Устройство для измерения механических величин
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий, давлений , вибраций, крутящих моментов, деформаций , механических напряжений и т.д. Целыо изобретения является повышение точности. Устройство содержит сегнетоэластичный датчик 1, элементы И-НЕ 2-8, одновибраторы 9-11, триггеры 12-16, делитель 17 напряжения, кнопки 18-20 регистры 21, 22 числа, цифровой отсчетный элемент 23, формирователи 24, 25 импульсов,, генератор 26 пилообразного напряжения, компаратор 27, элемент 28 задержки, реверсивные счетчики 29-31 импульсов, управляемые делители 32, 33 частоты, генератор 3 опорной частоты, элемент 2И-ИЛИ-НЕ 35, элемент ЗИ-ИЛИ-НЕ 36, элементы И 37, 38. Процесс измерения состоит из трех тактов,, В первом такте устанавливается значение опорного уровня Uon, на которое смещается пилообразное напряжение, управляющее работой датчика 1, и осуществляется установка нуля датчика 1. Во втором такте измеряется нормированная по значению механическая величина РО, а в третьем - исследуемая механическая величина Р. Начало первого такта измерения начинается сразу после обнуления устройства. Начало второго и третьего тактов измерения устанавливается вручную, путем нажатия кнопок Изм. РО 19 и Изм. Рх 18. 4 ил. ё СП
союз советских социАлистических
РЕСПУБЛИК
«ãÞ (11) щ) С 01 т, 1/00 1/04
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ пРи Гкнт сссР
1 (21) 4668419/10 (22) 30. О1 .89 (46) 30.05.92. Бюл. Ю 20 (71) Институт кибернетики им. В.И.Глушкова (72) В.Т.Кондратов, В.И.Скурихин и О.И.Левченко (53) 531..781(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
1117464, кл. G 01 L 1/08, 1984.
Авторское свидетельство СССР
N 1661593, кл. G 01 L 1/00, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий, давлений, вибраций, крутящих моментов, деформаций, механических напряжений и т.д.. Целью изобретения является повышение точности. Устройство содержит сегнетоэластичный датчик 1, элементы
И-НЕ 2"8,. одновибраторы 9-11, триггеры 12-16, делитель 17 напряжения, кнопки 18-20, регистры 21, 22 числа, 2 цифровой отсчетный элемент 23, формирователи 24, 25 импульсов,. генеРатор
26 пилообразного напряжения, компа- ратор 27, элемент 28 задержки, реверсивные счетчики 29-31 импульсов, управляемые делители 32, 33 частоты, генератор 34 опорной частоты, элемент 2И-ИЛИ-НЕ 35, элемент 3И-ИЛИ-НЕ
36, элементы И 37, 38.. Процесс измерения состоит из трех тактов. В первом такте устанавливается значение опорного уровня 110„, на которое смещается пилообразное напряжение, управляющее работой датчика 1, и осуществляется установка нуля датчика t.
Во втором такте измеряется нормированная по значению механическая величина Р,, а в третьем - исследуемая механическая величина Р . Начало первого такта измерения начинается сразу после обнуления устройства. Начало второго и третьего тактов измерения устанавливается вручную, путем нажатия кнопок "Изм. P 19 и "Изм. P„ "
18. 4 ил.
173
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий давлений, вибраций, крутящих моментов, деформаций, механических напряжений и т.д.
Целью изобретения является повышение точности.
На фиг. 1 представлены эпюры напряжений; на фиг. 2 " структурная схема устройства; .на фиг. 3 показана конструкция сегнетоэластичного датчика; на Фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 3.
Устройство для измерения механических величин содержит сегнетоэластичный датчик 1, семь элементов И-HE
2-8, три одновибратора 9-11, пять триггеров 12-16, делитель 17 напряжения, три кнопки 18-20, два регистра 21, 22 числа, цифровой отсчетный элемент 23, два формирователя 24, 25 импульсов, генератор 26 пилообразного напряжения, компаратор 27, элемент
28 задержки, три реверсивных счетчика 29-31 импульсов, два управляемых . делителя 32, 33 частоты, генератор
34 опорной частоты, элемент 2И-ИЛИ-НЕ
35, элемент 3И-ИЛИ-НЕ 36, два элемента И 37 .38
Сегнетоэластичный датчи к 1 (см. фиг. 3, 4) содержит корпус 39, сег нетоэластичный чувствительный элемент
40, выполненный из кристалла
Сд (МпО ) или Bi
При включении устройства генератор 26 пилообразного напряжения генерирует противофазные управляющие сигналы U (t) и -U (t) треугольной (или трапецеидальной) формы с частотой следования К,. которые поступают на первый и второй входы сегнетоэластичного датчика 1 (см. Фиг. 2).
