Rangkaian jembatan Wheatstone populer dan sangat efektif implementasi dari teknik ratiometric. Rangkaian dasar ditunjukkan pada fig.4.40, impedansi Z dapat bersifat aktif atau reaktif, yaitu mereka mungkin baik resistensi sederhana, seperti di resistif PIEZO-alat pengukur, atau kapasitor, atau induktor. Untuk resistor, impedansi adalah R, Capasitor yang ideal, besarnya dari impedansi sama dengan 1/2πfC dan untuk induktor itu 2πfL, dimana f adalah frekuensi arus melewati elemen. Jembatan tegangan keluaran diwakili oleh:

Jembatan dianggap berada dalam keadaan setimbang ketika kondisi berikut dipenuhi:

Di bawah kondisi seimbang. Tegangan keluaran adalah nol. Ketika setidaknya satu perubahan impedansi, jembatan menjadi tidak seimbang dan tegangan keluaran berjalan baik dalam arah positif atau negatif, tergantung pada arah perubahan impedansi. Untuk menentukan sensitivitas jembatan terhadap setiap impedansi (kalibrasi konstan) sebagian dapat diperoleh dari Persamaan. (4,55).

Dengan menjumlahkan persamaan ini, kita memperoleh kepekaan jembatan.

Sebuah pemeriksaan lebih dekat Persamaan. (4,58) menunjukkan bahwa hanya pasangan yang berdekatan impedansi (yaitu Z₁ dan Z₂, Z₃ dan Z₄) harus identik untuk mencapai ratiometric kompensasi (seperti suhu stabilitas, drift, dll). Perlu dicatat bahwa impedansi di jembatan seimbang tidak harus sama, selama keseimbangan rasio (4,56) adalah statisfied. Dalam banyak sirkuit praktis, hanya satu impedansi digunakan sebagai sebuah sensor, sehingga untuk Z₁, jembatan sensitivitas menjadi:

Sensitivitas rangkaian jembatan yang biasanya digunakan dengan alat ukur regangan, tekanan piezoresistive transduser, termistor termometer, dan sensor lain ketika kekebalan terhadap faktor-faktor lingkungan yang diperlukan. Pengaturan serupa digunakan dengan kapasitif sensor magnetic untuk mengukur gaya, perpindahan, kelembaban, dll

Gambar 4.41 Dua metode menggunakan rangkaian jembatan. J: jembatan keseimbangan dan B: seimbang jembatan dengan kontrol umpan balik.

Disbalanced Jembatan

Jembatan Wheatstone dasar rangkaian (fig.4.41A) umumnya beroperasi dengan jembatan keseimbangan. Hal ini disebut metode pengukuran defleksi. Hal ini didasarkan pada mendeteksi tegangan melintasi jembatan diagonal. Jembatan tegangan keluaran adalah fungsi nonlinier yang mengacaukan keseimbangan Δ Namun, perubahan kecil (Δ < 0,05) itu mungkin dianggap quasi linier. Jembatan sensitivitas maksimum diperoleh ketika R₁ = R₂ dan R₃ = R ketika R₁>> R₂ atau R₂>> R₁, jembatan tegangan keluaran berkurang. Dengan asumsi bahwa k = R₁/R₂, jembatan sensitivitas dapat dinyatakan sebagai:

Sebuah grafik normal dihitung menurut persamaan ini ditunjukkan pada fig.4.42 ini mengindikasikan bahwa sensitivitas maksimum dicapai pada k = 1, namun relatif sedikit tetes sensitivitas untuk rentang di mana 0,5 < k <2. Jika jembatan diberi makan oleh sebuah sumber arus, bukan oleh sebuah sumber tegangan, tegangan output Δ kecil dan komponen variabel tunggal diwakili oleh:

di mana I adalah eksitasi arus.

