چگونه خروجی کرنش سنج را تقویت کنیم؟

فشار سنج ها حسگرهای ضروری هستند که در طیف گسترده ای از صنایع، از هوافضا و خودرو گرفته تا مهندسی عمران و آزمایش مواد مورد استفاده قرار می گیرند. این دستگاه ها فشار مکانیکی را با تشخیص تغییرات در مقاومت الکتریکی اندازه گیری می کنند و داده های ارزشمندی را برای سیستم های نظارت و کنترل فراهم می کنند. با این حال، سیگنال خروجی یک کرنش سنج اغلب بسیار کوچک است و برای مفید بودن در کاربردهای عملی نیاز به تقویت دارد. در این پست وبلاگ، من چند روش موثر برای تقویت خروجی یک کرنش سنج را با تکیه بر تجربه خود به عنوان یک تامین کننده کرنش سنج به اشتراک خواهم گذاشت.

آشنایی با مبانی خروجی کرنش سنج

قبل از پرداختن به تکنیک های تقویت، درک ماهیت خروجی کرنش سنج بسیار مهم است. یک کرنش سنج معمولاً دارای مقاومتی است که متناسب با کرنش اعمال شده تغییر می کند. تغییر در مقاومت معمولاً بسیار کوچک است، اغلب به ترتیب چند اهم یا کمتر. این تغییر کوچک در مقاومت منجر به تغییر کوچکی در ولتاژ در سراسر کرنش سنج زمانی که بخشی از یک مدار است، می شود.

ولتاژ خروجی یک کرنش سنج را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
کجا:

• (\Delta V) تغییر در ولتاژ خروجی است
• (V_{exc}) ولتاژ تحریک اعمال شده به پل کرنش سنج است.
• (G) ضریب گیج کرنش سنج است
• (\epsilon) سویه اعمال شده است

همانطور که از فرمول می بینید، ولتاژ خروجی با ولتاژ تحریک، ضریب گیج و کرنش اعمال شده نسبت مستقیم دارد. با این حال، حتی با یک ولتاژ تحریک نسبتاً بالا و یک ضریب گیج بزرگ، ولتاژ خروجی همچنان می‌تواند بسیار کوچک باشد، به خصوص برای کرنش‌های کوچک.

تنظیمات پل برای تقویت

یکی از رایج ترین راه ها برای افزایش خروجی یک کرنش سنج استفاده از پیکربندی پل است. پل وتستون پرکاربردترین مدار پل برای کاربردهای کرنش سنج است. از چهار عنصر مقاومتی تشکیل شده است که کرنش سنج یک یا چند عنصر از این عناصر است.

پیکربندی پل چهارم

در پیکربندی پل چهارم، تنها یکی از چهار مقاومت موجود در پل وتستون یک کرنش سنج است. سه مقاومت دیگر مقاومت های ثابت هستند. این پیکربندی ساده و مقرون به صرفه است اما کمترین خروجی را در مقایسه با سایر پیکربندی های پل ارائه می دهد.

پیکربندی نیم پل

پیکربندی نیم پل از دو کرنش سنج استفاده می کند. این را می توان به روش های مختلف، بسته به کاربرد، مرتب کرد. به عنوان مثال، یک کرنش سنج می تواند برای اندازه گیری کرنش استفاده شود، در حالی که دیگری می تواند به عنوان یک گیج جبران دما استفاده شود. پیکربندی نیم پل خروجی بالاتری نسبت به پیکربندی پل چهارم ارائه می دهد.

کرنش سنج کامل پل

پیکربندی کامل پل از چهار کرنش سنج استفاده می کند. این پیکربندی بالاترین خروجی را ارائه می دهد و حساس ترین به کرنش است. همچنین بهترین جبران دما را ارائه می دهد. در پیکربندی پل کامل، هر چهار مقاومت در پل وتستون، کرنش سنج هستند. این امکان حداکثر استفاده از تغییرات مقاومت ناشی از کرنش را فراهم می کند و منجر به ولتاژ خروجی به طور قابل توجهی در مقایسه با پیکربندی های پل چهارم و نیمه می شود.

تقویت کننده های تهویه سیگنال

هنگامی که کرنش سنج در یک مدار پل پیکربندی شد، مرحله بعدی تقویت سیگنال خروجی است. تقویت کننده های تهویه سیگنال به طور خاص برای تقویت سیگنال های خروجی کوچک از فشار سنج ها و سنسورهای دیگر طراحی شده اند. این تقویت کننده ها معمولا دارای امپدانس ورودی بالا برای به حداقل رساندن اثر بارگذاری بر روی پل کرنش سنج و نویز کم برای اطمینان از تقویت دقیق سیگنال هستند.

تقویت کننده های ابزار دقیق

تقویت کننده های ابزار دقیق یک انتخاب محبوب برای تقویت سیگنال های استرین گیج هستند. آنها برای ارائه بهره بالا، نسبت رد حالت معمول بالا (CMRR) و ولتاژ آفست کم طراحی شده اند. CMRR بالا به ویژه در کاربردهای استرین گیج مهم است زیرا به رد هرگونه نویز حالت معمولی که ممکن است در سیگنال ورودی وجود داشته باشد کمک می کند.

تقویت کننده های عملیاتی

تقویت کننده های عملیاتی (op-amps) همچنین می توانند برای تقویت سیگنال های استرین گیج استفاده شوند. در حالی که op-amp ها تقویت کننده های همه منظوره هستند، می توان آنها را به روش های مختلفی برای رسیدن به تقویت مورد نظر پیکربندی کرد. با این حال، در مقایسه با تقویت‌کننده‌های ابزار دقیق، op-amp‌ها ممکن است CMRR کمتر و ولتاژ افست بالاتری داشته باشند که می‌تواند بر دقت سیگنال تقویت‌شده تأثیر بگذارد.

