Преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков

Предложенное изобретение относится к электротензометрии и предназначено для использования в качестве преобразователя сигналов четырехпроводных мостовых и одиночных тензорезисторных датчиков многоточечных измерительных систем для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций летательных аппаратов. Целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя, а именно обеспечение возможности преобразования сигналов как мостовых, так и одиночных тензорезисторных датчиков. Преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков содержит источник тока и операционный усилитель, подключенные выходами к токовым клеммам преобразователя. Кроме того, в состав преобразователя дополнительно введены источник напряжения и переключатель, общий вывод которого соединен с неинверсным входом операционного усилителя, а два других вывода - к выходу источника напряжения и общей шине преобразователя, причем инверсный вход усилителя соединен с потенциальной клеммой преобразователя, при этом токовые и потенциальные клеммы преобразователя ориентированы относительно друг друга так, что при подключении преобразователя к одиночному тензорезистору инверсный вход усилителя и выход источника тока соединены с одноименными соответственно потенциальной и токовой клеммами. 1 ил.

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к электротензометрии, и предназначено для использования в качестве преобразователя сигналов четырехпроводных мостовых и одиночных тензорезисторных датчиков многоточечных измерительных систем для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций летательных аппаратов.

Современный летательный аппарат имеет чрезвычайно сложную конструкцию, которая при минимальном весе должна обладать необходимой прочностью. Приходится проводить специфические экспериментальные исследования в широком диапазоне воздействий в большом числе точек конструкции. Наиболее распространенным и универсальным видом измерений при исследованиях конструкций летательных аппаратов и большого ряда других объектов науки и техники является электротензометрия [1. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. - М.: Машиностроение, 1974, с.3-12. 2. Автоматизация измерений и обработка данных при испытаниях самолета на прочность. И.Ф.Образцов, А.С.Голубков, А.Н.Серьезнов и др. - М.: Машиностроение, 1991, с.75, табл.4.3. 3. Измерительная информационная система «Прочность-2000» для испытаний на прочность современной авиакосмической техники. Е.Г.Зубов, Ю.С.Ильин, В.В.Шевчук. Авиакосмическая техника и технология, 2003, №3, с.30-36]. Важнейшим узлом измерительного оборудования здесь является преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков (как мостовых, так и одиночных), характеристиками которого в значительной мере определяются конечные результаты испытаний. Массовое использование тензорезисторов обусловлено целым рядом известных их достоинств. Однако приходится сталкиваться со специфическим набором сложных, труднорешаемых проблем и рядом специфических требований, предъявляемых к такому преобразователю: высокая чувствительность при малом токе тензорезистора, независимость результатов от сопротивлений соединительных проводов и входных коммутаторов датчиков, минимальное число элементов, участвующих в преобразовании, соответствие принципам агрегатирования (возможность задания образцовых и снятие выходных напряжений относительно общей шины), линейная характеристика, высокое быстродействие и универсальность использования при различных типах датчиков, применяемых при испытаниях.

