Fysik & el

Avdelningen för fysik och elektroteknik bloggar

Wheatstonebrygga/lastcell

2012-09-06

Den här första laborationen i kursen 1ED102 (Elektrisk mätteknik) handlar om Wheatstonebryggan, dess tillämpning vid användning av töjningsgivare i lastceller, samt inkoppling till instrumentförstärkare (även kallad bryggförstärkare).

För töjningsgivare se figur 2.7 och 2.8 i Bengtsson. Det är resistiva givare, som ändrar motstånd på grund av att de tänjs ut tillsammans med materialet som de är monterade på. Den elastiska töjningen av stål och aluminium är alltid liten. Även ändringen i motstånd är liten för dessa resistiva givare, för liten för att bestämma töjningen med en ohmmätare. Därför  använder man dessa töjningsmotstånd i en koppling som upkallas efter Charles Wheatstone (1802 – 1875).

Wheastonebrygga

Allmän Wheatstonebrygga
Jämför figuren intill med figur 2.9 i Bengtsson och inse att det är samma krets. Den här figuren betonar att en Wheastone-brygga består av två spänningsdelare i parallellkoppling. Spänningsdelaren ger en utgångsspänning som beror på förhållandet av motståndens värden. Så om förhållandet R1/R2 är lika med förhållandet R3/R4 är utgångsspänningarna lika. Då finns det ingen potentialskillnad U. (Detta fungerar även för komplexa impedanser där inte endast effektivvärde utan även fasskillnad ska vara noll.)

Historiskt innehöll mätbryggor en känslig galvanometer. Man bestämde det okända motståndet genom att balansera bryggan (nolla galvanometern) med hjälp av ett variabelt motstånd, till exempel en dekadmotståndsbank.  Men i moderna tillämpningar mäter man värdet av bryggans utgångsspänning, vanligtvis med en instrumentförstärkare, se figur 3.35 i Bengtsson.

Single-point lastcell


En lastcell är en struktur av aluminium eller stål med färdigmonterade töjningsgivare för att mäta kraft och tyngd. Det finns olika utformningar. Principen är alltid att en elastisk deformation är proportionell mot spänningen i materialet, att Hookes lag kan änvändas för att mäta kraften.

Vi ska använda såkallade single-point lastceller, som kan vara känsliga för relativt små krafter. Bilden visar hur en sådan lastcell fungerar i en våg. Tyngden gör att två töjningsgivare dras ut och att två andra komprimeras. Dessa är kopplade så att den ena spänningsdelaren går upp i utgångsspänning medan den andra går ner. Bryggans spänning är skillnaden mellan dessa spänningar. Utan belastning ligger signalspänningen nära noll och den ökar linjärt med blockets deformation.

Förberedelse

  • Vad finns det för nackdelar med att ersätta tre av dessa relativt dyra töjningsgivare med mycket billigare vanliga motstånd?
  • Kolla specifikationerna i Veteks datablad för lastcellen 108BA. Vad menas med en känslighet (Cn) på 2 mV/V? Hur stor måste motståndsändringen vara för att åstadkomma det?
  • Studera databladet för instrumentförstärkaren INA121. Välj ett lämpligt värde för RG.

Genomförande

  • Mät med multimeter motståndet mellan anslutningarna och jämför med datablad. Hur mycket ändrar dessa motstånd sig vid nominell belastning?
  • Koppla in excitationsanslutningarna till en symmetrisk spänningskälla. Mät båda single-ended signalspänningarna relativt till jord. Hur stora är ändringarna vid en nominell last? Mät även spänningen mellan signalanslutningarna vid nominell last.
  • Bygg en förstärkarkrets på ett kopplingsdäck. Koppla in lastcellen och gör en kalibreringskurva och gör mätningar av vikt.