Chương 2: MẠCH CẦU WHEATSTONE Cầu Wheatstone là mạch cầu được chọn nhiều nhất trong việc đo những biến dạng điện trở nhỏ (tối đa 10%) như trong việc dùng các miếng đo biến dạng. 1. Nguyên lý: Đối cầu Wheatstone của hình 1: Tín hiệu đầu ra E m qua thiết bò đo với trở kháng Z m : R: điện trở danh nghóa ban đầu của các điện trở R 1 , R 2 , R 3 & R 4 (thường là 120 nhưng là 350 cho các bộ biến cảm). V: điện áp cung cấp cho cầu. trở.điệncủavòđơnđổiBiến: (1) 4 4 3 3 2 2 1 1 14 R R R R R R R R R R Zm R V Em m E Zm m Hình 1: Mạch cầu Wheatstone R1 R2 R4 R3 V Điện áp cung cấp cho cầu là một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn đònh. Phần lớn Z m lớn hơn R rất nhiều (ví dụ như:Vôn kế, bộ khuếch đại với liên kết trực tiếp) do đó thì phương trình (1) trở thành: Từ (2) có nhận xét là: sự thay đổi đơn vò điện trở của 2 điện trở nghòch nhau. Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn đònh nhiệt của mạch đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt. 2. Cân bằng ban đầu: Trước khi bắt đầu việc thử nghiệm, điều quan trọng là nên nhớ đem tất cả các số ghi trên thiết bò trở lại số không. Điều này sẽ làm đơn giản cho việc thể hiện đo đạc và cho phép dùng thiết bò tốt hơn. Hình trên cho thấy một phương pháp thường dùng để đảm bảo cho việc cân bằng ban đầu. R a là điện trở cố đònh, R b là 2 4 4 3 3 2 2 1 1 4 R R R R R R R R V Em Mạch cầu cân bằng ban đầu Em R1 R2 R3 R4 V Ra Rb một thế kế nhiều vòng. Trong phần lớn thường sử dụng R a =20k, R b =40k đủ thích hợp cho việc cân bằng. Trong trường hợp của các bộ biến cảm, việc cân bằng có thể thực hiện trực tiếp lên bộ cảm biến bằng cách thêm những điện trở vào mạch các miếng đo. 3. Các đặc tính của cầu: a) Bù nhiệt: Phần lớn các miếng đo biến dạng hiện nay đều có khả năng tự động cân bằng. Thí dụ, một miếng đo được cân bằng cho phép về lý thuyết sẽ không cho thấy sự thay đổi điện trở nào khi miếng thép mà miếng đo được dán lên sẽ giãn nở khi nhiệt độ thay đổi. Đặc tính tự cân bằng này có được là nhờ việc xử lý nhiệt áp dụng cho kim loại dùng để chế tạo ra miếng đo. Cách xử lý nhiệt này chỉ có hiệu quả trong một tầm nhiệt độ giới hạn nào đó. Bằng cách dùng cầu Wheatstone ta cũng có thể chế tạo mạch cân bằng nhiệt độ. Như đã biết, sự thay đổi nhiệt độ của 2 nhánh cầu kề nhau sẽ tự triệt tiêu nên miếng đo cân bằng D được nối vào mạch cầu Wheatstone với miếng đo hữu công A. (xem hình vẽ). Mạch cân bằng nhiệt độ. Miếng đo D cũng có cùng tính chất như miếng đo A và cũng được dán lên khối vật liệu; trong khi dán các miếng đo, khối vật liệu thử nghiệm này không bò chòu một lực tác động nào. Ngoài ra 2 miếng đo A&D nên được đặt gần với nhau càng tốt; tất cả sự thay đổi nhiệt độ chung cả hai miếng đo này sẽ được triệt tiêu và nó sẽ tự cân bằng nhiệt độ. b) Sự kết hợp các miếng đo: R3 R4 R2 R1 E V D A Active Dumm R3 R4 R2 R1 V Cầu Wheatstone cho phép kết hợp nhiều miếng đo hữu công. Hình trên cho thấy bốn miếng đo được dán lên thanh mẫu. Khi thanh mẫu bò kéo ra khỏi bởi lực P, những biến dạng tương tự sẽ là: : hệ số Poisson. A: tiết diện ngang. E: Modun đàn hồi. Bốn miếng đo như vậy tạo thành cầu Wheatstone nên điện áp ở đầu ra sẽ là: Độ uốn của thanh mẫu sẽ được cầu Wheatstone cảm nhận vì các miếng đo 1 và 3 ( cũng như 2&4) sẽ cộng các biến dạng có dấu nghòch với nhau và như thế sẽ tự triệt tiêu theo nhiệt độ. Đây là nguyên lý được dùng thường xuyên trong việc thiết kế các bộ cảm biến. . 1 2 K Em E 2)&1thức biểucáclại(xem 4 VF K .Và . 42 21 EA P . tính chất như miếng đo A và cũng được dán lên khối vật liệu; trong khi dán các miếng đo, khối vật liệu thử nghiệm này không bò chòu một lực tác động nào. Ngoài ra 2 miếng đo A&D nên được. hai miếng đo này sẽ được triệt tiêu và nó sẽ tự cân bằng nhiệt độ. b) Sự kết hợp các miếng đo: R3 R4 R2 R1 E V D A Active Dumm R3 R4 R2 R1 V Cầu Wheatstone cho phép kết hợp nhiều miếng đo hữu. là 2 4 4 3 3 2 2 1 1 4 R R R R R R R R V Em Mạch cầu cân bằng ban đầu Em R1 R2 R3 R4 V Ra Rb một thế kế nhiều vòng. Trong phần lớn thường sử dụng R a =20 k, R b =40k