Одновременно с первого выхода генератора 26 пилообразного напряжения сигнал поступает на один из входов компаратора 27. На второй вход компаратора 27 поступает сигнал U „c выхода делителя 17 напряжения, который поступает также на вход генератора
7281
2b пилообразного напряжения (см. фиг. 2) .
Перед началом процесса измерения
5 нажимают кнопку 20 "Уст. 0" (установ. ка нуля) устройства. В результате с выхода источника питания (на Фиг. 2 не указан} на формирователь 25 импульсов поступит потенциал, который
10 осуществляет его запуск., Последний формирует одиночный импульс заданной мощности и длительности, необходимой для обнуления функциональных блоков l2-14 и 29-31 устройства.
Цифровой код с выходов триггеров
12 и 13 представляет собой число
0101.
При таком входном коде.на прямом выходе триггера 12 появится потенци2р àà, соответствующий логическому
"0", который запускает одновибратор 9, 1
Длительность выходного импульса одновибратора 9 устанавливается равной одному или нескольким периодам пилообразного напряжения.
Передний фронт этого импульса соответствует началу первого такта измерения, в котором осуществляется установка значения опорного уровня и
30 установка нуля сегнетоэластичного датчика 1.
Если момент времени tä, соответствующий началу первого такта измерения, совпал с моментом времени появления первого короткого .импульса на . выходе компаратора 27 после обнуления всего устройства, то в этом случае компаратор 27 формирует короткие импульсы (см, фиг. 1а} в моменты време46 ни перехода смещенного íà U „ пилообразного напряжения U (.t) через опорный (или нулевой, если 0 „ =О) уровен в положительном и отрицательном направлениях (см. Фиг. 1е), причем при ,5 прохождении смещенного пилообразного напряжения через опорный уровень в положительном направлении короткие импул,ьсы формируются в моменты времени р,, tg, О а .в отрицательном направлении короткие импульсы формируются в моменты времени и, t, t, (см. Фиг. 1a).
Частота следования..выходных импульсов компаратора 27 равна удвоенной- ча55 стоте пилообразного напряжения, т.е.
Ук„=2
При отсутствии внешнего механического усилия на датчик 1 на его выходе формируется периодическая по
5 1737287 б следовательность импульсов в моменты разом, -что в положительный полупевремени равенства мгновенного значе-; риод пилообразного напряжения он ! ния управляющего сигнала, подаваемо- всегда находится в состоянии логичес го на датчик 1, и коэрцитивного на- кой "1" на его выходе. В результате пряжения прямоугольной петли гистере . выходной импульс одновибратора 9,. зиса датчика 1. Эти импульсы поступа- пройдя логический элемент 3И-ИЛИ-HE ют на формирователь 24 импульсов, где 36, поступит на счетный вход триггенормируется по амплитуде, длительно- ра 12 и на вход установки единицы сти и знаку. На фиг. 1б, 1в и 1г при- 10 триггера 15. Цифровой код на выходах ведены для каждого такта измерения; триггеров 12 и 13 устанавливается равного периоду пилообразного напря- равным коду числа 1001. жения, по два выходных импульса дат- Триггер 15 выходными импульсами чика 1 (после прохождения формирова" формирователя 24 постоянно устанавтеля 24 импульсов), соответствующих ливается в нулевое состояние. После отсутствию действия механической ве15 прихода на вход установки единицы личины, с приложением нормированной триггера 15 импульса с выхода логипо значению механической величины и ческого элемента 3И-ИЛИ-НЕ .36, триг- с приложением исследуемой механичес- гер 15 установится в состояние, сокой величины, о ответствующее логической "1" на его
Причем каждому полупериоду пило" выходе. Этот сигнал поступает на образного напряжения соответствует первые входы элементов И-НЕ 2-5 и одвыходной импульс датчика 1. Короткие новибратора 11 (на вход А). На четимпульсы, приведенные на фиг. 1а,б, вертый вход элемента И-НЕ 3 и на треиспользуются для формирования времен- тьи входы элементов И-НЕ 4 и 5 поных интервалов Д
В этом случае компенсируется дей- 40 третий и первый входы элементов И-НЕ ствие внутренних механических уси- 2 и 6 соответственно. лий на датчик,1 и тем cavbw центри- В результате на вычитающий вход руется ось симметрии прямоугольной реверсивного счетчика 30 импульсов петли как электрического, так и меха- и на суммирующий вход реверсивного нического гистерезисов датчика 1. 4 счетчика 29 импульсов начнет постуТ.е. обеспечивается установка нуля пать периодическая последовательность датчика, а цифровой отсчетный эле- прямоугольных импульсов с частотой мент 23 индицирует нулевое значение. следования f =f /N. в течение интН О О
Выходной сигнал с прямого выхода тервала времени длительностью gt < =
10 триггера 12 поступает через одновиб" Я =5t <. Последний формируется путем атор 9 на первый вход логического поступления на вход установки нуля лемента 3И-ИЛИ-НЕ 36. триггера 15 импульса с выхода формиВыходной импульс одновибратора 9 рователя 24 импульсов. В результате формируется в начале положительного триггер 15 устанавливается в исходполупериода пилообразного напряже- 55 ное состояние, запрещая прохождение ния. импульсов через элемент И-НЕ 3 на ре-.