Jembatan Balanced Null

Cara lain untuk keseimbangan adalah dengan menggunakan rangkaian jembatan nul. Metode mengatasi pembatasan perubahan kecil (Δ) di lengan jembatan untuk mencapai linearitas yang baik. Saldo nol pada dasarnya mensyaratkan bahwa jembatan selalu mainteined di negara seimbang. Untuk memenuhi kebutuhan jembatan keseimbangan (4,56), lengan lain jembatan harus bervariasi bersama dengan lengan yang digunakan sebagai sebuah sensor.

Gambar 4,42. Sensitivitas dari jembatan disbalanced sebagai fungsi dari rasio impedansi.

4.41B menggambarkan konsep ini. Sebuah rangkaian kontrol memodifikasi nilai R₃ pada perintah dari kesalahan penguat. Tegangan keluaran dapat diperoleh dari sinyal kontrol dari lengan menyeimbangkan R₃. Sebagai contoh, kedua R_V dan R₃ dapat photoresistors. R₃ photoresistor yang bisa dihubungkan dengan Dioda cahaya (LED) yang dikendalikan oleh penguat kesalahan. Arus melalui LED menjadi ukuran resistensi RV, dan kemudian, dari intensitas cahaya yang dideteksi oleh sensor.

Kompensasi suhu resistif Jembatan

Sambungan dari empat komponen resistif dalam konfigurasi jembatan Wheatstone digunakan cukup luas dalam pengukuran suhu, gaya, tekanan, medan magnetik, dsb Dalam banyak aplikasi ini, kepekaan resistor menunjukkan sensitifitas suhu. Hal ini menyebabkan suhu sensitivitas fungsi transfer, yang dengan menggunakan pendekatan linier dapat dinyatakan oleh eq. (2.1). Dalam setiap detektor, kecuali yang ditujukan untuk pengukuran suhu, suhu ini ketergantungan memiliki efek yang sangat undersirable biasanya harus diberikan kompensasi atas. Salah satu cara untuk melakukan kompensasi adalah pasangan detektor dengan temperatur perangkat sensitif, yang dapat menghasilkan suhu sinyal terkait untuk koreksi elektronik. Cara lain untuk melakukan kompensasi suhu untuk memasukkan jembatan direcly ke rangkaian. Mari kita analize pada sinyal output jembatan Wheatstone sehubungan dengan sinyal eksitasi Ve. Kami menganggap semua empat lengan di jembatan yang responsif terhadap rangsangan dengan koefisien sensitivitas, α, sehingga masing-masing resistor memiliki nilai.

di mana R adalah resistansi nominal, s adalah rangsangan (misalnya, tekanan atau gaya) dan kepekaan, α, didefinisikan sebagai.

tegangan keluaran dari jembatan itu.

mana V₀ adalah tegangan offset yang dihasilkan dari ketidakseimbangan jembatan awal. Jika jembatan tidak benar seimbang. Tegangan offset yang dapat menjadi sumber kesalahan. Namun, pemangkasan yang tepat jembatan baik dengan sensor selama pabrikasi atau aplikasi aparat dapat mengurangi kesalahan ini ke tingkat yang dapat diterima. Dalam setiap peristiwa, bahkan jika tegangan offset yang tidak benar dikompensasi, suhunya biasanya adalah beberapa variasi urutan besarnya lebih kecil daripada sensor fungsi transfer. Dalam diskusi ini. Kami menganggap suhu V₀ independen (dV₀/dT = 0). Namun, untuk rentang temperatur yang luas (lebih luas dari ± 150C) V₀ tidak boleh diabaikan.

