Мостовые схемы включения первичных магниторезистивных измерительных преобразователей

Рассмотренные ранее магниторезисторы в частности и резистивные измерительные преобразователи вообще, являются одним из наиболее распространенных типов первичных измерительных преобразователей.

Наиболее очевидный метод измерения сопротивления таких устройств, заключается в пропускании постоянного тока через резистивный элемент с последующим измерением падения напряжения на нем (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Использование источника постоянного тока
для косвенного изменения сопротивления

При подобном схемотехническом подходе к косвенному измерению сопротивления крайне важно обеспечивать точное удержание тока возбуждения и точное измерение выходного напряжения. При этом мощность, рассеиваемая на резистивном датчике должна быть достаточно малой во избежание ошибок, связанных с саморазогреванием чувствительного элемента.

Следовательно, номинал тока возбуждения необходимо минимизировать.

Выгодной альтернативой для точного измерения малых изменений сопротивления является мост Уитстона, предложенный в 1843 г. Чарльзом Уитстоном (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Включение резистивных измерительных преобразователей
по мостовой схеме

Такой мост находится в нулевом (сбалансированном) состоянии при соблюдении условия R 1/ R 4= R 2/ R 3, вне зависимости от способа его возбуждения (постоянным либо переменным током), величины возбуждения или способа считывания выходного сигнала (ток или напряжение), импеданса схемы измерения. Параметры выходного сигнала определяются в соответствии с выражением (6.1), причем U = 0, если R 1/ R 4= R 2/ R 3.

(6.1)

Если R 2/ R 3= K фиксированное значение, а определяемым является сопротивление R 1, то мост приводится в нулевое состояние, посредством ввода градуированного потенциометра R 4. Таким образом, R 1= K·R 4.

Нулевые измерения обычно используются в системах с электромеханическими элементами. В большинстве приложений с использованием мостовых датчиков величина отклонения сопротивления одного или нескольких сопротивлений плеч моста измеряется через величину изменения измеряемого параметра. Например, измеряя напряжение диагонали моста, судят об изменении величины составляющих его сопротивлений. Изменение выходного напряжение моста весьма мало (десятки милливольт) даже при значительных возбуждающих напряжениях (U ₀ ~ 10 В).

На рис. 6.3 представлены различные конфигурации измерительных мостов (являющиеся разновидностями базовой мостовой схемы). Здесь следует отметить, что поскольку выход моста пропорционален возбуждению U _вх, точность измерения выхода не может быть выше точности поддержания напряжения возбуждения.

Основными параметрами для мостовой схемы являются ее соотношения по выходу и так называемый коэффициент нелинейности моста.

Чувствительность моста – отношение максимально ожидаемого изменения выходного напряжения (выхода) к напряжению возбуждения или входному напряжению). Так, если максимальный выход составляет 10 мВ, а возбуждение 10 В, то показатель чувствительности соответствует 1мВ/В.

Рассмотрим показатели чувствительности и нелинейности для различных мостовых конфигураций (6.2) – (6.5) [24].

К рис. 6.3, a (четверть-мостовая схема):

(6.2)

Рис. 6.3. Варианты конфигураций измерительных мостов

К рис. 6.3, б (полумостовая схема):

(6.3)

К рис. 6.3, в (полумостовая схема):

(6.4)

К рисунку 6.3, г (полный мост):

(6.5)

где S – чувствительность моста; γ – коэффициент нелинейности.

Таким образом, заметим, что в четверть-мостовой конфигурации (с одним чувствительным элементом) связь между выходом моста и изменением величины чувствительности резистора Δ R – не линейна.

Относительная нелинейность для четверть-мостовой конфигурации может быть определена следующим образом:

Следует отметить, что данная нелинейность относится к собственно измерительному мосту и не имеет никакого отношения к нелинейности чувствительного элемента. На практике, большинство чувствительных элементов обладает собственной нелинейностью, которую следует учитывать в конечном результате.

Вследствие того, что нелинейность моста описывается аналитически, ее достаточно просто учесть при дальнейшей цифровой обработке сигнала.

В свою очередь полумостовая конфигурация может быть представлена в двух видах:

§ Пояснение к рис. 6.3, б:

Оба чувствительных элемента изменяются в одну сторону и монтируются рядом на одной оси. В этом случае нелинейность такая же, как при четверть мостовой конфигурации, коэффициент же передачи (чувствительность) в два раза выше;

§ Пояснение к рис. 6.3, в:

Чувствительные элементы изменяются в противоположные стороны и монтируются, например, в случае датчика деформации, на одной оси, но с разных сторон упругого элемента.

Конфигурация же типа «полный мост» дает максимальный сигнал на выходе и линейна по своей природе.

Помимо возбуждения напряжением, мосты также можно возбуждать током. Преимущества такого метода проявляются в тех случаях, когда мост располагается далеко от системы регистрации и заключаются в отсутствие ошибок измерения из-за наличия сопротивления соединительных проводников. При возбуждении моста постоянным током нелинейность имеется лишь при четверть-мостовой конфигурации и составляет 0.25.