Преобразователь сигналов тензодатчиков

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в тензометрии для измерения силы, давления, ускорения. Цель изобретения - повышение точности преобазования за счет увеличения крутизны и стабильности характеристики преобразования в широком интервале температур - достигается введением термозависимого резистивного делителя 6 напряжения, компаратора 7, фильтра 4 нижних частот и элементов логики. Силовое воздействие на тензорезисторные мосты 1 и 2 приводит к дифференциальному изменению их коэффициентов передачи. Это вызывает изменение фазового сдвига колебания на выходе сумматора 5. При выполнении тензорезисторных мостов 1 и 2 однотипными, а резистивного делителя 6 термозависимым с температурными коэффициентами резисторов, образующих делитель, равными по абсолютной величине, но противоположными по знаку (причем при равенстве абсолютных величин температурных коэффициентов резисторов делителя и температурных коэффициентов чувствительности тензомостов), фазовый сдвиг на выходе сумматора 5 слабо зависит от изменения температуры среды, окружающей тензодатчики. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„ЯО „„1569742

А1 (51)5 G 01 R 27/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4470765/24-21 (22) 02.08.88 (46) 07 ° 06.90. Бюл. N - 21 (71) Харьковский авиационный институт им. Н.Е,Жуковского (72) Ф.И.Веников, Е.С.Колесник и Д.В.Тряпша (53) 621,317.79(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1270547, кл. G 01 R 17/10, 1985.

Авторское свидетельство СССР № 1 370608, кл . G 0 1 R 27/02, 1 986 . (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ТЕНЗОДАТЧИКОВ (57) Изобретение относится. к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в тензометрии для измерения силы, давления, ускорения.

Цель изобретения — повышение точности преобразования за счет увеличения крутизны и стабильности характеристики преобразования в широком интервале температур — достигается вве2 дением термозависимого реэистивного делителя 6 напряжения, компаратора 7, фильтра 4 нижних частот и элементов логики. Силовое воздействие на тензореэисторные мосты 1 и 2 приводит к дифференциальному изменению их коэффициентов передачи. Зто вызывает изменение фазового сдвига колебания на выходе сумматора 5. При выполнении тензорезисторных мостов 1 и 2 однотипными,а резистивного делителя 6 термозависимым с температурными коэффициентами резисторов, образующих делитель, равными по абсолютной величине, но противоположными по знаку (причем при равенстве абсолютных величин температурных коэффициентов резисторов делителя и температурных ко- ф,ф эффициентов чувствительности тензомостов), фазовый сдвиг на выходе сум- С матора 5 слабо зависит от изменения температуры среды, окружающей тензо-, 2

I датчики. 2 ил.

1569742

Изобретение относится к контроль, но-измерительной технике и может быть ! использовано в тензометрии для измерения силы, давления, ускорения. 5

Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет увеличения крутизны и стабильности характеристики преобразования в широком интервале температур, 10

На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя сигналов тензодатчиков; на фиг. 2 — векторная диаграмма процесса суммирова ния колебаний в сумматоре ° 15

Преобразователь содержит два тензорезисторных моста 1 и 2, входы которых соединены, опорный генератор 3 подключенный выходом к входам тензорезисторных мостов 1 и 2, фильтр 20

4 нижних частот, вход которого соеди нен с выходом тензорезисторного моста

° 1, сумматор 5, термозависимый резистивный делитель 6 напряжения, подклю,ченный входом к выходу опорного гене- 2 — 25 ратора 3, а выходом — к второму входу сумматора 5, третий вход которого соединен с выходом фильтра 4 нижних частот, компаратор 7 напряжения, входы которого подключены к выходам тен- 30 зорезисторных мостов 1 и 2, D-триггер

8, разрешающий вход которого соединен с выходом компаратора 7 напряжения, а управляющий вход — с его инверсным выходом, логический элемент НЕ 9, электронные коммутаторы 10 — 13„ а также логический элемент НЕ 1,4, подключенный входом к инверсному выходу

D-триггера 8 и управляющему входу электронного коммутатора 11, а выхо- 40 дом — к управляющему входу электронного коммутатора 13, вход которого соединен с.входом электронного коммутатора 11 и подключен к выходу тензорезисторного моста 2, при этом 45 выход тензорезисторного моста 1 соединен с входами электронного коммутатора 10 и электронного коммутатора

