Цифровой динамометр

 

ЦИФРОВОЙ ДИНАМОМЕТР, содержащий датчики деформации упругого элемента, усилитель и соединенный с ним цифровой вольтметр, счетчик времени , генератор импульсов и логический блок, блок питания, о т л и -: чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличения амплитуды и уменьшения скважности питatoщeгo тензомост напряжения, в него введены два амплитудных детектора , два аналоговых устройству долговременной памяти, два коммутатора , блок масштабных делителей напряжения , два повторителя напряжения , схема сравнения и генератор импульсов , содержащий цепь управления и четыре ключа, подключенных попарно к шинам противоположной полярности источников напряжения по мостовой схеме, а цепи управления пары ключей соединены с соответствующей группой RC-цепей и диодов, при этом выход усилителя через два амплитудных детектора и блок масштабных делителей связан с первым коммутатором, первый i и второй выходы которого соединены через соответствующие повторители напря (Л жения с BTOpbiM коммутатором и блоком аналоговой памяти отрицательного напряжения , а первый выход второго коммутатора соединен с вольтметром, второй выход - с аналоговой памятью положительного напряжения, третий выход - со схемой сравнения, четвер00 тый выход - со счетчиком времени. ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ Х

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 ? 5 02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ ( (21) 3715509/24-10 (22) 28.03.84 (46) 15. 10.85. Бюл. ¹ 38 (72) И.Х.Сегалис, В.Ю.Виткявичюс и К.П.Вилимас (71) Проектно-конструкторское бюро

"Пунтукас". (53) 531.781(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 463882, кл. С 01 L 5/02, 1971.

Авторское свидетельство СССР № 637739, кл. G 01 L 5/02, 1977. (54)(57) ЦИФРОВОЙ ДИНАМОМЕТР, содержащий датчики деформации упругого элемента, усилитель и соединенный с ним цифровой вольтметр, счетчик времени, генератор импульсов и логический блок, блок питания, о т л и — . ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличения амплитуды и уменьшения скважности пита1ощего тензомост напряжения, в него введены два амплитудных детектора, два аналоговых устройства

„„Я0„„1185130 А долговременной памяти, два коммутатора, блок масштабных делителей напряжения, два повторителя напряжения, схема сравнения и генератор импульсов, содержащий цепь управления и четыре ключа, подключенных попарно к шинам противоположной полярности источников напряжения по мостовой схеме, а цепи управления пары ключей соединены с соответствующей группой

RC цепей и диодов, при этом выход усилителя через два амплитудных детектора и блок масштабных делителей связан с первым коммутатором, первый и второй выходы которого соединены через соответствующие повторители напряжения с вторым коммутатором и блоком аналоговой памяти отрицательного напряжения, а первый выход второго коммутатора соединен с вольтметром, второй выход — с аналоговой памятью положительного напряжения, третий выход — со схемой сравнения, четвер.тый выход — со счетчиком времени, 1185130

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследований способности мышц руки к физическим нагрузкам, выносливости, а также способности к распознаванию малых разли— чий усилия, особенно в обласчи психофизиологических исследований,, профессиональной ориентации и спорта. 10

Целью изобретения является повышение точности измерения усилий.

На фиг.1 приведена блок-схема цифрового динамометра ; на фиг.2 — схема 15 генератора стабильных импульсов.

Цифровой динамометр содержит генератор 1 стабильных по амплитуде разнополярных симметричных импульсов.

Генератор 1 питается от стабилизато- 20 ра 2 напряжением положительной, а стабилизатора 3 — отрицательной полярности. По абсолютной величине на— пряжения обоих стабилизаторов с высокой точностью равны друг другу. Отри-25 цательный полюс стабилизатора 2 и положительный сгабилизатора 3 соединены в одну общую точку "0" (корпус). Генератор 1 выполнен на четырех ключах

4-7, содержащих попарно соединенные 30 транзисторы противоположного типа проводимости, причем ключи попарно подсоединены к шинам стабильного напряжения противоположной полярности стабилизаторов 2 и 3 и к выходным .ши.35 нам, образуя мостиковую схему. Цепи управления пары ключей 4 и 5 соединены с функциональной группой 8 из

RC-цепей и диодов и с одной выходной шиной 9. Функциональная группа 8 g0 подсоединена также к стабичизированному напряжению обеих полярностей и общей "0" точке. Выходная шина 9 подключена через функциональную группу 8 к цепям управления ключей 6 и7,подключенных к- второй выходной шине 10.

