Celem tego opisu elektrycznego jest pomoc dla użytkownika w poznaniu elementów elektrycznych stanowiących część obwodu elektrycznego przetwornika siły, w oparciu o mostek tensometryczny Wheatstone'a; potem opracujemy obwód dla prawdziwego przetwornika siły, przy czym konieczne będzie dodanie dodatkowych obwodów pozwalających na otrzymanie czujnika o wysokiej precyzji.
Obwód podstawowy: Mostek Wheatstone'a
Przetwornik siły oparty jest na obwodzie elektrycznym zwanym mostkiem Wheatstone'a.
Przy czym Vin stanowi zasilanie mostka lub wzbudzenie wejściowe (V=wolt), a Vout sygnał wyjściowy (mV=miliwolt).
Układ ten pozwala na pomiar bardzo małych zmian oporu ∆R, do których dochodzi w tensometrach rozmieszczonych w ramionach mostka: R1, R2, R3 oraz R4.
Tensometry to czujniki odkształceń przyklejone do elastycznego korpusu przetworników siły. Praca, która odkształca czujnik, wywoła zmianę ∆R normalnej wartości oporu Rg. Ta niewielka zmiana oporu na każdym czujniku jest wzmacniana przez nierównowagę oporu powodowaną w mostku Wheatstone's, dając odpowiednio sygnał wyjściowy proporcjonalny do przyłożonej siły.
Jeśli przetwornik siły nie jest obciążony, cztery czujniki są w stanie spoczynku i odznaczają się tą samą wartością oporu, wartością znamionową czujnika tensometrycznego Rg:
R1=R2=R3=R4=Rg
W takiej sytuacji sygnał wyjściowy Vout, różnica pomiędzy Vout+ a Vout‐, wynosi 0 V (zero przetwornika siły).
W przypadku obciążenia przetwornika siły, czujniki tensometryczne zmieniają wartość oporu własnego w niewielkim stopniu, ∆R:
R1=Rg‐∆R ; R2=Rg+∆R ; R3=Rg‐∆R ; R4=Rg+∆R
Otrzymamy w takiej sytuacji sygnał wyjściowy Vout proporcjonalny do zmiany wartości oporu czujników tensometrycznych. Jest ona jednocześnie proporcjonalna do odkształcenia elastycznego korpusu przetwornika siły, które jest proporcjonalne do przyłożonej siły. Uzyskuje się w ten sposób przetwornik siły dający wyjściowy sygnał elektryczny proporcjonalny do przyłożonej siły.
Należy zauważyć, że ten układ oporowy jest także proporcjonalny do napięcia zasilania, tak, że sygnał wyjściowy przetwornika siły zwykle wyrażany jest jako mV/V, miliwolt na wolt (zasilania).
Kompletny układ przetwornika siły o wysokiej precyzji.
Aby wyprodukować prawdziwy przetwornik siły o wysokiej precyzji, konieczne jest dodanie dodatkowego obwodu do przetworników tensometrycznych, który zajmował się będzie dostosowaniem sygnału wyjściowego przy różnych obciążeniach, i który także zajmował się będzie konieczną specyficzną kompensacją termiczną podczas procesu produkcji.
Poniższy schemat elektryczny pozwala na określenie poszczególnych etapów, opisanych poniżej:
1. Rz1 i Rz2
Wyzerowane oporniki równowagi. Należy dokonać bardzo precyzyjnej regulacji sygnału wyjściowego bez obciążenia (zero dla przetwornika) tak, aby uzyskać wartość bardzo bliską 0 mV.
2. Rzt1 i Rzt2
Wyzerowane oporniki kompensacji zmian temperatury. Należy dokonać bardzo precyzyjnej regulacji za pomocą małych oporników kompensacji temperatury, aby uzyskać stabilny sygnał zerowy dla temperatury.
3. Rs1, Rn1 i Rs2, Rn2
Oporniki kompensacji czułości dla temperatury. Oporniki Rn1 oraz Rn2 zmieniają swoją znamionową wartość oporu wraz z temperaturą, oporniki Rs1 oraz Rs2 wykorzystywane są do kompensacji zmian uzyskanych wskutek elastyczności mechanicznej korpusu przetwornika siły tak, aby uzyskać łączny zysk, który jest termicznie stabilny.
4. Raf1, Rag1 oraz Faf2, Rag2
Oporniki regulacji czułości. Oporniki Rag służą do wykonania zgrubnej regulacji, a oporniki Raf służą do precyzyjnej regulacji znamionowej wartości czułości (Sn) każdego przetwornika siły w mV/ V.
5. Rai
Opornik regulacji impedancji wejściowej. Stosowany w celu uzyskania wartości impedancji wejściowej przetwornika siły w zakresie podanym w danych technicznych.
Sygnał wyjściowy Vout przetwornika siły przy obciążeniu znamionowym (Ln) opisany jest przez czułość znamionową (Sn) oraz napięcie zasilania (Vin).
Czułość znamionowa (Sn, wyrażana w mV/V) to wzrost sygnału wyjściowego (Vout, w mV) przy przyłożonym wzroście siły równym obciążeniu znamionowemu (Ln, kg), w odniesieniu do napięcia zasilania (Vin, wyrażone w V).
Przykładowo, opisujemy przetwornik siły o obciążeniu znamionowym 100 kg (Ln) i czułości znamionowej (Sn) wynoszącej 2 mV/V. Oznacza to, że sygnał wyjściowy wzrośnie o 2 mV, dla każdego podawanego wolta przy przyłożeniu przyrostu obciążenia równemu 100 kg. Ponadto, ten wzrost jest liniowy i proporcjonalny do przyłożonego obciążenia. W przypadku napięcia zasilania wynoszącego 10 V, uzyska się wtedy obciążenie od 0 do 100 kg, a sygnał wyjściowy od 0 mV do 20 mV.