Широко известен преобразователь с источником питания, подключенным к питающей диагонали моста, и выходным сигналом, снимаемым с выходной диагонали моста (Хорна О. Тензометрические мосты. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, рис.1, стр.13). Однако сопротивление соединительных проводов и их вариации вносят существенные погрешности в результат преобразования. Например, при проведении полевых (натурных) экспериментов длина соединительных измерительных линий, связывающих датчики с измерительным оборудованием, достигает 200 м и более [Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. Л.: Энергия, 1972, стр.59]. Кроме того, многоточечные измерительные системы для переключения датчиков имеют на входе коммутаторы, которые по переходному сопротивлению вносят дополнительные погрешности преобразования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является преобразователь сигналов мостовых резисторных датчиков, содержащий источник тока, подключенный к одной вершине питающей диагонали моста (датчика), и операционный усилитель, выход которого подключен к другой вершине питающей диагонали моста; неинверсный вход операционного усилителя соединен с общей шиной устройства, инверсный вход - с одной вершиной выходной диагонали моста, а выходной (полезный) сигнал снимается со второй вершины выходной диагонали моста двумя (токовым и потенциальным) проводами [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980, рис.5-14а, стр.128]. Такое построение преобразователя значительно уменьшает погрешности от влияния сопротивлений соединительных проводов, коммутирующих элементов входных коммутаторов и их вариаций. Причем то, что источник питания моста связан с общей шиной устройства и выходной сигнал преобразователя снимается относительно общей шины устройства, положительно сказывается (с точки зрения агрегатирования) на построении всего измерительного оборудования. Однако такой преобразователь требует пяти проводов для подключения мостового датчика к преобразователю, который, соответственно, должен иметь пять клемм подключения. Кроме того, такой преобразователь не позволяет (кроме сигналов мостовых датчиков) преобразовывать и сигналы датчиков в виде одиночного тензорезистора. Введение же для устранения этого недостатка дополнительного преобразователя сигналов одиночных тензорезисторов с соответствующей их коммутацией как минимум удвоит объем используемого оборудования.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности (по четырем присоединительным клеммам) преобразования сигналов как мостовых, так и одиночных тензорезисторных датчиков.

Технический результат достигается тем, что в преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков, содержащий источник тока и операционный усилитель, подключенные выходами к разноименным токовым клеммам преобразователя, введены источник напряжения и переключатель, общий вывод которого соединен с неинверсным входом операционного усилителя, а два других вывода - к выходу источника напряжения и общей шине преобразователя, причем инверсный вход усилителя соединен с одноименной источнику тока потенциальной клеммой.

На чертеже дана схема преобразователя.

Преобразователь содержит источник тока «I», источник напряжения «Е», операционный усилитель «У», переключатель «К» и имеет четыре присоединительных клеммы: две - для подсоединения токовых проводов датчика и две - для подсоединения потенциальных проводов датчика. Для упорядочения различения этих двух пар клемм принято: одноименная пара клемм - это соответствующие друг другу токовая и потенциальная клеммы преобразователя. Выходы источника тока и операционного усилителя подключены к разным токовым клеммам. Неинверсный вход операционного усилителя «У» подключен к общему выводу переключателя «К», два других которого подключены: вывод «М» - к общей шине устройства, вывод «R» - к источнику напряжения «Е». Положение переключателя «М» соответствует режиму работы преобразователя с датчиком типа «тензорезисторный мост»; положение переключателя «R» соответствует режиму работы преобразователя с датчиком типа «одиночный тензорезистор». Инверсный вход операционного усилителя подключен к потенциальной клемме преобразователя, одноименной токовой клемме, подключенной к источнику тока. Выходом преобразователя является потенциальная клемма, одноименная токовой клемме, подключенной к выходу операционного усилителя.

Преобразователь работает следующим образом.

Источником сигналов для преобразователя являются тензорезисторные датчики (тензорезисторный мост и одиночный тензорезистор), подключаемые каждый (по мере необходимости) четырьмя проводами к четырем клеммам преобразователя, которые образуют соответствующие (одноименные) пары, каждая из которых состоит из токовой и потенциальной клемм преобразователя (см. чертеж).

Ток I питания датчика протекает (никуда не ответвляясь) от источника «I» тока через одну токовую клемму преобразователя, токовый провод, датчик, другой токовый провод, другую токовую клемму на выход операционного усилителя «У». Операционный усилитель «У» охвачен глубокой отрицательной обратной связью, поэтому потенциал на его инверсном входе практически равен потенциалу на неинверсном входе. Инверсный вход подключен к датчику потенциальным проводом, поэтому потенциал в точке соединения этого провода с самим датчиком равен потенциалу неинверсного входа.

