Устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. для исследования прочности конструкций с помощью тензорезисторов. Устройство содержит тензорезистор, резистор и источник тока, соединенные последовательно, а также два дифференциальных усилителя, входы которых подключаются параллельно тензорезистору и резистору через переключатель, а выходы образуют выход устройства. Измерения производятся в 2 такта, в первом входы одного дифференциального усилителя подключены к тензорезистору, второго - к резистору, во втором такте входы первого дифференциального усилителя подключаются к резистору, второго - к тензорезистору. Результатом измерения является разность выходных сигналов устройства при первом и втором тактах, при этом компенсируются неинформативные составляющие сигнала, определяющие основные погрешности преобразования, повышение технологичности, уменьшение габаритов и стоимости устройства, а также сокращение времени измерения. 1 ил.

 

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. для исследования прочности конструкций с помощью тензорезисторов.

Известен преобразователь изменения сопротивления в напряжение, содержащий тензорезистор, резистор и источник переменного тока, соединенные последовательно, а также два трансформатора, первичная обмотка одного из них подключена параллельно тензорезистору, первичная обмотка второго - параллельно резистору, при этом вторичные обмотки трансформаторов включены последовательно-встречно, а выходы трансформаторов образуют выход устройства.

При коэффициенте передачи трансформаторов, равном 1, выходной сигнал

U_вых=I(R_тр-R₀),

где I - ток в цепи тензорезистор-резистор,

R_тр и R₀ - сопротивления тензорезистора и резистора соответственно.

При изменении сопротивления тензорезистора, вызванном деформацией, на величину ±ΔR_тр и равенстве сопротивлений R_трн=R₀, где R_трн - начальное сопротивление тензорезистора, напряжение на выходе преобразователя U_вых=±IΔR_тр, т.е. осуществляется преобразование изменения сопротивления тензорезистора в напряжение. Такая схема преобразования приведена в статье «Аппаратура для измерения деформаций и температур», Труды ЦАГИ, 1974 г., вып.1599, стр.105-118, авторы А.И.Беклемищев, B.C.Волобуев.

Недостатком приведенного устройства является существенное влияние нестабильности коэффициентов передачи трансформаторов на результат преобразования. Как легко показать, относительная погрешность δ выходного сигнала определяется выражением:

где К₁ и К₂ - коэффициенты передачи трансформаторов.

Для металлических тензорезисторов R_трн/ΔR_тр≥200. Такое увеличение погрешности является следствием определения малой разности (IΔR_тр) больших величин (IR_тр и IR₀).

Коэффициент передачи трансформатора К₁, соединенного с тензорезистором, зависит от величины и температурной нестабильности распределенных параметров (С, R, L) проводов, соединяющих тензорезистор с преобразователем, которое осуществляется обычно через коммутатор. От температуры также изменяются и коэффициенты передачи трансформаторов K₁ и К₂.

Техническим решением, устраняющим указанную погрешность и наиболее близким к предлагаемому изобретению, является преобразователь, входящий в состав устройства для измерения сигналов параметрических преобразователей, описанный в а.с. 381875, МПК G01B 7/18, 1973 г. Собственно преобразователь, как и рассмотренный выше, содержит тензорезистор, резистор и источник тока прямоугольной формы, соединенные последовательно, а также два трансформатора, первичные обмотки которых присоединены параллельно тензорезистору и резистору соответственно, а вторичные включены последовательно-встречно. Для повышения точности измерений в цепь между тензорезистором и резистором включен второй резистор, параллельно которому подключена первичная обмотка третьего трансформатора, вторичные обмотки которого включены последовательно-встречно к первичным обмоткам трансформаторов, соединенных с тензорезистором и резистором. Дополнительный трансформатор компенсирует постоянную составляющую сигнала IR_трн=IR₀, практически исключая погрешность δ, чем и обеспечивается положительный эффект.