Триггер 14 запускается выходными версивный счетчик 30 импульсов. В мпульсами кбмпаратора 27 таким об- течение временного интервала 4t o = EO (0 ти = <о о о < )
Причем в реверсивныи счетчик 30
5 импульсов запишется число (1) с отри. цательным знаком.
Выходной импульс одновибратора 9, прошедший логический элемент 3И-ИЛИ-НЕ
36, устанавливает триггер 12 в состояние логической "1". íà его прямом выходе. В результате на входах триггеров 12 и 13 установится код 1001.
В результате на втором входе элемента И 38 устанавливается потенциал, соответствующий логической "1", Последний обеспечивает готовность устройства к реализации второго. такта, т.е. к измерению нормированной по значению механической величины.
Во втором такте на датчик 1 прикладывают нормированную по значению механическую величину Ро, Затем нажимают кнопку 19 Изм, Ро (измерение 2д
Р ). .В результате на выхо;,е элемента о
И 38 появится сигнал, соответствующий логической "1". Этот сигнал в положительный полупериод пилообраз" ного напряжения поступает через weменты И 38 и 3И-ИЛИ-НЕ 36 на вход установки единицы триггера 15 и на счетный вход триггера 12, переводя триггер 12 в состояние логического
"0" на его прямом выходе, а триггер
13 - в состояние логической "1" на 35 его прямом входе. В результате на выходах триггеров 12 и 13 установится код 0110.
В это же время сигнал логической
"1", установленный на выходе триггера 15 в момент времени t> (см. фиг. 1д), поступает на входы элементов И-НЕ 2-5 и на вход А одновибра-, тора 11. Поскольку на элемент И-НЕ
2 поступает разрешающий потенциал и с инверсного выхода триггера 12, то на суммирующий вход реверсивного счетчика 30 импульсов начнет поступать с выхода управляемого делителя
32 частоты периодическая последовательность импульсов с частотой следования f>>=f©/Ио. В момент времени t< (см. фиг. 1в, д) на вход установки нуля триггера 15 поступит короткий импульс, устанавливающий на выходе триггера 15 сигнал, соответствующий логическому "0" и тем самым запре45
7 173728 в реверсивные счетчикм 29, 30 импульсов запишется код числа
7 8 щающий дальнейшее прохождение импульсов на счетчик 30.
За время b,tz<=t+-tq в реверсивный счетчик 30 импульсов поступит (2) . ф 4 ТИ 54 ° о о импульсов. В момент времени t на выходе реверсивного счетчика 30 импульсов с учетом (1) появится код числа
fgq=.fo o (4) которые поступают на четвертый вход элемента И-НЕ 5 и на первый вход эле" мента 2И-ИЛИ-НЕ 35. Поступление выходных импульсов генератора 34 .опор" ,ной частоты на управляемый делитель
33 частоты прекращается по истечении третьего такта измерения. Это достигается за счет подачи разрешающего потенциала с прямого выхода триггера 13 на первый вход элементаИ-НЕ 7 во второй и третий такты измерений.
Одновременно потенциал, соответствующий логической "1"., поступает на первый вход элемента И. Он указы.вает на готовность устройства к третьему такту измерения.
