Как да избeрем усилвател за тензодатчици

Областта на събирането на данни е изключително разнообразна и включва измерване на температура, налягане, влажност, механични и множество други физични величини. Често измерванията се правят в тежки условия, например, при твърде висока температура, центробежни сили и наличие на значителни електрически шумове. Това налага системните проектанти не само да изберат подходящ сензор за конкретното приложение, но и да осигурят необходимата обработка на получения от него сигнал.

Настоящият материал е посветен на обработката на сигнали в различни приложения и най-вече на параметрите, които могат да повлияят на избора на усилватели за тензодатчици (динамометрични сензори).

За тензодатчиците
Преди да разгледаме усилвателите и схемите за обработка на сигнали, нека направим кратък преглед на тензодатчиците. По определение "тензо" означава някаква промяна поради въздействието на външна сила. В тензодатчиците оценката на външната сила се прави по промяната на електрическо съпротивление. Съществуват различни видове тензодатчици, най-голямата част от които използват метал под формата на проводник или фолио. При прилагане на сила геометричните размери на тензодатчика се променят (нарастват или намаляват), което е причина за промяна на неговото електрическо съпротивление. Чрез измерване на тази промяна може да се оцени големината на приложеното усилие.

И тъй, как се измерва промяната на геометричните размери? Обикновено един или повече тензодатчика се свързват в Уитстонов мост, предпочитан заради много добрата си чувствителност. При използването на тензодатчици мостът съдържа четири елемента и във всяко негово рамо има по един съпротивителен елемент - тензодатчик или резистор. Мостът се захранва с напрежение и се измерва изходното му напрежение, което е между двете му средни точки. Четвъртмостът съдържа само един променящ се съпротивителен елемент, при полумоста те са два, а в пълния мост всичките 4 елемента са променящи се, в конкретния случай тензодатчици. Предимството от наличието на повече тензодатчици е в увеличената чувствителност. Обикновено чувствителността на полумоста е два пъти по-голяма от тази на четвъртмоста, докато при пълния мост е 4 пъти по-голяма.

Обработка на сигналите
Дори при използване на повече от един тензодатчика в Уитстоновия мост, промяната на изходното му напрежение е сравнително малка и има типични стойности няколко миливолта. Поради това, преди преобразуването на напрежението в цифров сигнал с помощта на аналогово-цифров преобразувател (АЦП), се налага то да бъде усилено. Същевременно може да има специфични източници на шум, който трябва да бъде отстранен от входния аналогов сигнал. Примери за такива източници са брумът от електрическата мрежа с честота 50 Hz, други външни електрически смущения и наличието на механичен резонанс. Освен това схемата за обработка на сигнала не трябва да прибавя съществен шум в системата, тъй като малкото напрежение от Уитстоновия мост няма да може да се използва. В резюме, схемата за обработка на сигнала трябва да има достатъчен коефициент на усилване, да осигурява добро филтриране и да има малък собствен шум.
Напрежение на несиметрия и коефициент на усилване без обратна връзка.

В зависимост от изходното напрежение на моста с тензодатчици и на максималното входно напрежение на АЦП, може да се окаже необходимо аналоговият сигнал да бъде усилен 500 или повече пъти. Освен това, схемата трябва да осигурява достатъчен запас, за  да не се насити усилвателят или аналогово-цифровият преобразувател от сигнала. При избора на усилвателите трябва да се взимат предвид няколко фактора.

На първо място, евентуалната необходимост от голямо усилван може да направи критично влиянието на напрежението на несиметрия на усилвателя. Всяко такова създадено от усилвателя напрежение се умножава с неговия коефициент на усилване. Например, усилвател с напрежение на несиметрия 1 mV и схема, осигуряваща коефициент на усилване 500 ще определи изходно напрежение на грешка от 0,5 V. Така при максимално напрежение на моста с тензодатчици от 10 mV, напрежението на несиметрия на усилвателя ще предизвика грешка от 10%. В такива случаи се налага използването на прецизни усилватели, например МСР606.

