Цифровой тензометрический преобразователь на несущей частоте
Владельцы патента RU 2696930:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения деформаций, усилий, давлений и других физических величин с помощью тензорезисторных датчиков, собранных в измерительный мост. Предлагается цифровой тензометрический преобразователь на несущей частоте, управляемый от компьютера через системную магистраль, дешифратор команд и содержащий измерительный мост программируемый генератор синусоидального напряжения несущей частоты, переключатель уровня выходного напряжения генератора, усилитель мощности напряжения генератора для питания измерительного моста, преобразователь синусоидального напряжения генератора в прямоугольное для управления синхронными детекторами преобразователя, предварительный инструментальный усилитель несущей частоты измеряемого сигнала, режекторный фильтр 50 Гц, усилитель несущей частоты с программируемым коэффициентом усиления, синхронный детектор измеряемого сигнала с переключаемым коэффициентом передачи, фильтр нижних частот с программируемой частотой среза, буферный прецизионный усилитель с дифференциальным выходом, двухканальный аналого-цифровой сигма-дельта преобразователь с дифференциальными входами, буферные усилители в обратной цепи питания измерительного моста, формирователь калибровочных сигналов из напряжения питания измерительного моста, синхронный детектор напряжения питания измерительного моста, фильтр нижних частот напряжения питания измерительного моста, буферный прецизионный усилитель, формирующий опорное напряжение сигма-дельта АЦП (логометрическая схема измерения), устройство выбора режима работы преобразователя. Компенсация фазового сдвига сигнала в измерительном канале, возникающего из-за влияния реактивных параметров кабелей, соединяющих измерительный мост с преобразователем и вносящих погрешность в результат измерения, осуществляется с помощью устройства, формирующего временные сдвиги сигналов управления синхронными детекторами, реализованного в микросхеме программируемой логики. Техническим результатом при реализации заявленного решения выступает повышение разрешающей способности преобразователя, повышение точности измерений статических и низкочастотных динамических сигналов, упрощение электрической схемы, уменьшение габаритов, реализация конструкции в виде модуля в международном стандарте PXI (3U). 1 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения деформаций, усилий, давлений и других физических величин с помощью тензорезисторных датчиков, собранных в измерительный мост.
Известны цифровые тензометрические преобразователи на несущей частоте для измерения сигналов тензорезисторных измерительных мостов включающие генератор синусоидальных сигналов мощности для питания тензорезисторного моста, коммутатор сигналов, дифференциальный усилитель, низкочастотные фильтры, синхронный детектор, аналого-цифровой преобразователь, средства автоматической калибровки и балансировки измерительного канала, (см. Универсальный усилитель MGCplus. Технические данные усилителя несущей частоты ML38 // Каталог фирмы НВМ. Образцовый усилитель-нормализатор для тензометрических измерений (АИСТ МС-6) // Справочник инженера №5, 2015 г.).
К недостаткам известных преобразователей относятся:
- ограниченный частотный диапазон измеряемых сигналов (≤10 Гц - ML38);
- ограниченный уровень измеряемого сигнала и частота дискретизации измеряемого сигнала (3 мВ/В, 100 Гц - АИСТ МС-6);
- значительные габаритные размеры.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятым за прототип, является цифровой тензометрический преобразователь на несущей частоте, предназначенный для измерения статических и динамических сигналов тензорезисторных мостовых датчиков различных физических величин (см. Измерительный преобразователь на несущей частоте. Патент на изобретение №2396511 РФ. 2010. БИ, №22).