12, управляющий вход которого подключен к неинверсному выходу D-триг- 50 гера 8 и соединен с входом логического элемента НЕ 9, подключенного выходом к управляющему входу электронного коммутатора 10, выход которого соединен с выходом электронного коммутатора 13 и подключен к четвертому (неинвертирующему) входу сумматора

5, пятый вход которого соединен с выходами электронных коммутаторов 11 и 12, фильтр 15 верхних частот, фазометр 16 подключенный одним входом к выходу опорного генератора 3, а другим — к выходу сумматора 5, первый вход которого соединен с выходом фильтра 15 верхних частот, входом подключенного к выходу тензорезисторного моста 2, кроме того, к устаноночному R-входу D-триггера 8 подключена RC-цепь, обеспечивающая установку триггера в начальное нулевое. состояние.

Тензорезисторные мосты состоят из резисторов, включенных по мостовой схеме (так называемые четырехполюсники с перекрестными связями), выполнены тензомосTbl таким образом, что силовое воздействие, приложенное к ним, приводит к равным по абсолютной величине, но противоположным по знаку изменениям их коэффициентов передачи, Причем в исходном состоянин один из тензорезисторных мостов сбалансирован,,а второй разбалансиро ван. Компар атор 7 напряжения я вляется специализированным операционным усилителем с дифференциальным вхо- дом и одиночным цифровым выходом.

Принцип действия компаратора 7 напряжения такой, что при разности входных сигналов, меньшей некоторого известного уровня напряжения срабатывания Б с,, на выходе устанавлисра вается потенциал, соответствующий логической единице, а если разность входных сигналов больше этого уровня

U +„, то на выходе — потенциал, соответствующий логическому нулю.

Электронные коммутаторы 10-13 служат для коммутации аналоговых сигналов. Если коммутатор находится в состоянии Включено", его выходное напряжение должно точно равняться входному, если коммутатор находится в состоянии Выключено, оно должно стать равным нулю.

RC-цепь, одни полюса резистора 17 (R) и конденсатора 18 (С) которой соединены и подключены к установочному R-входу D-триггера 8, второй полюс резистора 17 подключен к положительному полюсу источника питания, а второй полюс конденсатора 18 соединен с общей шиной, обеспечивает начальную установку триггера 8 в нулевое состояние. Постоянная времени i RC-цепи (=R ° С) выбирается такой, 1569742 что при подаче напряжения питания на один полюс резистора 17 конденсатор 18 не может зарядиться мгновенно и в первый момент времени на уста5 новочный R-вход триггера подается потенциал низкого уровня, вследствие которого D-триггер устанавливается в нулевое состояние По истечении времени конденсатор 18 заряжается пол!

О ностью, а на R-вход триггера подается высокий потенциал и триггер сохраняет ранее установленное (нулевое) состояние.

Преобразователь работает следующим образом.

В стационарном режиме при отсутствии силового воздействия, когда, например, первый тензорезисторный мост 1 максимально разбалансирован, 20 а второй мост 2 сбалансирован, выходное колебание U опорного генератора

3 с частотой ы,через первый тензорезисторный мост 1 (U ) и фильтр 4 .1 нижних частот (U „„), где оно приоб-, 25 ретает фазовый сдвиг, равный (при условии, что используется фильтр нижних частот Баттерворта второго порядка)

1 414Я„!! = -arctg - - — —— фНЧ 1- г

1 где R о о фи ч!

u) „— частота среза фильтра 4 нижних частот, 35 поступает на третий вход сумматора 5, на первом входе которого уровень напряжения равен нулю (так как второй тензорезисторный мост 2 сбалансирован и его коэффициент передачи равен ну- 40 лю), а на второй вход его поступает колебание U„ с частотой ы через термозависимый резистивный делитель 6 напряжения .

Так как в этом режиме работы U (45

Мг (U то на выходе компаратора 7

1 устанавливается потенциал, соответствующий логическому нулю, При этом на разрешающий вход D-триггера 8, инверсный выход которого соединен с его 50 управляющим входом, подается потенциал, соответствующий логическому нулю, и на неинверсном выходе D-триггера 8 устанавливается нулевой потенциал, а на инверсном — потенциал, соответствующий логической единице.