Недостатком устройства является реализация вычитания сигналов на трансформаторах, что существенно усложняет его изготовление, увеличивает габариты и стоимость. Кроме того, индуктивность трансформатора, шунтирующего тензорезистор и соединительные кабели, увеличивает переходные процессы при коммутации датчиков и, соответственно, время измерения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение технологичности, уменьшение габаритов и стоимости устройства, а также сокращение времени измерения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования сопротивления в напряжение, содержащем тензорезистор, резистор и источник тока, соединенные последовательно, введены два дифференциальных усилителя и переключатель, при этом входы одного дифференциального усилителя через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а входы второго дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно резистору и через нормально разомкнутые - параллельно тензорезистору, при этом выходы дифференциальных усилителей являются выходом устройства.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для преобразования приращения сопротивления в напряжение. Устройство содержит тензорезистор R_тр, резистор R₀ и источник тока 1, соединенные последовательно, а также дифференциальные усилители 2 и 3, входы которых подключаются параллельно R_тр и R₀ через переключатель 4, а выходы усилителей являются выходами преобразователя.

При одном состоянии переключателя (нормально замкнутые контакты) входы усилителя 2 подключены параллельно R_тр, входы усилителя 3 - параллельно R₀. При втором состоянии (замкнуты К₅÷К₈, К₁÷К₄ разомкнуты) входы усилителя 2 подключаются параллельно R₀, усилителя 3 - параллельно R_тр.

Процесс измерения состоит из двух тактов.

В течение 1-го такта замыкаются контакты К₁÷К₄, контакты К₅÷K₈ - разомкнуты.

При этом напряжение U_вых на выходе преобразователя определяется как:

U_вых1=К_у1 IR_тр+U₀₁-К_у2 IR₀-U₀₂=К_у1 IΔR_тр+I(К_у1R_трн-К_у2R₀)+(U₀₁=U₀₂),

где К_у1 и К_у2 - коэффициенты усиления усилителей 2 и 3,

U₀₁, U₀₂ - «нули» усилителей, т.е. U_вых1 и U_вых2 при U_вх=0.

Первый член - формула преобразования ΔR_тр в напряжение, второй и третий - неинформативные составляющие, изменения которых приводят к погрешности.

Во втором такте замыкаются контакты К₅÷К₈, контакты К₁÷К₄ - разомкнуты и

U_выхII=-К_у2 IΔR_тр+I(K_y1R₀-К_у2R_трн)+(U₀₁-U₀₂).

Разность двух значений U_вых1-U_выхII=(К_у1+K_y2)IΔR_тр не содержит неинформативных составляющих и является результирующей формулой преобразования.

В практической реализации R₀=R_трн и К_у1=К_у2=1, т.е. информативный сигнал удваивается при вычитании. Вычитание сигналов при двухтактных измерениях может осуществляться как в аналоговом виде, так и преобразованием сигналов в цифровой эквивалент и последующим вычитанием в ЭВМ.

Поскольку изменения К_у1 и К_у2 во времени и от изменения температуры окружающей среды являются низкочастотным процессом, а время измерения (такт) составляет десятки микросекунд, погрешность, представляющая собой в рассматриваемом случае изменения неинформативных составляющих за время измерения, пренебрежимо мала. При необходимости и она может быть уменьшена увеличением числа тактов (измерений) и обработкой информации по известным алгоритмам.

Таким образом, предлагаемое устройство, не содержащее трансформаторов и выполненное на интегральных микросхемах, обеспечивает его технологичность, снижает габариты и стоимость, а также сокращает время измерения по сравнению с прототипами.

Предлагаемое изобретение будет использоваться при создании многоканальных тензометрических систем для исследования прочности конструкций, в том числе - натурных конструкций самолетов.

Устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, содержащее тензорезистор, резистор и источник тока, соединенные последовательно, отличающееся тем, что в него введены два дифференциальных усилителя и переключатель, при этом входы одного дифференциального усилителя через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а входы второго дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно резистору и через нормально разомкнутые - параллельно тензорезистору, при этом выходы дифференциальных усилителей образуют выход устройства.