Генератор 1 подключается проводами к датчику 11 деформаций. Датчик 11 представляет собой четыре соединенных в мостовую схему тензорезистора,кото- g0 рые прикреплены с обеих сторон плоской пружины упругого элемента плоскопружинного динамометра. Такое конструктивное решение обеспечивает независимость показаний от температурных де- у формаций упругого элемента и самих тензорезисторов, а также способствует повышению чувствительности,поскольку два тензорезистора работают на растяжение, а два — на сжатие.

Другая диагональ моста датчика 11 соединена через согласующее устГойство 12 с входом усилителя 13. Устройство 12 предназначено для подавления восприимчивости усилителя 13 к выходному r.èãíàëó датчика 11 во время переходных процессов при переключении ключей генератора 1. Дифференциальный усилитель 12 имеет выполненные каждый на своем операционном усилителе микросхеме — два полностью идентичные по схеме, монтажу и параметрам пассивных элемента (особенно обратных связей), входных электрически симметричных канала усиления. Поэтому коэффициент подавления синфазных помех в данном усилителе весьма высок.

Выход усилителя подсоединен к входу канала l4 отрицательной полярности и канала 15 положительной полярности амплитудного детектора 16.

Между выходами каналов 14 и 15 амплитудного детектора 16 подключены масштабные делители 17 напряжения.

Коммутатор 18 предназначен для подключения того из масштабных делителей 17 напряжения, который соответствует диапазону шкалы упругого элемента, используемого при работе с прибором. С выходами коммутатора 18 соединены вход повторителя 19 напряжения положительной полярности и вход повторителя 20 напряжения отрицательной полярности. Коммутатор

21 имеет переключатели в режим "Измерение", соединяющие клеммы вольтметра 22 с выходами повторителей 19 и 20, а также выход повторителя 19 с одним из входов схемы 23 сравнения. Кроме того, выход повторителя

20 непосредственно соединен с аналоговым устройством 24 долговременной памяти.

В режиме Память" выходы устройства 24 и такого же устройства 25 для сигнала положительной полярности подключены через коммутатор 21 к клеммам вольтметра 22 вместо выходов повторителя 19 и 20, а выходы повторителей 19 и 20 подключены к входам устройства 24 и 25 долговременной памяти. Кроме того, к выходу устройства 25 постоянно подсоединен ,резистивный делитель 26, выход кото- рого подан на другой вход схемы 23 сравнения. Выход схемы 23 сравнения

1185

l3 l. >! ю»(. >l >i I > к>>»(j>ÿ > ребllit н»»я l:. >»»»Të счетчиь а .". »>1>е менп. Устройства долговременной памяти сбрасываются на нуль клавишеи Стирание памяти в коммутаторе 21. Также в коммутато5 ре 21 имеется клавиша сброса на нуль счетчика времени.

Генератор импульсов (фиг.2) состоит из четырех транзисторных ключей

4-7, представляющих собой пары транзисторов противоположного типа проводимости. В каждой ларе-ключе у входящих в пару транзисторов база одного соединена с коллектором другого. Ключ 4 состоит из транзисторов

28 и 29, ключ 5 содержит транзисторы 30 и 31, ключ 6 — транзисторы

32 и 33, а ключ 7 — транзисторы 34 и 35. Транзисторы 29, 31, 33 и 35 являются управляющими, а транзисторы 28, 30, 32 и 34 могут быть более мощными, поскольку через них при выдаче генератором импульсов протекает ток нагрузки. Конденсатор 36 является управляющим для ключа 4, 25 конденсатор 37 — переходньп» и служит для передачи импульса от ключей 4 и

5. Конденсатор 38 является управляющим для ключа 5. Резистор 39 и диод

40 служат для передачи импульса на управляющие цепи ключа 7, а резистор

41 и диод 42 — для той же цели в отношении ключа 6. Диоды 43 и 44 и резисторы 45 и 46 образуют зарядно-перезарядные цепи конденсатора 36. Ту

35 же функцию выполняет и резистор 47.

Диоды 48, 49 и 50, резисторы 47, 51 и 52 образуют зарядно-перезарядные цепи конденсатора 38. Резистор 53 входит вместе с резистором 47 также

40 в цепи заряда-разряда конденсатора

37. Форма импульсов генератора показана «а фиг.3. Пауза между импульсами Т)v >., где i — длительность ими льса.