Нулевой потенциал с неинверсного вы,хода триггера 8 поступает на вход первого логического элемента HE 9, с ;

К нц K w cos (IVgq I 90 . м з (Ч фнч! 90 ) Kм,Кфйч (1) где К

М1 коэффициент передачи первого тензорезисторного моста 1; модуль коэффициента передачи фильтра 4 нижних частот; коэффициент передачи термозависимого резистивного делителя 6 напряжения.

Кфич

В динамическом режиме при наличий малого силового воздействия (E <

rye f относительная деформация,чувствительная деформация чувствительного элемента, F — максимальное значение относительной деформации) первый тензорезисторный мост 1 разбалансирован и значение его коэффициента передачи несколько меньше максимального, второй тензорезисторный мост 2 также разбалансирован и его коэффициент передачи отличен от нуля. При этом колебание

U с частотой ы, через второй тензорезисторный мост 2 (U„ ) и фильтр мг

15 верхних частот (П ), где оно

ФЬч приобретает фазовый сдвиг, равный (при условии, что используется фильтр выхода которого потенциал единичного, уровня, поступающий на управляющий вход первого электронного коммутатора

10, обеспечивает подсоединение выхода первого тензорезисторного моста 1 к четвертому (инвертирующему) входу сумматора 5, а единичный потенциал с инверсного выхода D-триггера 8 поступает на управляющий вход второго электронного коммутатора 11, подключает выход второго тензорезисторного моста 2 к пятому входу сумматора 5.

При этом ключи третьего электронного коймутатора 12, на вход которого подается нулевой потенциал с неинверсного выхода D-триггера 8, и четвертого электронного коммутатора 13, на управляющий вход которого подается нулевой потенциал с.выхода второго логического элемента HE 14, находятся в разомкнутом состоянии.

Процесс суммирования колебаний в сумматоре 5 для этого случая представлен на векторной диаграмме (фиг,2а) .

Суммарный фазовый набег на выходе сумматора равен

1569742 верхних частот Баттерворта второго порядка) 1 41492 у - =arctg - — — —

1фвч 1- gZ где Я,= 4 yв а „- частота среза фильтра 15 верхних частот, Поступает на первый вход сумматора

5, на пятый вход которого одновременно с этим через ключ второго

Электронного коммутатора 11, находя" бийся в замкнутом состоянии потенциI

К4Н К м К ви) м К м (Км;Кф

g =arctg — — -"(Км

К -К

30 (Км1-Км ) cos (М -90 ) 1 (3) При дальнейшем возрастании силоворо воздействия в динамическом режиМе уменьшение коэффициента передачи тензорезисторного моста 1 и увеличеНие коэффициента передачи тензорезисторного моста 2 приведет в некоторый момент к приблизительному равенству (с определенной степенью точности, определяемой уровнем напряжения срабатывания П „ компаратора 7 напряжения) коэффициентов передачи тензо- 45

E мостов (при 8, -2 )," вследствие чего на выходе компаратора 7 напряжения появится прямоугольный импульс, по фронту которого D-триггер 8 перейдет в новое состояние: на неинверсном выходе появится потенциал уровня логической единицы, а на инверсном выходе — потенциал уровня логического нуля. В результате ключ третьего электронного коммутатора 12 замкнется (уровнем логической единицы на управляющем входе с неинверсного выхода D-триггера) и соединит выход где К вЂ” коэффициент передачи второ—

Ф го тензорезисторного мос- 20 та 2;

К „ - модуль коэффициента переда.чи фильтра 15 верхних частот.

Фильтры нижних частот 4 и верхних частот 15 выбраны активными, причем на рабочей частоте ь выполняется рафенатво К ВАКФ „=1, тогда выражение (2) можно записать в виде а лом единичного уровня с инверсного выхода D-триггера 8, поступает колебание Б с выхода второго тензореМ эисторного моста 2.

Процесс суммирования колебаний в сумматоре 5 представлен на векторной диаграмме (фиг, 26). Для простоты анализа частота среза фильтра 4 нижних частот у „„и частота среза фильтра 15 верхних частот <з ц выбраны такими, что 1, цццц =уф,„= При этом суммарный фазовый набег на выходе сумматора 5 равен

cos(<4 90 1

„„+ м KÔs÷)si(y-90 ) первого тензомоста 1 с пятым входом сумматора 5, а ключ четвертого электронного коммутатора 13 также замкнется (уровнем логической единицы с выхода второго логического элемента

НЕ 14, подключенного входом к инверсному выходу D-триггера 8) и соединит выход второго тензомоста 2 с четвертым входом сумматора 5, Теперь колебание U п оoс тTу п аsеeт нHа s п яsтTыb йH, а колеба1 ние U - на четвертый входы сумма2 тора.