Dalam sensitivitas α Eq.4.62 umumnya suhu tergantung bagi banyak sensor dan merupakan sumber utama ketidaktelitian. Maka dari α Eq.4.63 yang mungkin berbeda jika R adalah tergantung suhu atau ketika dR / ds adalah tergantung suhu. Jika jembatan memiliki koefisien temperatur positif resistivitas, koefisien α berkurang dengan temperatur, atau dikatakan, ia memiliki TCS negatif (suhu koefisien sensitivitas). Mengambil derivatif parsial terhadap suhu T. Dari Eq.4.64 kita sampai pada:

Solusi dari persamaan ini adalah kasus ketika sinyal output tidak berbeda dengan suhu ƏVout / ƏT = 0. Kemudian, maka berlaku:

dan akhirnya

Di atas merupakan syarat untuk kompensasi suhu yang ideal dari sebuah jembatan Wheatstone sepenuhnya simetris. Yaitu, untuk mengkompensasi variasi suhu α, tegangan eksitasi, Ve, harus berubah dengan suhu pada kecepatan yang sama dan dengan tanda berlawanan. Untuk mengontrol Ve, beberapa sirkuit yang terbukti berguna [11]. Gambar 4,43 menunjukkan sebuah rangkaian umum yang mencakup jaringan kompensasi suhu untuk mengontrol tegangan Ve melintasi jembatan sesuai dengan fungsi yang telah ditetapkan temperatur. Beberapa pilihan dari kompensasi temperatur jaringan mungkin.

Penggunaan sensor suhu sebagai bagian dari jaringan kompensasi. Seperti jaringan dapat diwakili oleh R_tB. Kemudian, tegangan melintasi jembatan adalah: impedansi yang setara, sementara seluruh jembatan dapat diwakili oleh perlawanan setara R

Mengambil derivatif terhadap suhu kita mendapatkan

Dan mensubstitusikan (4.14) ke (4.15) kita sampai pada kondisi kompensasi:

Jembatan Amplifiers

Jembatan amplifier untuk sensor resistif mungkin yang paling sering digunakan antarmuka sensor sirkuit. Mereka mungkin dari beberapa konfigurasi, tergantung pada landasan jembatan yang diperlukan dan ketersediaan baik didasarkan atau mengambang tegangan referensi. Gambar 4.45A memperlihatkan apa yang disebut jembatan aktif, di mana sebuah resistor variabel (sensor) adalah mengambang, yaitu terisolasi dari tanah, dan terhubung ke dalam umpan balik dari OPAM. Jika sebuah sensor resistif dapat dimodelkan oleh fungsi orde pertama:

kemudian, fungsi transfer rangkaian ini adalah:

Sebuah rangkaian dengan jembatan terapung dan mengambang sumber tegangan referensi V ditunjukkan dalam Fig.4.45B. Rangkaian ini dapat memberikan keuntungan yang ditentukan oleh resistor umpan balik yang nilainya nR₀:

Sebuah jembatan dengan asimetris resistor (R != R₀) dapat digunakan dengan rangkaian yang ditunjukkan pada Fig.4.45C. Hal ini membutuhkan referensi mengambang sumber tegangan V:

Gambar 4.45. sambungan penguat operasional untuk jembatan rangkaian resistif (disbalanced mode)

ketika sebuah sensor resistif didasarkan dan keuntungan dari rangkaian antarmuka yang diinginkan, skematis ditunjukkan pada Fig.4.45D dapat digunakan. Its fungsi transfer ditentukan dari

ketika jembatan yang sangat seimbang, tegangan keluaran Vout adalah sama dengan setengah dari jembatan tegangan eksitasi + V. Untuk lebih memanfaatkan penguat operasional gain loop terbuka, nilai n tidak boleh melebihi 50.

Gambar 4.46 menunjukkan sebuah diagram rangkaian penguat diferensial untuk tekanan piezoresistive transducer. Penguat menggabungkan sensor suhu KTY (philips) dengan koefisien temperatur positif. Sensor harus dalam coupling termal yang intim dengan jembatan, yaitu ini harus dimasukkan ke dalam perumahan yang sama seperti tekanan transducer. Sensor suhu efek gain tahap pertama dari sebuah penguat diferensial memberikan kompensasi bagi silikon TCR jembatan resistor.