Измерительный преобразователь на несущей частоте, принятый за прототип, включает измерительный мост, задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, сумматор, источник опорного эталонного напряжения, переключатель уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения, детектор, буферный усилитель, предварительный усилитель несущей частоты, устройства управления режимами работы преобразователя, устройство калибровки, балансировочное устройство, выведенное из цепи измерительного моста и состоящее из цифрового потенциометра фазовой балансировки сигнала, цифрового потенциометра омической балансировки сигнала, делителя напряжения питания измерительного моста, буферного усилителя, демодулятор, активный фильтр нижних частот с программно переключаемыми частотами среза, усилитель постоянного напряжения с программно переключаемым коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь для получения кодового эквивалента аналогового сигнала, дешифратор команд управления, системную магистраль, компьютер. Буферный усилитель, детектор, сумматор, переключатель уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения образуют устройство стабилизации и переключения уровня напряжения питания измерительного моста. Измерительный мост соединен с устройством управления режимами работы преобразователя, который соединен с предварительным инструментальным усилителем несущей частоты, а также с буферным усилителем напряжения питания измерительного моста. Буферный усилитель напряжения питания измерительного моста через формирователь калибровочных сигналов на прецизионных резисторах соединен с устройством управления режимами работы преобразователя, Также измерительный мост соединен с усилителем мощности питания измерительного моста, последний последовательно соединен с переключателем уровня напряжения питания измерительного моста, генератором синусоидального напряжения несущей частоты, преобразователем синусоидального напряжения генератора в прямоугольное. Цифровые входы и выходы дешифратора команд управления через системную магистраль соединены с компьютером.
К недостаткам прототипа относится:
- недостаточная разрешающая способность аналого-цифрового преобразования сигналов;
- недостаточная точность измерения сигналов измерительных мостов;
- сложность схемы измерения;
- значительные габариты (6U).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности и точности тензометрического преобразователя на несущей частоте, упрощение схемы и уменьшение габаритов.
Технический результат достигается тем, что цифровой тензометрический преобразователь на несущей частоте, содержащий измерительный мост, генератор синусоидального напряжения несущей частоты, переключатель уровня напряжения питания измерительного моста, усилитель мощности питания измерительного моста, преобразователь синусоидального напряжения генератора в прямоугольное, устройство управления режимами работы преобразователя, предварительный инструментальный усилитель несущей частоты, фильтр нижних частот измеряемого сигнала с программируемой частотой среза, формирователь калибровочных сигналов на прецизионных резисторах, буферный усилитель напряжения питания измерительного моста, дешифратор команд управления, системную магистраль, компьютер, при этом измерительный мост соединен с устройством управления режимами работы преобразователя, который соединен с предварительным инструментальным усилителем несущей частоты, а также с буферным усилителем напряжения питания измерительного моста, который через формирователь калибровочных сигналов на прецизионных резисторах соединен с устройством управления режимами работы преобразователя, с усилителем мощности питания измерительного моста, последний последовательно соединен с переключателем уровня напряжения питания измерительного моста, генератором синусоидального напряжения несущей частоты, преобразователем синусоидального напряжения генератора в прямоугольное, а также цифровые входы и выходы дешифратора команд управления через системную магистраль соединены с компьютером, дополнительно содержит режекторный фильтр, усилитель несущей частоты с программируемым коэффициентом усиления, синхронный детектор измеряемого сигнала с переключаемым коэффициентом передачи, буферный прецизионный усилитель измеряемого сигнала с дифференциальным выходом, двухканальный сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь с дифференциальными входами, синхронный детектор напряжения питания измерительного моста с переключаемым коэффициентом передачи, фильтр нижних частот, буферный прецизионный усилитель опорного сигнала сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя, при этом вход режекторного фильтра соединен с выходом предварительного инструментального усилителя несущей частоты, а выход с входом усилителя несущей частоты с программируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом синхронного детектора измеряемого сигнала с переключаемым коэффициентом передачи, выход синхронного детектора соединен с входом фильтра нижних частот с программируемой частотой среза, выход фильтра соединен с входом буферного прецизионного усилителя измеряемого сигнала с дифференциальным выходом, который соединен с одним из дифференциальных входов двухканального сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя, выход буферного усилителя напряжения питания измерительного моста соединен с входом синхронного детектора напряжения питания измерительного моста с переключаемым коэффициентом передачи, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом буферного прецизионного усилителя с дифференциальным выходом, а выход усилителя соединен с входом опорного сигнала и вторым дифференциальным входом двухканального сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя, выходы дешифратора команд управления соединены с входом устройства управления режимами работы преобразователя, с входом усилителя несущей частоты с программируемым коэффициентом усиления, с входом фильтра нижних частот с программируемой частотой среза, с входами синхронных детекторов измеряемого сигнала и напряжения питания измерительного моста с переключаемыми коэффициентами передачи, с входом генератора синусоидального напряжения несущей частоты, с входом переключателя уровня напряжения питания измерительного моста и с выходом преобразователя синусоидального напряжения генератора в прямоугольное, с двухканальным сигма-дельта аналого-цифровым преобразователем.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков, в совокупности (указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат:
- повышение разрешающей способности преобразователя;
- повышение точности измерений статических и низкочастотных динамических сигналов;
- упрощение электрической схемы;
- уменьшение габаритов;
- реализация конструкции в международном стандарте PXI (3U).
