Laboration 2 Instrumentförstärkare och töjningsgivare

Transkript

1 Laboration 2 Instrumentförstärkare och töjningsgivare 1

2 1 Introduktion Denna laboration baseras på två äldre laborationer (S4 trådtöjningsgivare samt Instrumentförstärkare). Syftet med laborationen är att via en praktisk mätuppgift bekanta sig med instrumentförstärkare och trådtöjningsgivare för mätning av kraft. 1.1 Förberedelseuppgifter 1. Hur definieras töjning? 2. Hur definieras givarfaktorn för en trådtöjningsgivare? 3. Temperaturdrift är ett vanligt förekommande problem vid användning av trådtöjningsgivare. Vad beror detta på? 4. Om det finns utrymme så används sällan bara en trådtöjningsgivare. I stället använder man två eller fyra stycken. Varför? 5. Om fyra stycken trådtöjningsgivare är limmade på en balk (två på ovan- och två på undersidan) hur bör då dessa då kopplas i en mätbrygga? 2 Material I denna laboration har du tillgång till Operationsförstärkare, instrumentförstärkare Kopplingsdäck Diverse passiva komponenter Digital multimeter Plåtbleck med påklistrade trådtöjningsgivare Vikter 3 Uppgifter 3.1 En egenhändigt byggd instrumentförstärkare I denna uppgift ska du konstruera en instrumentförstärkare med hjälp av tre OP enligt principschemat nedan. Denna uppgift kan ta lång tid att få fungera perfekt, så lägg maximalt 30 min på den. a) Tag fram det allmänna uttrycket för sambandet U ut/u in. Var tydlig med vilka antaganden du gör om de olika resistanserna i kretsen. Ett tips är att sätta de två resistanserna närmast R G till ett och samma värde samt de fyra övriga till ett annat värde. b) Beräkna det teoretiska värdet på R G om man vill ha en differentiell förstärkning U ut/u in= 10 ggr. c) Välj en operationsförstärkare och komplettera figuren nedan så att du får ett fullständigt kopplingsschema. d) Bygg en instrumentförstärkare enligt kopplingsschemat. Kontrollera att förstärkningen vid låga frekvenser är korrekt. Öka stegvis frekvensen och kontrollera utsignalen. Vilken bandbredd har kretsen (vid vilken frekvens har utsignalen minskat med 3 db)? 2

3 e) Koppla ihop ingångarna och koppla in en Common-Mode-signal på 1 V (amplitud) och undersök CM-undertryckningen. Ungefär hur stor är utsignalen? Hur stor är CMRR uttryckt i db? Försök göra mätningar mellan 10 Hz och Hz. 3.2 Färdigbyggd instrumentförstärkare Man brukar inte bygga egna instrumentförstärkare utan man använder sig av kretsar med förstärkare och resistorer hopbyggda i en kapsel. En sådan krets kan t.ex. vara INA128. Denna krets har, vilket är vanligast, R G placerad utanför kapseln för att göra det lättare att bestämma förstärkningen. a) Koppla upp en INA128 (eller annan krets) så att du får samma förstärkning som kretsen i föregående uppgift. b) Bestäm experimentellt vilken bandbredd kretsen har. Vilken bandbredd har kretsen enligt förstärkarens datablad? c) Vilket värde på CMRR har kretsen? Vad anger databladet för värde? 3

4 3.3 Våg I denna uppgift skall du konstruera en brevvåg (eller en pappersräknare) för A4-papper. Du skall använda dig av plåtblecket med påklistrade trådtöjningsgivare och lämplig elektronik. Resultatet visas på displayen på en digital multimeter i gram. Mätområdet skall vara g. Tips: 10 st A4 väger ca 50 g. Denna uppgift kan kräva en del arbete med elektroniken. Det viktiga här är att få fram en mätsignal så kopplingen går att kalibrera (med förstärkarkoppling eller på datorn med Excel). 4 Redovisning Redovisa uppgifterna i samband med laborationstillfället eller enligt lärarens anvisningar. I det fallet att uppgift 3.3 skall redovisas i form av en skriftlig rapport gäller följande: Redovisa hur du har löst uppgiften. Rapporten skall vara så detaljerad att en person på din egen kunskapsnivå kan reproducera ditt arbete. Du skall även redovisa hur bra din mätuppställning blev (diagram på utspänningen som funktion av vikt, noggrannhet, linjäritet etc.). 4

5 Bilaga 1 Allmänt Alla material töjs när de utsätts för mekanisk påkänning. Töjningen kan vara positiv eller negativ, beroende på om materialet påverkas av en drag- eller tryckkraft. I många tekniska sammanhang har man intresse av att mäta töjningar. Det kan exempelvis vara fråga om att bestämma påkänningar i materialet i en maskindel. Om man kan mäta töjningen i en punkt, kan man sedan med hjälp av hållfasthetslärans lagar bestämma påkänningen i punkten. Krafter, vridmoment etc. kan också mätas indirekt genom att man mäter töjningen i speciellt utformade mätstavar eller mätaxlar. Töjningen i ett material definieras som ε = l l där l är mätkroppens obelastade längd och Δl är längdförändringen. ε ligger vid normala påkänningar i området 10-6 till Ofta uttrycks töjningen i μstrain. 2 Resistiva töjningsgivare En metalltråd som utsätts för en dragkraft töjs. Om tråden har längden l, diametern d och resistiviteten ρ, gäller för dess resistans att R = ρ l A = ρ 4l πd 2 Om tråden töjs ökar dess längd till l+δl. Samtidigt kommer diametern att påverkas så att den blir mindre. Man kan även påvisa förändringar i resistiviteten. Alla dessa förändringar medför att trådens resistans ändras till R+ΔR. Töjningen, dvs den relativa längdförändringen ger upphov till en relativ resistansförändring ε = l l r = R R För att beskriva en viss givares egenskaper anges givarfaktorn S och definieras som r = Sε För vissa metaller är S konstant och oberoende av töjningen. Detta medför att givaren med god noggrannhet är linjär. 3 Töjningsgivarens uppbyggnad Givare som är avsedda att klistras på mätobjektet består av en tunn metalltråd eller metallband, vanligen av konstantan. Tråden ligger i slingor mellan två folier av plast. Foliens tjocklek är mm. Trådens diameter är av samma storleksordning. I ändarna är tjockare anslutningstrådar eller anslutningsbleck fastsvetsade. 5

6 Man vill att töjningsgivare i huvudsak skall vara känsliga för töjning endast i sin längdriktning. En viss känslighet har den dock i tvärriktningen på grund av slingändarnas inverkan. För att minska tvärkänsligheten använder man i regel inte metalltråd utan metallband i form av en tunn metallfolie. Genom att göra folien bredare vid slingornas ändar kan tvärkänsligheten i regel försummas. 6