H. Transmisi Data

Dua-Wire Transmission

Dua kawat pemancar digunakan untuk beberapa sensor untuk mengontrol dan pemantauan perangkat dalam proses industri [12]. ketika misalnya pengukuran temperatur diambil dalam proses, 2-kawat pemancar relay bahwa pengukuran ke ruang kontrol atau antarmuka pengukuran proses langsung ke controller. Dua kabel dapat digunakan untuk mengirim baik tegangan atau arus Namun, saat ini diterima sebagai sebuah standar industri. Ini bervariasi dalam berkisar dari 4 sampai 20 mA yang mewakili seluruh rentang input rangsangan. Nol rangsangan sesuai dengan 4 mA sementara maksimum adalah 20 mA. Ada dua keuntungan dari penggunaan tegangan arus bukan seperti yang digambarkan dalam ara. 4,47. Sebuah sensor terhubung dengan apa yang disebut dua kawat pemancar yang mengubah sinyal output ke dalam arus. Pada intinya, pemancar adalah sebuah sumber arus (generator arus) yang memiliki resistansi keluaran sangat tinggi. Dua kabel dari loop arus, yang pada sisi sensor memiliki sensor dan dua kawat pemancar, sementara di sisi controller memiliki resistor beban dan catu daya yang terhubung secara seri. Pertama keuntungan dari pengaturan ini adalah bahwa resistansi kabel tidak berpengaruh pada arus yang mengalir dalam lingkaran, karena sumber arus resistansi keluaran tinggi.

Gambar 4.47 Dua kawat 20mA transmisi data analog

Dalam rangkaian pengiriman tegangan, resistansi kawat akan menimbulkan masalah yang signifikan, terutama jika jarak transmisi panjang. Keuntungan lain adalah bahwa arus yang sama yang membawa informasi ini juga digunakan oleh pemancar dan sensor untuk menyediakan daya operasi mereka. Obvioustly, bahkan untuk sinyal keluaran terendah yang menghasilkan 4 mA saat ini, bahwa 4 mA harus cukup untuk menyalakan transmisi sisi loop. Arus loop menyebabkan jatuh tegangan pada resistor beban pada sisi controller. Tegangan ini adalah sinyal yang diterima yang sesuai untuk diproses lebih lanjut oleh sirkuit elektronik.

Empat-Wire Sensing

Kadang-kadang, itu diinginkan untuk menghubungkan sensor resistif ke antarmuka yang terletak jauh sirkuit. Ketika seperti sebuah sensor memiliki resistensi yang relatif rendah (misalnya, itu adalah normal bagi PIEZO-resistor atau RTDs memiliki resistensi di urutan 100 ohm), resistansi kawat menghubungkan menimbulkan masalah serius. Masalah dapat diselesaikan dengan menggunakan apa yang disebut metode 4-kawat (fig.4.48A). Hal ini memungkinkan kita untuk mengukur resistansi dari resistor jauh tanpa mengukur resistansi menghubungkan konduktor. Sebuah resistor yang merupakan subjek pengukuran terhubung ke antarmuka rangkaian melalui empat daripada melalui dua kawat. Dua kabel yang terhubung ke sebuah sumber arus dan dua orang lain untuk voltmeter. Sebuah arus konstan yang mendorong melalui loop hampir terlepas dari resistensi r dalam loop. Impedansi input dari sebuah voltmeter sangat tinggi, maka tidak ada arus yang dialihkan dari loop arus ke volmeter. Jatuh tegangan resistor ecross Rx adalah

Gambar 4.48. pengukuran jauh resistensi. J: kawat empat metode, B: enam-kawat pengukuran dari sebuah jembatan.

Yang independen dari setiap resistensi r dari kabel penghubung. Kabel 4-metode yang sangat ampuh cara mengukur resistensi dari detektor terpencil dan digunakan dalam industri dan sains cukup ekstensif.