Генератор работает следующим образомПри включении схемы положительный потенциал, действуя через незаряженный конденсатор 36, закрывает диод 50

43. Все ключи остаются закрытыми и генератор находится в своем первом стабильном состоянии, соответствующим паузе в его работе. Потенциал на шинах I u II равен нулю, поскольку 55 эти шины соединены с нулевой обшей точкой источников напряжения — стабилизаторов ? и 3. Происходит заряд

1 3() 4 кс нденсатора Зб по цепи: шина поло-. жительной полярности — диод 44 — резистор 45 — шина отрицательной полярности. Как только потенциал на обкладке конденсатора 36, соединенный с резистором 45, становится отрицательным по отношению к общей точке "0>, диод 43 открывается и по цепи: шина отрицательнои полярности — резистор

45 — диод 43 — эмиттерно †базов пе— реход транзистора 29 — шина Š— резистор 47 — общая "0" точка потечет ток, что приводит к лавинообразному открытию клю>»а 4. Шина Т оказывается соединенной с шиной положительного потенциала через транзистор 28.

Положительньп» потенциал с этой шины через переходньп» транзистор 37, резистор 39, диод 40 подается на эмиттер транзистора 35, база которого через шину ТТ и резистор 53 соединена с точкой "0 . Это приводит к лавинообразному открытию ключа 7 и подаче на шину ЕТ отрицательного потенциала шины стабилизатора 3 через транзистор 34. Открытие ключей 4 и 7 фактически является единым лавинообразным процессом в результате сложения соответствующих процессов для каждого из ключей.

Указанный процесс переводит генератор во второе стабильное состояние, когда шина I имеет положительньи» потенциал, а шина II — отрицательньп». Если длительность паузы при данной емкости С конденсатора

36 определяется сопротивлением резистора 45, то длительность второго стабильного состояния определяется тем же параметром резистора 46.

Действительно, при открытом диоде 43 и ключе 4 связанная с диодом

43 пластинка конденсатора 36 может рассматриваться в качестве наглухо соеди;»енной с шиной положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе Зб в момент открытия диода 43 было равно напряжению стабилизатора 2, то теперь потенциал обкладки конденсатора 36, связанной с диодом 44, становится вдвое вьппе этого напряжения, и диод 44 закрывается.

Начинается перезарядка конденсатора 36 по цепи: шина положительного потенциала — ключ 4 — диод 43 — конденсатор 36 — резистор 46 — шина отрицательного потенциала. Когда наI 185 I I!) пряжение на конденсаторе 36 становится близким к нулю, диод 44 открывается, диод 43 закрывается, и начинается снова зарядка конденсатора 36 через резистор 45, определяющий длительность паузы. Однако генератор переходит не в состояние паузы, а в третье стабильное состояние.

Во время первой после включения генератора паузы (как и во время последующих пауз) происходит практически мгновенная зарядка конденсатора 38 по цепи: общая точка "О" источников тока — резистор 47 — диод

50 — конденсатор 38 — диод ч8. Во время второго стабильного состояния генератора также практически мгновенно происходи-. дозаряд конденсатора 38 до полного напряжения между шинами источников тока по цепи шина положительного потенциала — ключ 4 шина I — диод 50 — резистор 52 диод 48. жительного потенциала — резистор

51 — конденсатор 38 — диод 49 — эмиттерно-базс!вьи! переход управляющего транзистора 31 — шина I — резистор

47 — общая точка "0" источников напряжения. Это приводит к лавинообразному процессу открывания ключа 5 и подачи на шину 1 через транзистор 30 отрицательного потенциала. Последний через переходный конденсатор 37, ди од 42, резистор 41 подается (с учетом соответствующего падения напряжения) на эмиттер транзистора 33, база которого через шину 1I и резистор 53 соединена с общей точкой "О" источников напряжения. Это приводит к протеканию тока через базо-эмиттерную цепь транзистора 33 и лавинообразному открытию ключа 6. Закрытие ключей 4 и 7 и открытие ключей 5 и 6 представляет собой единый лавинообразный процесс, переводящий генератор в его третье стабильное состояние.

В момент закрытия диода 43 в конце второго стабильного состояния генератора, когда закрывается ключ 4, а также в результате снятия положительного потенциала с шины I напряжением конденсатора 37 оказывается закрытым диод чО, что приводит к закрытию ключа 7, закрываются также напряжением на конденсаторе 38 диоды 50 и 48. Начинается перезаряд конденсатора 38 »а цепи: шина поло!