Изобретение поясняется рисунком (фигурой).
Предлагаемый тензометрический преобразователь включает: измерительный мост 1, генератор синусоидального напряжения несущей частоты 2, переключатель уровня напряжения питания измерительного моста 3, усилитель мощности питания измерительного моста 4, преобразователь синусоидального напряжения генератора в прямоугольное 5, устройство управления режимами работы преобразователя 6, предварительный инструментальный усилитель несущей частоты 7, режекторный фильтр 50 Гц 8, усилитель несущей частоты с программируемым коэффициентом усиления 9, синхронный детектор измеряемого сигнала с переключаемым коэффициентом передачи 10, фильтр нижних частот измеряемого сигнала с программируемой частотой среза 11, буферный прецизионный усилитель измеряемого сигнала с дифференциальным выходом 12, двухканальный сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, буферный усилитель напряжения питания измерительного моста 14, формирователь калибровочных сигналов 15 на прецизионных резисторах, синхронный детектор напряжения питания измерительного моста с переключаемым коэффициентом передачи 16, фильтр нижних частот 17, буферный прецизионный усилитель опорного сигнала сигма-дельта АЦП 18, дешифратор команд управления 19, системную магистраль 20, компьютер 21.
Измерительный мост 1 соединен с устройством управления режимами работы преобразователя 6, который соединен с предварительным инструментальным усилителем несущей частоты 7, а также с буферным усилителем напряжения питания измерительного моста 14, который через формирователь калибровочных сигналов на прецизионных резисторах 15 соединен с устройством управления режимами работы преобразователя 6, с усилителем мощности питания измерительного моста 4, последний последовательно соединен с переключателем уровня напряжения питания измерительного моста 3, генератором синусоидального напряжения несущей частоты 2, преобразователем синусоидального напряжения генератора в прямоугольное 5, а также цифровые входы и выходы дешифратора команд управления 19 через системную магистраль 20 соединены с компьютером 21.
Вход режекторного фильтра 8 соединен с выходом предварительного инструментального усилителя несущей частоты 7, а выход с входом усилителя несущей частоты с программируемым коэффициентом усиления 9, выход которого соединен с входом синхронного детектора измеряемого сигнала с переключаемым коэффициентом передачи 10. Выход синхронного детектора соединен с входом фильтра нижних частот с программируемой частотой среза 11, выход фильтра соединен с входом буферного прецизионного усилителя измеряемого сигнала 12 с дифференциальным выходом, который соединен с одним из дифференциальных входов двухканального сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя 13. Выход буферного усилителя напряжения питания измерительного моста соединен с входом синхронного детектора напряжения питания измерительного моста с переключаемым коэффициентом передачи 16, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот 17. Выход фильтра 17 соединен с входом буферного прецизионного усилителя с дифференциальным выходом 18, а выход усилителя соединен с входом опорного сигнала и вторым дифференциальным входом двухканального сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя 13. Выходы дешифратора команд управления 19 соединены с входом устройства управления режимами работы преобразователя, с входом усилителя несущей частоты с программируемым коэффициентом усиления 9, с входом фильтра нижних частот с программируемой частотой среза 11, с входами синхронных детекторов измеряемого сигнала и напряжения питания измерительного моста с переключаемыми коэффициентами передачи 10 и 16, с входом генератора синусоидального напряжения несущей частоты 2, с входом переключателя уровня напряжения питания измерительного моста 3 и с выходом преобразователя синусоидального напряжения генератора в прямоугольное 5, с двухканальным сигма-дельта аналого-цифровым преобразователем 13.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.