بهینه سازی ولتاژ تحریک

ولتاژ تحریک اعمال شده بر روی پل کرنش سنج نیز نقش مهمی در تعیین ولتاژ خروجی دارد. طبق فرمولی که قبلا ذکر شد، افزایش ولتاژ تحریک می تواند مستقیماً ولتاژ خروجی کرنش سنج را افزایش دهد. با این حال، محدودیت هایی برای افزایش ولتاژ تحریک وجود دارد.

اتلاف نیرو

یکی از محدودیت های اصلی اتلاف برق است. با افزایش ولتاژ تحریک، توان تلف شده توسط کرنش سنج نیز افزایش می یابد. این می تواند منجر به گرم شدن بیش از حد فشار سنج شود که می تواند بر دقت و قابلیت اطمینان آن تأثیر بگذارد. بنابراین، مهم است که ولتاژ تحریکی را انتخاب کنید که در حد توان گیج کرنش باشد.

نویز و تداخل

نکته دیگر نویز و تداخل است. ولتاژ تحریک بالاتر همچنین می تواند حساسیت گیج کرنش را به نویز و تداخل الکتریکی افزایش دهد. این می تواند منجر به کاهش نسبت سیگنال به نویز (SNR) شود که می تواند بر دقت اندازه گیری تأثیر بگذارد. بنابراین، مهم است که نیاز به ولتاژ تحریک بالا را با نیاز به حداقل کردن نویز و تداخل متعادل کنید.

جبران دما

تغییرات دما می تواند تاثیر قابل توجهی بر خروجی یک کرنش سنج داشته باشد. با تغییر دما، مقاومت کرنش سنج می تواند تغییر کند، حتی در غیاب هر گونه کرنش اعمال شده. این می تواند منجر به خطا در اندازه گیری شود. بنابراین، جبران دما یکی از جنبه های مهم تقویت کرنش سنج است.

جبران دمای فعال

جبران دمای فعال شامل استفاده از سنسورها یا مدارهای اضافی برای اندازه گیری دما و تنظیم خروجی کرنش سنج بر این اساس است. برای مثال می توان از ترمیستور برای اندازه گیری دما استفاده کرد و خروجی کرنش سنج را می توان بر اساس خواندن دما تنظیم کرد.

جبران دمای غیرفعال

جبران دمای غیرفعال را می توان با استفاده از تنظیمات پل به دست آورد. به عنوان مثال، در پیکربندی نیم پل یا پل کامل، می توان از یک یا چند تن از گیج ها به عنوان گیج های جبران دما استفاده کرد. این گیج ها به گونه ای قرار می گیرند که تحت تأثیر تغییرات دمایی مشابه کرنش سنج اندازه گیری قرار می گیرند اما تحت تأثیر کرنش اعمال شده قرار نمی گیرند. این به خنثی کردن تغییرات مقاومت ناشی از دما در کرنش سنج اندازه گیری کمک می کند.

فیلتر سیگنال

علاوه بر تقویت، فیلتر سیگنال نیز برای بهبود کیفیت خروجی کرنش سنج مهم است. نویز و تداخل می تواند از منابع مختلفی مانند تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، نویز منبع تغذیه و ارتعاشات مکانیکی به سیگنال وارد شود.

فیلترهای کم گذر

فیلترهای پایین گذر معمولاً برای حذف نویز فرکانس بالا از سیگنال کرنش سنج استفاده می شوند. این فیلترها به سیگنال های فرکانس پایین (از جمله سیگنال ناشی از کرنش) اجازه عبور می دهند و در عین حال نویز فرکانس بالا را کاهش می دهند.

فیلترهای بالاگذر

فیلترهای بالا گذر را می توان برای حذف نویزهای فرکانس پایین، مانند آفست DC و دریفت آهسته استفاده کرد. این فیلترها به سیگنال های فرکانس بالا اجازه عبور می دهند و در عین حال سیگنال های فرکانس پایین را تضعیف می کنند.

نتیجه گیری

تقویت خروجی یک کرنش سنج یک مرحله حیاتی در بسیاری از کاربردها است. با استفاده از تنظیمات پل مناسب، تقویت کننده های تهویه سیگنال، بهینه سازی ولتاژ تحریک، پیاده سازی جبران دما و اعمال فیلتر سیگنال، می توان خروجی یک کرنش سنج را به میزان قابل توجهی افزایش داد و دقت اندازه گیری را بهبود بخشید.

به عنوان یک تامین کننده کرنش سنج، من اهمیت ارائه کرنش سنج های با کیفیت بالا و پشتیبانی لازم برای تقویت و تهویه سیگنال را درک می کنم. اگر به دنبال کرنش سنج ها هستید یا به مشاوره در مورد چگونگی تقویت خروجی آنها نیاز دارید، توصیه می کنم برای بحث دقیق با من تماس بگیرید. ما می توانیم با هم کار کنیم تا بهترین راه حل را برای برنامه خاص شما پیدا کنیم.

مراجع

• دوبلین، EO (2003). سیستم های اندازه گیری: کاربرد و طراحی. مک گراو هیل.
• گروه کیستلر (2021). تکنولوژی کرنش سنج. برگرفته از [URL وب سایت]
• مهندسی امگا. (2021). راهنمای کرنش سنج. برگرفته از [URL وب سایت]