Колебания на первом, втором и третьем входах сумматора 5 формируются так же, как и при малом силовом воздействии на тензорезисторные мосты.

При этом суммарный фазовый набег на выходе сумматора 5 равен (K >-Км ) сов (g-90 )

K> K«+K (Км +Км )sin(g-90 ) (4), Из формул (1)-(4) следует, что фазовый сдвиг колебания на выходе сумматора функционально зависит от величины коэффициентов передачи Км, Км м„ м тензорезисторных мостов 1 и 2, а следовательно, от измеряемого воз-. действия, Колебания с выхода сумматора 5 поступают на первый вход фазометра 16, на второй вход которого поступают колебания выхода опорного генератора 3, Силовое воздействие на тензочувствительные элементы приводит к изменению коэффициентов передачи К ., К „, М1 М тензорезисторных мостов 1 и 2. Это вызывает изменение фазового сдвига на выходе сумматора 5 и показания фазометра 16 изменяются в соответствии

1569742 с измеряемой величиной силового воз-. действия. Тензорезисторные мостовые первичные измерительные преобразователи обладают достаточно большой температурной погрешностью, характери5 зуемой температурным коэффициентом чувствительности (ТКЧ) и температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), образующих тензомост, 10

При использовании в предлагаемом преобразователе однотипных тензорезисторных мостов с ТКЧ одного знака и термозависимого резистивного делителя напряжения, резисторы которого имеют ТКС противоположного знака, равный по величине ТКЧ тензорезисторных мостов, фазовый сдвиг g слабо

Е зависит от температуры окружающей среды ° 20

Таким образом, предлагаемый преобразователь позволяет увеличить в

3,6 раза крутизну и в 4,6 раза стабильность характеристики преобразова- 25 ния в широком интервале изменения температуры.

Преобразователь сигналов тензодатчиков, содержащий опорный генератор, два тензорезисторных моста, входы которых одновременно подключены к выходу опорного генератора, фазометр, фильтр верхних частот и сумматор, первый вход которого подключен к выходу фильтра верхних частот, а выходк первому входу фазометра, о т л ичающий с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены фильтр нижних частот, компаратор, D-триггер, четыре электронных коммутатора, два логических элемента kIE и термозависимый резис35

Формула и з о б р е т е н и я

30 тивный делитель напряжения, вход ко-. торого соедйнен с выходом опорного генератора и вторым входом фазометра, при этом выход термозависимого резистивного делителя напряжения соединен с вторым входом сумматора, вход термозависимого резистивного делителя напряжения соединен с входами тензорезисторных мостов и вторым входом фазометра, а выход — с вторым входом сумматора, вход фильтра нижних частот соединен с выходом первого тензорезисторного моста, а выход — с третьим входом сумматора, вход D-триггера соединен с выходом компаратора напряжения, входы которого соединены с выходами тензорезисторных мостов, а неинверсный выход D-триггера подключен к управляющему входу первого элек1 тронного коммутатора и входу ггервого логического элемента НЕ, выход которого соединен с управляющим входом второго электронно го коммутатора, а вход — с входом первого электронного коммутатора, с выходом первого тензорезисторного моста и вхо-. дом фильтра нижних частот, выход второго электронного коммутатора соединен с четвертым входом сумматора,,инверсный выход D-триггера соединен с управляющим входом третьего электронного коммутатора и входом второго логического элемента НЕ, выход которого соединен с управляющим входом четвертого электронного коммутатора, выход которого подключен к четвертому входу сумматора, вход четвертого электронного коммутатора соединен с входом третьего. электронного коммутатора, с выходом второго тензорезисторного моста и входом фильтра верхних частот, а выходы первого и четвертого электронных коммутаторов сое,динены с пятым входом сумматора.

1569742

) и, Фиг.2

Составитель В.Семеичук

Редактор И,Шулла Техред М.Ходанич Корректор О. КРавцова

Заказ 1446 Тираж 557 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101