Работа преобразователя с датчиком типа «тензорезисторный мост» (положение «М» переключателя «К»): ток I протекает по питающей диагонали моста, полезный сигнал формируется на выходной диагонали моста, одна вершина которой (так же, как и неинверсный и инверсный входы операционного усилителя «У») находится под потенциалом общей шины (0 В), а с другой вершины снимается выходной сигнал U преобразователя, величина которого (с точностью до знака) равна:

,

при R1=R3=R0+ΔR и R2=R4=R0-ΔR,

где ΔR - приращение сопротивления тензорезисторов моста [Карандеев К.Б. Специальные методы электрических измерений, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, с.100).

При работе преобразователя с датчиком типа «одиночный тензорезистор» (положение «R» переключателя «К») благодаря заявляемым соединениям потенциал одного из выводов тензорезистора «R» всегда будет практически равен напряжению Е источника напряжения «Е». Выходной сигнал U преобразователя здесь равен разности напряжения Е и падения напряжения на тензорезисторе «R»:

U=Е-IR

или U=Е-I(R0+ΔR)=(Е-IR0)-IΔR,

где R0 - номинальное (начальное) сопротивление тензорезистора,

ΔR - приращение сопротивления тензорезистора.

При Е=IR0 выходное напряжение преобразователя пропорционально приращению сопротивления тензорезистора:

U=-IΔR,

что и требовалось в этом режиме преобразователя.

Характеристика преобразователя как функция от приращения сопротивления ΔR здесь может быть и несимметричной (если требуется) соответствующим выбором соотношения величины напряжения Е источника напряжения «Е» и величины тока I источника тока «I».

Величина рабочего напряжения операционного усилителя «У» на его выходе имеет небольшую величину, что также положительно сказывается на работе всего преобразователя.

Следует заметить, что выходной провод (от датчика) всей схемы, строго говоря, может и не принадлежать собственно преобразователю, т.к. не участвует в процессе выработки полезного сигнала, а лишь снимает (выводит) его - полезный сигнал уже сформирован на соответствующем выводе датчика. Этот провод даже может быть отведен не в сторону расположения преобразователя, а совсем в другую. Его наличие или отсутствие не влияет на формирование положительного эффекта. Поэтому в формуле изобретения он специально не оговорен.

К полезным преимуществам заявляемого технического решения следует отнести также простоту автоматизации переключения режимов работы преобразователя выполнением переключателя «К» на базе электронных КМОП-схем с управляющим входом. Данный преобразователь обладает целым рядом положительных преимуществ: возможность работы с удаленными датчиками с четырехпроводным подключением, возможность электронной коммутации датчиков четырехканальными микросхемами, чрезвычайно малое количество используемых элементов, их однотипность в обоих режимах (что обеспечивает большую стабильность, надежность), упрощение обслуживания, уменьшение затрат на изготовление и поддержание в рабочем состоянии.

По данному предложению на предприятии выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных устройств, которые подтверждают возможность реализации заявляемых вариантов преобразователей сигналов четырехпроводных тензорезисторных датчиков и возможность получения заявленного технического результата.

Реализация предложения в многоточечных измерительных системах для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций в самолетостроении и других отраслях позволит существенно упростить получение результатов испытаний, снизить затраты на изготовление и обслуживание измерительного оборудования, повысить надежность его работы, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию испытуемых конструкций летательных аппаратов.

Преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков, содержащий источник тока и операционный усилитель, подключенные выходами к токовым клеммам преобразователя, отличающийся тем, что в него введены источник напряжения и переключатель, общий вывод которого соединен с неинверсным входом операционного усилителя, а два других вывода - к выходу источника напряжения и общей шине преобразователя, причем инверсный вход усилителя соединен с потенциальной клеммой преобразователя, при этом токовые и потенциальные клеммы преобразователя ориентированы относительно друг друга так, что при подключении преобразователя к одиночному тензорезистору инверсный вход усилителя и выход источника тока соединены с одноименными соответственно потенциальной и токовой клеммами.