Затем на датчик 1 прикладывают исследуемую механическую величину Р .
Нажимают кнопку 18 "Изм. Р ". На второй вход элемента И 37 поступает положительный потенциал., разрешающий прохождение сигнала с первого входа на выход элемента И 37. В результате .на пятом входе элемента 3И-ИЛИ-НЕ 36 также появится положительный потенци" 1о1 11 + о (t5+ " 1о ) о 1 1о
При наличии положительного потенциала на входе В одновибратора 11 отрицательный перепад импульса на ., входе А, созданный триггером 15 в момент времени t, обеспечивает надежный запуск одновибратора 11,.
На выходе одновибратора 11 появится импульс длительностью с,, достал точной для надежной записи .выходного кода числа N „ реверсивного счетчика
30 импульсов в регистр памяти управ— ляемого делителя 33 частоты;
В результате к моменту времени начала третьего такта измерения (см. фиг. 1д) на выходе управляемого делителя 33 частоты сформируется периодическая последовательность импульсов с частотой следования
1 ал, разрешающий прохождение:выходного сигнала триггера 14 (e положительный полупериод пилообразного напряже ния) на счетный вход триггера 12 и на вход установки единицы триггера 15.
Триггер 15 в состояние логической ,"1" устанавливается в момент време ни t (см. Фиг. 1д), соответствующий началу третьего такта измерения.
На выходе триггера 15 положительный потенциал, соответствующий логической "1"-, существует в течение интервала времени b, 9 =+ --ts, ограниченного сверху моментом времени появления импульса с датчика 1.
Выходной импульс длительностью управляет работой только лОГических элементов И-НЕ 4 и 5, посколь" ку на их вторые и третьи входы в третий такт измерения поступают потенциалы с прямых в@ходов триггеров
13 и 12, соответствующие логической
"1".
В результате на выходе элемента
И-НЕ 5 появится периодическая последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования (4); поступающая на суммирующий вход реверсивного счетчика 31 импульсов в течение интервала времени ht 98. За это время в счетчик 31 посту,;ит импульсов:
to (о/f òè (6)
За это время (6) на вычитающий вход реверсивного счетчика 29 импульсов поступит
10 (О 9Ф (7) импульсов с выхода управляемого делителя 33 частоты.
Задним фронтом выходного импульса триггера 16 .запускается элемент
28 задержки. Последний предназначен для формирования задержанного импуль2О са длительностью . =И /f . Этот .импульс поступает на третий вход логического элемента 2И-ИЛИ-НЕ 35. B результате на вычитающий вход ревер сивного счетчика 31 импульсов разре2 шается прохождение выходных импульсов генератора 34 опорной частоты.
За время с„= /f на него поступит л м "ц o 1о (8) импульсов. Общее число импульсов, записанное в реверсивный счетчик 31 импульсов, равно .
NOZ N9> (N«+N «) !
После истечения временного интерл
35 вала с цг=И /f o на втором выходе эле.мента 28 8задержки формируется импульс записи выходного кода числа (9) реверсивного счетчика 31-импульсов в регистр 22 числа. Этот импульс
40 поступает на управляющий вход регистра 22 числа. Записанное число (9) индицируется с помощью цифрового отсчетного элемента 23.
Результат измерения (9) равен зна4% чению исследуемой механической величины Р„, т.е. Ney=Nx.