Enam-Wire Sensing

ketika sebuah rangkaian jembatan Wheatstone berlokasi jarak jauh, tegangan ecross jembatan memainkan peran penting dalam stabilitas suhu jembatan, seperti yang ditunjukkan dalam sec.4.7. Tegangan yang baik sering harus diukur atau dikendalikan. Panjang kabel transmisi tidak dapat diterima mungkin memperkenalkan resistansi tinggi secara seri dengan tegangan eksitasi jembatan yang mengganggu dengan kompensasi suhu. Masalah dapat diselesaikan dengan menyediakan dua kabel tambahan untuk memberi makan jembatan dengan tegangan dan untuk mendedikasikan dua kawat untuk mengukur tegangan melintasi jembatan (fig.4.48B). Tegangan eksitasi yang sebenarnya melintasi jembatan dan jembatan diferensial tegangan keluaran diukur oleh impedansi masukan tinggi volmeter dengan arus masukan kecil sehingga dapat diabaikan. Dengan demikian, jembatan yang akurat tegangan yang tersedia di situs pemrosesan data tanpa dipengaruhi oleh panjang jalur transmisi.

Telemetri

Istilah telemetri mengacu pada transmisi data menggunakan frekuensi tinggi carrier dengan beberapa jenis modulasi. Satu blok diagram sistem telemetri multichannel (fig.4.49A) mirip dengan sebuah sistem akuisisi data umum (Gbr. 1.2) kecuali bahwa ini terkait dengan pemrosesan dan merekam bagian dari sistem melalui saluran radio. Sehingga keluaran dari sensor dan / atau diberi masukan conditioner sinyal ke sebuah multiplekser (MUX) yang menggabungkan mereka ke dalam sebuah sinyal komposit. Hal ini dilakukan dengan metode pembagian waktu, sebuah multiplekser adalah kombinasi dari analog gerbang. ni memiliki beberapa input dan satu output. Sebuah sinyal komposit terdiri dari urutan langkah-langkah di mana masing-masing mewakili satu sensor. Semua sensor yang bertanya secara seri dengan frekuensi yang didefinisikan oleh rumus berdasarkan Teorema Shannon F> 2fmax

Gambar 4.49 Blok Diagram (A) dan beberapa sinyal (B) dalam sistem telemetri radio dengan modulasi AM-FM

mana f_max adalah frekuensi tertinggi sinyal sensor dan F adalah frekuensi multiplexing. Dalam prakteknya, F adalah dipilih setidaknya 4 kali lebih tinggi daripada f_max. Peningkatan lebih lanjut dalam F tidak meningkatkan kesetiaan sinyal reproduksi. Namun hal itu mungkin ada beberapa kesulitan dalam transmisi data. Jika sampling periode T = 1 / F terlalu pendek, waktu mungkin tidak cukup memadai untuk transmisi data dan pengolahan. Sinyal dari multiplekser boleh pergi ke RF-modulasi, yang berfungsi untuk memodifikasi frekuensi radio dari RF-osilator dengan multiplexing sinyal komposit. Gambar 4.49B menunjukkan bahwa RF-perubahan modulasi frekuensi osilator sebanding dengan setiap langkah dari sinyal komposit. Yang diubah (dimodulasi) RF-sinyal yang ditransmisikan oleh pemancar radio. Untuk membuat pengiriman data lebih tahan suara, sub tambahan langkah modulasi dapat digunakan untuk mengirimkan data melalui saluran radio. Modulasi yang paling populer yang ditampilkan pada tabel 4,3

Sebuah sinyal termodulasi diterima oleh penerima radio dan demodulated untuk merekonstruksi sinyal asli, sehingga setiap pengukuran dapat ditampilkan dan dievaluasi secara individual. Gambar 4.50 menunjukkan metode yang berbeda sub-modulasi yang umumnya digunakan untuk sistem multi-channel.

Selain pembawa frekuensi radio, metode lain transmisi data yang mungkin. Sebagai contoh, sebuah telemetri air dapat menggunakan operator akustik dengan sub-modulasi yang sama seperti yang ditunjukkan pada fig.4.50. Jarak yang relatif pendek, ketika visi langsung antara pemancar dan penerima dapat dibuat, dan sinar inframerah dapat digunakan untuk membawa informasi. Namun, pengiriman optik dapat mengalami polusi udara, kabut dan obstruktif objek buram.