Измерение деформации с помощью тензорезисторов

Температурная компенсация проводов четвертьмостовой схемы измерений

При измерениях с помощью тензорезистора, для преобразования изменения сопротивления тензорезистора в сигнал напряжения используют мостовую схему Уитстона. Простейшей мостовой схемой измерений является четвертьмостовая, в которой одно плечо состоит из тензорезистора, а три других содержат постоянные сопротивления измерительного прибора. Для подключения тензорезистора к измерительному прибору можно использовать двухжильный провод. Но если температура проводов меняется, это оказывает температурное влияние на мост, даже если фактическая деформация не меняется. По этой причине, четвертьмостовая схема с двухпроводным подключением используется только в том случае, когда во время измерения не ожидается изменений температуры, или проводным подключением для динамических измерений, при которых температурное влияние можно не учитывать. 

Четвертьмостовая схема с трехпроводным подключением, когда для подключения тензорезистора используется трехжильный провод, позволяет предотвратить температурное изменение сопротивления проводов. При этом способе влияние изменения сопротивления проводов, вызванное изменением температуры, исключается. Кроме того, влияние проводов на коэффициент тензочувствительности вдвое меньше, чем у четвертьмостовой схемы с двухпроводным подключением. 

Четвертьмостовая схема с трехпроводным подключением рекомендуется как предпочтительная по сравнению с двухпроводной, особенно, если во время измерений ожидается изменение температуры и/или используются относительно длинные провода. Существуют также другие мостовые схемы измерений, в том числе полумостовая и полномостовая.

Температурное изменение сопротивления, вызванное изменением температуры

В четвертьмостовой схеме с двухпроводным подключением изменения температуры провода вызывают изменения сопротивления провода, что приводит к температурному эффекту. Для компенсации этого температурного влияния используют следующее уравнение:
Температурное влияние провода   ,
где:
ε L - температурное влияние провода;
K - коэффициент тензочувствительности, указанный на упаковке тензорезистора;
α - температурный коэффициент сопротивления провода (3.9X10’3/°C для меди);
r - суммарное сопротивление провода на 1 метр (Ом/м);
L - длина провода (м);
ΔT - изменение температуры провода (°C).
Примечание:
• Компенсация возможна при условии, что температура меняется по всей длине провода равномерно.
• В четвертьмостовой схеме с трехпроводным подключением компенсации не требуется, поскольку влияние изменения сопротивления провода, вызванное изменением температуры, исключается.
• Эта коррекция также не требуется в нашей четырехпроводной схеме измерений деформации с одним тензорезистором, потому что на нее сопротивление провода вообще никак не влияет.

Коррекция коэффициента тензочувствительности (чувствительности тензорезистора) с учетом соединительных проводов

Сопротивление проводов, соединяющих тензорезистор с тензометром, существенно снижает коэффициент тензочувствительности. Необходимо рассчитывать поправку в зависимости от способа измерения, а также типа и длины проводов.

Суммарное сопротивление на метр длины типового предварительно подсоединенного провода TML

Сопротивление провода в тензорезисторе искажает чувствительность и тепловой дрейф тензорезистора. Провод должен быть как можно толще и короче.

Четырехпроводная схема измерения деформации с 1 тензорезистором

где:
R - сопротивление тензорезистора;
Rs - эталонное сопротивление;
r1 ~ r4 - сопротивление проводов и сопротивление контактов;
i - ток, протекающий через сопротивление тензорезистора и эталонное сопротивление;
E - напряжение возбуждения;
V - напряжение на сопротивлении тензорезистора;

Влияние сопротивления контактов отсутствует

Обычно, для удлинения проводов и подключения к измерительному устройству, применяют пайку или специальные разъемы. Поскольку четырехпроводная схема с одним тензорезистором вообще не подвержена влиянию сопротивления контактов, можно использовать модульный штекер. Модульный штекер делает удлинение и подключение проводов недорогим и эффективным, в то же время предотвращая ошибки монтажа и избавляя от необходимости в безсвинцовой пайке в соответствии с Директивой по ограничению вредных веществ. 

Сравнение трехпроводной четвертьмостовой схемы и четырехпроводной схемы с одним тензорезистором:

Сопротивление проводов

В обычной схеме рекомендуется применять как можно более толстые и короткие провода, чтобы их сопротивление было низким. Поскольку в четырехпроводной схеме с одним тензорезистором сопротивление проводов не оказывает никакого влияния, к тензорезисторам можно подключать тонкие и длинные провода.

Сравнение трехпроводной четвертьмостовой схемы и четырехпроводной схемы с одним тензорезистором:

Тензорезисторы с проводами и модульным штекером

Большинство наших тензорезисторов может поставляться с предварительно подсоединенными четыремя проводами и модульным штекером (RJ12), составляющими нашу запатентованную четырехпроводную систему с одним тензорезистором. Поскольку модульный штекер устанавливается на концы проводов, отпадает необходимость в пайке или привинчивании соединений с измерительным устройством, но измерительное устройство должно быть модели TML. Жилы трех проводов покрыты полипропиленовой смолой, не выделяющей вредных газов даже при воздействии пламени.