Напряжение несущей частоты синусоидальной формы 225 Гц устанавливается в генераторе синусоидального напряжения несущей частоты кодом, поступающим на управляющий вход генератора от компьютера 21 через системную магистраль 20 и дешифратор команд управления 19. Выходное напряжение генератора синусоидального напряжения несущей частоты 2, через переключатель 3 уровня напряжения питания измерительного моста 1, подается на усилитель мощности питания измерительного моста 4, который формирует парафазное напряжение для питания моста. Напряжение питания измерительного моста устанавливается на один из двух уровней 10 В и 5 В переключением резистора на выходе генератора синусоидального напряжения несущей частоты 2.
Измеряемый сигнал Ux на несущей частоте с измерительного моста 1 поступает на устройство управления режимами работы 6 преобразователя, усиливается предварительным инструментальным усилителем несущей частоты 7, фильтруется режекторным фильтром 50 Гц 8, усиливается усилителем несущей частоты 9 с программируемым коэффициентом усиления (2, 4, 8, 16), подвергается синхронному детектированию в синхронном детекторе измеряемого сигнала с переключаемым коэффициентом передачи (0,4; 0,8), фильтруется фильтром нижних частот измеряемого сигнала с программируемой частотой среза 11 (0,36 Гц; 3,6 Гц; 36 Гц). С помощью устройства управления режимами работы преобразователя 6 осуществляется выбор между измеряемым сигналом Ux, калибровочным Uк и нулевым сигналом общей шины преобразователя U0.
Калибровочный сигнал Uк формируется из напряжения, поступающего с диагонали питания измерительного моста 1, через буферный операционный усилитель напряжения питания измерительного моста 14, на формирователь калибровочных сигналов 15 на прецизионных резисторах (0,6 мВ/В, 1,2 мВ/В, 2,5 мВ/В, 5 мВ/В).
После синхронного детектирования в синхронном детекторе измеряемого сигнала с переключаемым коэффициентом передачи 10, и фильтрации фильтром нижних частот измеряемого сигнала с программируемой частотой среза 11 сигнал нормализуется в буферном прецизионном усилителе измеряемого сигнала с дифференциальным выходом 12 и оцифровывается 24-разрядным аналого-цифровым сигма-дельта преобразователем 13 с дифференциальным входом (IN1+, IN1-).
Опорное напряжение сигма-дельта АЦП формируется из напряжения питания измерительного моста 1, которое после буферного операционного усилителя напряжения питания измерительного моста 14, подвергается синхронному детектированию в демодуляторе 16 с переключаемым коэффициентом передачи (0,4; 0,8), фильтруется фильтром нижних частот 17 (0,36 Гц), нормализуется в буферном инструментальном усилителе 18 и подается на входы опорного напряжения сигма-дельта АЦП (REF+, REF-) и второй дифференциальный вход АЦП (IN2+, IN2-) для измерения.
Схема измерения, в которой в качестве опорного напряжения АЦП используется напряжение, сформированное из напряжения питания измерительного моста (логометрическая), компенсирует погрешности преобразователя от нестабильности питания измерительного моста.
Компенсация фазового сдвига сигналов, в измерительном канале тензометрического преобразователя, возникающего за счет реактивных параметров измерительного моста 1 и соединительных кабелей, вносящего погрешность в результаты измерений, осуществляется программно временным сдвигом сигналов управления синхронным детектором измеряемого сигнала с переключаемым коэффициентом передачи 10 (SIG_CARRIER) и синхронным детектором опорного сигнала 16 (REF_CARRIER), по отношению к фазе сигнала (CARRIER), сформированного с помощью преобразователя 5 из синусоидального напряжения генератора синусоидального напряжения несущей частоты 2 в прямоугольное. Временные сдвиги программно формируются в микросхеме программируемой логики дешифратора команд управления.