Второ, усилвателят трябва да има достатъчно голям коефициент на усилване без обратна връзка, за да може да осигури едновременно желаното усилване и стабилни параметри. В типичните усилватели коефициентът на усилване без обратна връзка е постоянен до определена горна гранична честота, след което намалява с 20 db/oct. Този коефициент при повечето усилватели с общо предназначение е между 100 и 120 dB. Такива усилватели могат да осигурят споменатия коефициент на усилване 500, но вероятно с някакви ограничения на параметрите на системата. Например, нека имаме усилвател с коефициент без обратна връзка, равен на 120 dB и предположим, че има достатъчно голяма горна гранична честота, която не оказва влияние при реализирането на  усилване 500.

Последното е приблизително 54 dB, което трябва да се извади от коефициента на усилване без обратна връзка. Оставащите 66 dB са запас за осигуряване на линейност на усилвателя с обратна връзка (фиг. 1). Те са приблизително равни на 2000 и следователно усилвателят може да бъде смятан за линеен при представяне на изходното му напрежение с 11-разредно число. За преодоляване на това ограничение е необходим избор на усилвател с по-голям коефициент на усилване без обратна връзка. Въпреки че такива усилватели съществуват, те не са широко разпространени и може да се окажат твърде скъпи.

Друго решение за постигане на голям коефициент на усилване е в използването на няколко стъпала, както в класическите измервателни схемни топологии с два или три усилвателя. Вероятно по-добро решение е използването на измервателен усилвател, специално разработен с голямо усилване и стабилни параметри, който обикновено има по-малко напрежение на несиметрия и по-малък дрейф в сравнение с реализацията на аналогична схема с отделни усилватели.

Шум на усилвателя
Това е друг ключов параметър, който трябва да се взима предвид при оценка на възможността за използване на даден усилвател за тензодатчици. Важно е да се има предвид и че като параметър се дава приведеното към входа шумово напрежение, поради което всяко усилване или затихване на сигнала оказва влияние на шума на усилвателя. Освен това не трябва да се забравя, че шумът на усилвателя може да зависи от честотата, особено при работа на ниски честоти, където преобладава 1/f-шумът. Този нискочестотен шум е критичен при използването на тензодатчици, които подават входно напрежение на усилвателя с много ниска, близка до нулевата честота.

Входният поляризиращ ток
е третият критичен параметър при обработката на сигнали. Този ток протича във входа на усилвателя, за да осигури постояннотоковия режим на входните транзистори. Големината му започва от mA и достига до рА, като силно зависи от схемата на входното стъпало на усилвателя. Този параметър е особено важен, когато към входа на усилвателя се свързва високоомен сензор. Протичането на тока през голямото съпротивление на сензора създава напрежение и съответно, грешка в изходното напрежение на усилвателя. В такива случаи трябва да се избира усилвател с малък входен поляризиращ ток. Съпротивлението на тензодатчиците е в границите от неколкостотин ома до няколко килоома, а токът през тяхната мостова схема е сравнително голям спрямо входния поляризиращ ток на усилвателя. Поради това, поляризиращият ток обикновено няма съществено значение, освен при прибавяне на допълнителни резистори във входа на усилвателя като част от филтри или защита от електростатични разряди.

В заключение
Тензодатчиците имат многобройни приложения от електронните везни до измерванто на усукващ момент на стоманени котструкции. Всяко конкретно приложение си има своите предизвикателства и изисква специфично проектиране. При избора на усилвател за обработка на сигнали е задължително той да има необходимото усилване и да осигурява необходимата линейност. Шумът също е критичен и трябва да бъде оценяван за работната честотна лента. И накрая, входният поляризиращ ток също може да повлияе на параметрите на системата, особено когато тя e с високоомен вход.