تُستخدم دوائر الجسور على نطاق واسع في الهندسة الكهربائية لقياس المعلمات الفيزيائية مثل الإجهاد، والحرارة، والضغط، والإزاحة باستخدام المُحولات. تُحول المُحولات الكميات الفيزيائية إلى إشارات كهربائية، وعادة ما تكون على شكل تغييرات في المقاومة. ومع ذلك، غالبًا ما تكون العلاقة بين المعلمة الفيزيائية وجهد خرج دائرة الجسر غير خطية، خاصةً عندما يحتوي ذراع واحد فقط من الجسر على المُحول. يمكن أن تؤدي هذه اللاخطية إلى قياسات غير دقيقة وتُعقد تحليل البيانات.
خطية الجسر تهدف إلى معالجة هذه المشكلة عن طريق تعديل دائرة الجسر للحصول على علاقة أكثر خطية بين المعلمة الفيزيائية وجهد الخرج. وهذا يسمح بقياسات أكثر دقة وتجهيز أسهل للبيانات.
لماذا الخطية ضرورية؟
طرق تحقيق خطية الجسر:
تقليل حساسية الجسر: يركز هذا الأسلوب على تقليل حساسية دائرة الجسر لتغيرات مقاومة المُحول. يمكن تحقيق ذلك من خلال:
استخدام مُحولين: يتضمن هذا الأسلوب استخدام مُحولين يولدان إشارات ذات علامات متقابلة. يتم توصيل هذه المُحولات إلى أذرع متقابلة من الجسر. يعكس جهد الخرج الناتج الفرق بين إشارات المُحولين، مما يؤدي إلى خرج أكثر خطية. تكون هذه الطريقة فعالة بشكل خاص في التطبيقات التي يكون تأثير المعلمة المقاسة متماثلًا على المُحولات، مثل زوج من مقاييس الإجهاد لقياس انحناء شعاع.
إثارة مصدر التيار: يتم تشغيل دوائر الجسور التقليدية بواسطة مصادر الجهد. ومع ذلك، فإن استخدام مصدر تيار بدلاً من ذلك يوفر تيارًا ثابتًا عبر الجسر، بغض النظر عن مقاومة المُحول. وهذا يلغي تأثير تغييرات المقاومة على جهد الخرج، مما يؤدي إلى استجابة أكثر خطية.
اعتبارات التصميم لخطية الجسر:
فوائد خطية الجسر:
من خلال دمج تقنيات خطية الجسر، يمكن للمهندسين تحقيق قياسات أكثر دقة وموثوقية باستخدام دوائر الجسور القائمة على المُحولات. وهذا يؤدي إلى بيانات أكثر دقة، وتحكم أفضل في العمليات الفيزيائية، وتحسين أداء النظام بشكل عام.
Instructions: Choose the best answer for each question.
1. Which of the following is NOT a benefit of bridge linearization?
a) Improved accuracy b) Simplified data analysis c) Increased measurement range
d) Reduced cost
2. Why is bridge linearization necessary for transducer applications?
a) To increase the sensitivity of the bridge circuit. b) To ensure a linear relationship between the physical parameter and the output voltage. c) To simplify the design of the transducer circuit.
b) To ensure a linear relationship between the physical parameter and the output voltage.
3. Which method involves using two transducers with opposite signs to achieve linearization?
a) Reduction of bridge sensitivity b) Using two transducers c) Current source excitation
b) Using two transducers
4. What is the primary advantage of using a current source to power a bridge circuit for linearization?
a) It increases the sensitivity of the bridge circuit. b) It reduces the influence of resistance changes on the output voltage. c) It simplifies the calibration process.
b) It reduces the influence of resistance changes on the output voltage.
5. Which design consideration for bridge linearization is crucial for ensuring accurate measurements?
a) Transducer selection b) Bridge circuit configuration c) Calibration
c) Calibration
Scenario: You are designing a strain gauge system to measure the bending of a beam. The strain gauges are mounted on the beam to measure the strain on both the top and bottom surfaces. The strain gauges have a non-linear response and are connected to a Wheatstone bridge circuit.
Task:
1. **Bridge linearization is necessary** because the strain gauges exhibit a non-linear response, meaning the output voltage of the bridge will not be directly proportional to the strain. This non-linearity can lead to inaccurate measurements, particularly at higher strain values. 2. **A suitable bridge linearization method** for this scenario is **using two transducers** (strain gauges in this case). By placing the strain gauges on the top and bottom surfaces of the beam and connecting them to opposite arms of the Wheatstone bridge, the output voltage will be proportional to the difference in strain between the two surfaces. This difference is directly related to the bending of the beam, providing a more linear output. 3. **Advantages of this method:** * **Improved linearity:** By utilizing the difference in strain between the top and bottom surfaces, the non-linearity of individual strain gauges is effectively cancelled out, leading to a more linear response. * **Increased sensitivity:** The output voltage is amplified as it reflects the difference in strain, providing higher sensitivity to bending. **Disadvantages of this method:** * **Requires two transducers:** This increases the cost and complexity of the system. * **Alignment is crucial:** The strain gauges must be precisely aligned to ensure accurate measurement of the bending.
Comments