98 78 9ф 98 о Ю
В то же время на выходе элемента
И-I!E 4 появится потенциал, соответствующий логическому "0", который своим задним фронтом запускает одновибратор 10. Последний формирует с некоторой задержкой относительно момента времени t9 короткий импульс, устанавливающий триггер 16 в состояние логической "1" на его прямом выходе. С этого момента начинается процесс считывания числа Ь,о(1), пропорционального временному интер.валу htщ, из реверсивного счетчика
29 импульсов путем разрешения по-ступления на его вычитающий вход импульсов с выхода управляемого делителя 32 частоты с той же частотой следования Е„,, что и при записи числа N В момент времени равенства нулю выходного кода на выходах P переполнения реверсивного счетчика 29 импульсов (после считывания) на выходе элемента И-НЕ появится импульс, со" ответствующий логическому "0". Формула изобретения 50 Устройство для измерения механических величин,, содержащее сегнетоэластичный датчик, элемент И-НЕ, два одновибратора, три триггера, делитель напряжения, две кнопки, первые конЯ такты которых соединены между собой, два регистра числа, цифровой отсчетный элемент, формирователь импульсов и.генератор пилообразного напряжения, 737287 10 Этот импульс устанавливает триггер 16 в исходное состояние, соответствующее логическому "0" на его выходе. Таким образом на выходе триггера 16 формируется импульс длительностью 1737287 12 выходы которого через сегнетозластич- к входу первого триггера и к первому ный датчик силы подключены к соответ- входу четвертого триггера, второй ствующим входам формирователя импуль- вход которого подключен к выходу сов о т л и ч а ю щ е е с я тем, t 3 первого формирователя импульсов, а что, с целью повышения точности, в не-. выход - к первому входу четвертого го введены компаратор, элемент за- элемента И-НЕ, четвертый вход котородержки, три реверсивных счетчика им- го подключен к выходу второго управпульсов, два управляемых делителя ляемого делителя частоты и к первому частоты, установочные входы первого 1р входу элемента 2И-ИЛИ"HE, второй вход из которых подключены к соответству- которого подключен к входу элемента ющим выходам первого регистра чис" задержки и к второму входу пятого ла, генератор опорной частоты, эле- элемента И.-НЕ, выход которого подклюмент 2И-ИЛИ-НЕ, элемент 3И-ИЛИ-НЕ, чен к первому входу первого реверсивдва элемента И, а также дополнитель- 15 ного счетчика импульсов, второй вход но введены два триггера, шесть эле- которого подключен к выходу второго ментов И-НЕ и третий одновибратор, . элемента.И-НЕ и к первому входу- втопервый вход которого подключен к пер-,рого реверсивного счетчика импульсов, вым входам первого, второго, третье- второй вход которого подключен к выго и четвертого элементов И-НЕ, а Я ходу первого элемента И-НЕ, а выходы второй - к первому входу первого триг" второго реверсивного счетчика импульгера и второму входу первого элемен" сов подключены к соответствующим уста И-НЕ, третий вход которого под- тановочным входам второго управляемоключен к первому входу пятого элемен" ro делителя частоты, вход управления та И-НЕ, к выходу первого управляе- 2д которого подключен к выходу третьемого делителя частоты и к второму го одновибратора, а счетный вход. входу второго элемента И-HE-, третий к выходу шестого элемента И-НЕ,. втовход которого подключен к первому рой вход которого подключен к генеравыходу второго триггера, второй выход тору опорной частоты, к входу первокоторого подключен к первым входам 30 го управляемого делителя частоты и к первого элемента И и шестого элемента третьему входу элемента 2И-ИЛИ-НЕ, И-НЕ, а также к.вторым входам тРетье- выход которого подключен к первому го и четвертого элементов И"НЕ, тре- входу третьего реверсивного счетчика тьи входы которых подключены к чет- импульсов, второй вход которого подвертому входу второго элемента M-НЕ, ключен к выходу четвертого элемента к второму выходу первого триггера, к З5 И-НЕ, а выходы третьего реверсивного .входу второго триггера, к первому счетчика импульсов подключены к совходу второго элемента И и через ответствующим входам второго регистпервый одновибратор - к первому ра числа, выходы которого подключены входу элемента ЗИ-ИЛИ-НЕ, второй, к соответствующим входам цифрового третий и четвертый входы которого " отсчетного элемента, а управляющий подключены к выходу третьего тригге- вход второго регистра числа подключен ра, вход которого подключен к выходу к первому выходу элемента задержки, компаратора, одиы вход которого под" второй выход которого подключен к ключен к одному из выходов генерато- четвертому входу элемента 2И-ИЛИ-НЕ, ра пилообразного напряжения, а дру" вход - к выходу пятого триггера, один гой - к выходу делителя напряжения вход которого через второй одновибраи к входу генератора пилообразного тор подключен к выходу третьего эле.напряжения, вторые контакты кнопок мента И-НЕ, а другой - к выходу седьподключены к вторым входам соответ- мого элемента И-HE входы которого ствующих элементов И., выход первого подключены к соответствующим выходам из которых подключен к пятому, а вто- . первого реверсивного счетчика имрого - к шестому входу элемента пульсов. 3И-ИЛИ-НЕ, выход которого подключен 1737287 фЦ 1737287 Составитель Я.Ямаханов Техред А.Кравчук Корректор Л.Пилипенко Редактор Т.Лошкарева Заказ 1884 Тираж Подписное BHHHtIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Улгород, ул. Гагарина, 101
