Cílem tohoto dokumentu je vysvětlit na základní úrovni, elektrické zapojení snímače sil. Tento poznatek může pomoci při chápání práce snímače, optimální a novátorské využití snímačů sil a vyvarování se možných chyb při zapojení. Ukážeme základní obvodové zapojení uvnitř snímače sil, založen na propojení tenzometrických známek v Wheatstoneův můstku.
Základní obvod: Wheatstoneův můstek
Snímač sil je založen na elektrickém obvodu znám jako Wheastoneův můstek.
Na obrázku, vin je napájecí napětí (také nazýváno budicí signál) a je udáván ve voltech (V) a vout je výstupní signál (udáván v milivoltech - mV).
Toto uspořádání obvodu umožňuje měřit velmi malé změny odporu ΔR, které se dějí v tenzometrických známkách umýstěné v ramenech můstku: R1,R2, R3 a R4.
Tenzometrické zámky (angl. strain gauges) jsou deformační prvky, upevněné (přilepené) na elastický podklad těla snímače. Tělo snímače většinou bývá materiál podle zátěže kterou bude měřit : hliník, speciální ocel nebo jiné kovové materiály. Když dojde k deformaci těla snímače, deformační prvek změní svůj odpor o hodnotu ΔR. Tato malá změna v každém snímači je zvětšena díky principu Wheatstoneova můstku a to lineárně. Výstupní signál je proporční k síle, která působí na snímač.
Když je snímač bez zátěže, všechny čtyři tenzometrické známky jsou bez deformace a mají tedy stejnou odporovou hodnotu. Nominální hodnota tenzometrické známky je tedy Rg :
R1=R2=R3=R4=Rg
V tomto okamžiku, je výstupní signál vout rozdíl mezi Vout+ a vout- a tedy je 0V (tzv. nula snímače).
Když je snímač zatížen, tenzometrické známky změní svůj odpor o malou hodnotu ΔR:
R1=Rg-ΔR ; R2=Rg+ΔR ; R3=Rg-ΔR ; R4=Rg+ΔR
Tato změna odporů zapříčiní, že obdržíme výstupní signál vout jehož velikost je přímo úměrná změn tenzometrických známek. Tato změna je zároveň přímo úměrná k deformaci těla snímače a tato je přímo úměrná k aplikované síle (hmotnosti) na snímač.
Je důležité si uvědomit, že odporový obvod je také přímo úměrný na budicí signál, proto se výstupní signál snímače uvádí běžně v mV/V (milivoltů na volt).
Úplný obvod pro velmi přesný snímač sil.
Aby snímač sil byl velmi přesný, je nutné aby elektrický obvod měl dodatečné tenzometrické známky jejichž funkce je jemné doladění výstupního signálu při různých zátěžích a také pro provedení teplotní komplenzaci snímače.
Následný diagram ukazuje jak takový obvod může vypadat:
1 . Rz1 a Rz2
Nulovací odpory. Během výroby se provádí jemné doladění výstupního signálu při nulovém zatížení tak, aby výstupní hodnota byla co nejblíže k 0mV.
2. Rzt1 a Rzt2
Odpory pro teplotní posun nuly. Během výroby se provádí jemné doladění s teplotně kompenzačními odpory pro získání stabilní hodnoty nuly se změnou teploty.
3. Rs1, Rn1 a Rs2, Rn2
Teplotně kompenzační odpory citlivosti. Odpory Rn1 a Rn2 změní svoji nominální odpor s teplotou, Rs1 a Rs2 se použijí pro kompenzaci změn z důvodu mechanické elasticity snímače pro získání celkově stabilní měření s teplotou.
4. Raf1, Rag1 a Faf2,Rag2
Dolaďovací odpory citlivosti. Rag odpory se použijí pro hrubé nastavení a Raf odpory se použijí pro jemné doladění nominální citlivosti (Sn) každého snímače v mV/V.
5. Rai
Doladění vstupní impedance. Tento odpor se použije pro dodadění vstupní impedance snímače sil na specifikovaný rozsah.
Výstupní signál vout snímače sil s nominální kapacitou (Ln) je popsán jeho nominální citlivostí (Sn) a napájecím napětím (vin)
Nominální citlivost (Sn, v mV/V) je hodnota výstupního signálu (vout, v mV) při působení nominální kapacity snímače (Ln v kg) v poměru k napájecímu napětí (vin ve V).
Jako příklad uvedeme snímač o nominální kapacitě Ln=100kg a nominální citlivosti Sn=2mV/V. Znamená to, že výstupní signál bude navýšen o 2mV na každý volt napájení snímače při působení zátěže na snímač o velikosti 100kg.
Vzhledem k tomu, že se jedná o lineární vztahy potom při napájení snímače z vyhodnocovací jednotky s 10V, při postupném zatěžování snímače z 0 do 100kg obdržíme výstupní signál o velikosti 0 až 20 mV.