О

В »! !»! !»». тр» г!». о с ч:..» »! »! »!»! 1 (1я»1 (! я »!»! с . 3!!!иала »! о бк. с!:!! » »!» » 1! циала !8, с».»,!»»пенн»>й с !»!»эдом 48

Второ»! н!!же, ч».м поте »»!!иа На L!!7T!!». отрицател!пи!го гсотенциала »!сточников напряжения, диод 48 закрыт. Проис:ходит перезаряд конденсатора 38 по цеп!!: пиша положительного потенциала резистор 51 — конденсатор 38 — диод

49 — ключ 5 — шина отрицательного поте!!циала. Когда напряжение на конденсаторе 38 становится равным нулю, диод 48 открывается, диод 49 закрывается, ключ 5 закрывается, на шине I ! восстанавливается нулевой потенци»!л, закрывается диод 42, а значит и ключ

6. Схема скачком переходит в исходное первое стабильное состояние (состояние паузы).

Длительность третьего стабильного состояния при данной емкости конденсатора 38 определяется величиной сопротивления резистора 51. Общая продолжительность второго и третьего состояний определяет длительность »:мпульсов 7 (см.фиг.3). Поскольку дли— тельность положительной и отрицательной части импульса в конкретном исполнении подгонкой резисторов 51 и 56 установлены равными, то пауза между импульсами составляет Т вЂ” 7 /2 = Т.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении упругий элемент цифрового динаглометра, к которому подклеены тензорезисторы датчика

11 деформаций, не деформирован. Сигнал на выходе датчика деформаций равен нулю. Динамометр с помощью выведенных на лицевую панель клавишей коммутатора 21 устанавливается в режим "Память". Коммутатор 18 также клавишей подключается к тому из мас-! штабных делителей напряжения, который соответствует пределу измерения используемого упругого элемента. Счет— чик времени и каналы долговременной памяти соответствующими клавишами устанавливаются на нуль. При появлении деформации на выходе датчика 11 появляется импульсный сигнал, который после усиления усилителем 13 поступает на амплитудный детектор 16.

Лмпнитудный детектор 16 на выходе выдает сигнал, который в момент прохождения импульсного сигнала, соответствующего наибольшей деформации, 1 185130 равен по абсолютной величине размаху (удвоенной амплитуде) этого импульсного сигнала, пропорционального максимуму приложенной силы и деформа5 ции упругого элемента. Напряжение на выходе амплитудного детектора 16, таким образом, следит за величиной уменьшающегося импульсного сигнала с отставанием до десятых долей секунды, а за величиной увеличивающегося импульсного сигнала следит практически .без отставания. Из-за инерции цифровых вольтметров и человеческого глаза отставание показаний при умень- 15 шенин усилий существенного значения не имеет. В режим "Память" сигнал с выхода амплитудного детектора, пропорциональный усилию на упругом элементе, попадает через повторители

19 и 20 напряжения на каналы 24, 25 аналогового. устройства долговременной памяти, выход которого подсоединен в режиме "Память" к вольтметру 22.

Поэтому вольтметр показывает макси- р мальное значение усилия, которое может быть записано вручную или с использованием вычислительной техники (перфоратора или цифро-печатающего устройства).

Затем клавишей коммутатора 21 динамометр переводится в режим "Измерение . В этом случае сигнал с выхода повторителей 19 и 20 напряжения поступает на вольтметр, который показывает текущее значение усилия. Делителем 26 напряжения задается усилие в долях от максимального, развитого испытуеиъ м. Испытуемому сообщается величина усилия, которую он должен развить и поддерживать.

Следя за индикатором вольтметра,. испытуемый развивает заданное усилие.

При этом величина напряжения на выходе повторителя 19, подаваемого через коммутатор 21 на схему сравнения 23, становится больше, чем напряжение, подаваемое на другой вход схемы сравнения 23 от делителя 26. Схема сравнения 23 выдает сигнал, разрешающий счет времени. Счет времени происходит до тех пор, пока испытуемый развивает усилие большее или равное заданному. При снижении усилия до меньшей величины схема сравнения 23 выдает сигнал, который запрещает работу счетчика времени, поскольку полярность напряжения на входе схемы

23 изменяется при этом на противоположную. Таким образом, счетчик времени показывает время выдержки усилия.

Цикл испытания может быть проведен неограниченное количество pas.

ВЫКИПИ Заказ 6446/35 Тираж 896 Подписное филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4