Предлагаемое техническое решение преобразователя может найти применение в различных областях измерительной техники.
Таким образом, изобретение соответствует критерию охраноспособности - «промышленное применение».
Цифровой тензометрический преобразователь сконструирован и изготовлен в виде модуля в стандарте PXI (3U), исследован в составе магистрально-модульной измерительной системы на платформе PXI/PXI Express.
Исследования преобразователя показали высокую точность измерений статических и низкочастотных сигналов тензорезисторных измерительных мостов (≤0,005%) в диапазоне сигналов 0,625 мВ/В…5 мВ/В и частот до 36 Гц при длине измерительного кабеля до 70 м.
Цифровой тензометрический преобразователь на несущей частоте, содержащий измерительный мост, генератор синусоидального напряжения несущей частоты, переключатель уровня напряжения питания измерительного моста, преобразователь синусоидального напряжения генератора в прямоугольное, устройство управления режимами работы преобразователя, предварительный инструментальный усилитель несущей частоты, фильтр нижних частот измеряемого сигнала с программируемой частотой среза, формирователь калибровочных сигналов на прецизионных резисторах, буферный усилитель напряжения питания измерительного моста, дешифратор команд управления, системную магистраль, компьютер, при этом измерительный мост соединен с устройством управления режимами работы преобразователя, который соединен с предварительным инструментальным усилителем несущей частоты, а также с буферным усилителем напряжения питания измерительного моста, который через формирователь калибровочных сигналов на прецизионных резистоpax соединен с устройством управления режимами работы преобразователя, с усилителем мощности питания измерительного моста, последний последовательно соединен с переключателем уровня напряжения питания измерительного моста, генератором синусоидального напряжения несущей частоты, преобразователем синусоидального напряжения генератора в прямоугольное, а также цифровые входы и выходы дешифратора команд управления через системную магистраль соединены с компьютером, отличающийся тем, что дополнительно содержит режекторный фильтр, усилитель несущей частоты с программируемым коэффициентом усиления, синхронный детектор измеряемого сигнала с переключаемым коэффициентом передачи, буферный прецизионный усилитель измеряемого сигнала с дифференциальным выходом, двухканальный сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь с дифференциальными входами, синхронный детектор напряжения питания измерительного моста с переключаемым коэффициентом передачи, фильтр нижних частот, буферный прецизионный усилитель опорного сигнала сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя, при этом вход режекторного фильтра соединен с выходом предварительного инструментального усилителя несущей частоты, а выход - с входом усилителя несущей частоты с программируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом синхронного детектора измеряемого сигнала с переключаемым коэффициентом передачи, выход синхронного детектора соединен с входом фильтра нижних частот с программируемой частотой среза, выход фильтра соединен с входом буферного прецизионного усилителя измеряемого сигнала с дифференциальным выходом, который соединен с одним из дифференциальных входов двухканального сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя, выход буферного усилителя напряжения питания измерительного моста соединен с входом синхронного детектора напряжения питания измерительного моста с переключаемым коэффициентом передачи, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом буферного прецизионного усилителя с дифференциальным выходом, а выход которого соединен с входом опорного сигнала и вторым дифференциальным входом двухканального сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя, выходы дешифратора команд управления соединены с входом устройства управления режимами работы преобразователя, с входом усилителя несущей частоты с программируемым коэффициентом усиления, с входом фильтра нижних частот с программируемой частотой среза, с входами синхронных детекторов измеряемого сигнала и напряжения питания измерительного моста с переключаемыми коэффициентами передачи, с входом генератора синусоидального напряжения несущей частоты, с входом переключателя уровня напряжения питания измерительного моста и с выходом преобразователя синусоидального напряжения генератора в прямоугольное, с двухканальным сигма-дельта аналого-цифровым преобразователем.
