 |
±18,75 мВ PGA = 64 |
±9,375 мВ PGA = 128 |
±4,68 мВ PGA = 256 |
±2,34 мВ PGA = 512 |
| Chop On |
4 Гц |
21,9 (19,1) |
20,8 (18,1) |
21,7 (19,0) |
21,4 (18,7) |
20,9 (18,2) |
20,8 (18,1) |
20,2 (17,4) |
19,1 (16,4) |
18,2 (15,4) |
17,1 (14,4) |
| Chop Off |
50 Гц |
20,2 (17,5) |
19,3 (16,6) |
20,0 (17,3) |
19,6 (16,9) |
19,1 (16,4) |
19,0 (16,2) |
18,2 (15,5) |
17,3 (14,6) |
16,6 (13,8) |
15,5 (12,8) |
| Chop Off |
1 кГц |
18,1 (15,3) |
17,1 (14,4) |
17,8 (15,1) |
17,5 (14,8) |
17,0 (14,2) |
16,8 (14,1) |
16,1 (13,4) |
15,1 (12,3) |
14,0 (11,3) |
13,1 (10,4) |
| Chop Off |
8 кГц |
15,4 (12,7) |
14,4 (11,7) |
15,4 (12,6) |
15,2 (12,5) |
15,0 (12,3) |
14,9 (12,2) |
14,4 (11,7) |
13,4 (10,7) |
13,3 (10,6) |
12,3 (9,6) |
Основная погрешность будет определяться эффективной разрешающей способностью аналого-цифрового преобразования не для всего диапазона преобразования АЦП, определяемого падением напряжения на полном сопротивлении датчика I(R+DR), а лишь для информационного участка, определяемого приращением сопротивлении под нагрузкой IDR. Если принять DR/RНОМ=0,001 (0,1%), то эквивалентная разрешающая способность информационного участка, определяющая погрешность квантования DR
nиу=nэф–10, (1)
где nэф — эффективная разрешающая способность АЦП на выбранном диапазоне преобразования.
Таким образом, если требуется обеспечить погрешность квантования приращения сопротивления тензодатчика менее 1%, то следует выбирать АЦП с nэф17.
Наилучшей разрешающей способностью обладают АЦП с сигма-дельта преобразованием.
Среди достаточно большого количества таких преобразователей, выпускаемых различными фирмами для целей тензометрии, весьма перспективным выглядит микроконвертор ADuC7060/7061 [7] с разрешающей способностью до 24 разрядов, двумя встроенными источниками тока и усилителем с программно перестраиваемым коэффициентом усиления PGA. Возможность программной установки значения тока возбуждения и коэффициента усиления PGA создает отличные условия для оптимального по выбору диапазона преобразования. Подавление помех помимо аналогового антилиасингового фильтра может быть осуществлено цифровым фильтром АЦП, характеристика которого может быть задана пользователем [8]. Необходимая обработка полученных результатов преобразования может быть осуществлена процессорным ARM ядром микроконвертора.
Проиллюстрируем возможность обеспечения высоких метрологических характеристик предлагаемой схемы (рис. 4) при использовании тензорезистора с номинальным сопротивлением 100 Ом. В соответствии с таблицей с данными по эффективной разрешающей способности АЦП ADuC7060/7061 выберем диапазон преобразования 75 мВ (коэффициент усиления PGA=16). Выберем величину тока IEXC=600 мкА (величина тока программируется с дискретностью 200 мкА). При этом диапазон преобразования АЦП будет использован на 80%. В соответствии с таблицей эффективная разрешающая способность АЦП на этом диапазоне при частоте дискретизации 1 КГц nэф=17 (абсолютная величина квантования Dкв=75мВ/217=0,6 мкВ). В соответствии с выражением (1) разрешающая способность информационного участка (DUmax=60 мкВ) составляет nиу=7, приведенная погрешность преобразования составляет Dкв/DUmax = 1%.
Конечно, столь малые уровни измеряемых сигналов сильно усложняет проблему подавления помех. Эффективным методом борьбы с помехами, является сокращение длины соединительных проводов, что требует размещения систем сбора информации в непосредственной близости от датчиков, что требует их автономного питания от батарейных источников питания. Низкая потребляемая мощность микросхемы ADuC7060/7061 является еще одним из ее неоспоримых преимуществ при создании крейтов тензостанций с использованием радиоканала для передачи информации.
Неоспоримым достоинством этих схем является их низкая потребляемая мощность, что важно для приборов тензометрии, требующих зачастую автономного режима работы с батарейным источником питания [8].
Литература и интернет-источники
1. Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления, М.-Л., „Энергия», 1964.
2. Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков. http://www.autex.ru. (По материалам семинара „Practical techniques for sensor signal conditioning». http://www.analog.com.)
3. Тензометрические измерения. — Теория. zetms.ru./support/articles/tenso
4. Александр Фридлянд. Аппаратура сбора данных при тензометрии механических конструкций.
5. Самута А.И. Тензорезистивные датчики и их применение.// Электроника/инфо. http://electronics.nsys.by
6. Корнеев И., Смолин В., Троицкий Ю. Логометрический способ аналого-цифрового преобразования сопротивления параметрических датчиков, включенных в общую токовую петлю. // Компоненты и технологии №4, 2012, с.42-46.
7. Analog Devices. Low Power, Precision Analog Microcontroller / Dual Sigma-Delta ADCs, Flash/EE, ARM7TDMI. ADuC7060/ADuC7061. http://www.analog.com.
8. Корнеев И., Максимчук А., Троицкий Ю. Некоторые особенности применения однокристальных прецизионных систем сбора информации с ARM-ядром //Компоненты и технологии №12, 2011, с.29-33. | |
