ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам преобразования напряжения тензометрического моста в цифровой код, и может быть использовано для измерения деформаций тензорезистивными датчиками в широком диапазоне.

Известно тензометрическое устройство, содержащее блок питания, тензометрический мост с диагональю питания и измерительной диагональю, диагональ питания которого соединена с выходом блока питания, дифференциальный усилитель, входы которого соединены с измерительной диагональю тензометрического моста, регулируемый усилитель, информационный вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, переключатель коэффициента усиления регулируемого усилителя, соединенный с управляющим входом этого усилителя, и аналого-цифровой преобразователь с измерительным и опорным входами.

Кроме того, известное устройство содержит блок управления с задающим и стробирующим выходами, управляемый делитель импульсного напряжения, синхронный демодулятор с управляющим входом, фильтр, согласующий усилитель, коммутатор, дополнительный усилитель, дополнительное последовательно соединенные синхронный демодулятор, фильтр и согласующее устройство.

Недостатком этого тензометрического устройства является сложность схемы преобразования напряжения тензомоста, недостаточная надежность устройства и точность преобразования, обусловленные наличием большого количества элементов схемы, вносящих дополнительную погрешность.

Целью изобретения является повышение точности и надежности устройства путем упрощения его схемы.

Это достигается тем, что в предлагаемом тензометрическом устройстве, блок питания выполнен в виде дифференциального источника постоянного напряжения, имеющего три выхода, первый и третий из которых соединены с диагональю питания тензометрического моста, первый и второй выходы - соответственно с опорным входом и измерительной землей аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого соединен с выходом регулируемого усилителя.

В результате преобразования сигнала тензомоста по предлагаемому техническому решению на выходе АЦП получают числовое значений кода сигнала N_k, не зависящее от напряжения питания тензомоста и напряжения разбаланса тензомоста U_p, т.е.

N_к = 2K·K_ус·N_м
(1) где σ - нормальное напряжение на тензодатчике;
Е - модуль упругости;
К - коэффициент усиления тензометрического преобразователя;
К_ус - коэффициент тензочувствительности датчика;
N_м - максимальное числовое значение кода АЦП (255 ед.).

Известно, что
U_р=U
где U_p - напряжение на выходе тензомоста (напряжение разбаланса);
U_п - напряжение питания тензомоста;
ΔR_пл - приращение сопротивления плеча тензомоста;
R_пл - сопротивление одного плеча тензомоста.

В свою очередь известно, что
= K
В случае, когда сопротивления тензодатчиков равны, сопротивление тензомоста и его приращение равны соответственно R_пл и Δ R_пл. Тогда можно записать:
U_р= U Значение напряжения сигнала на выходе усилительного тракта преобразователя U_c можно выразить формулой:
U_c=U_р·K_ус=UK_ус
(2) a N_к = N_m где U_o - опорное напряжение АЦП.

В предложенной схеме преобразователя напряжение питания подается на АЦП и используется в качестве опорного, т. е. U_o=U_п/2. В этом случае N_к = N_m, или, подставив значение из (2) получим: N_к = N_m или после упрощения:
N_к = K·K_ус·N_m
(3)
Таким образом, числовое значение кода на выходе АЦП N_k прямо пропорционально нормальному напряжению на тензодатчике или относительной деформации исследуемого объекта ε = ( ε) и не зависит от напряжения питания и напряжения разбаланса тензомоста.

На чертеже изображена схема преобразователя.

Предлагаемый тензометрический преобразователь состоит из блока 1 питания с выходами а, б, в, тензометрического моста 2, диагональ питания которого подключена к выходам а и в блока питания, а измерительная диагональ - к входам дифференциального усилителя 3, регулируемого усилителя 4, информационный вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя 3, а управляющий вход - с выходом переключателя 5 коэффициента усиления, и аналого-цифрового преобразователя 6, опорный вход г которого подключен к выходу а блока питания 1, вход к выходу регулируемого усилителя 4, а вход "Измерительная земля" д - к выходу б блока питания.

Тензометрический преобразователь работает следующим образом. Напряжение питания с выходов а и в дифференциального источника постоянного напряжения 1 поступает на диагональ питания тензометрического моста 2, откуда сигнал, вызванный разбалансом последнего, поступает на вход дифференциального усилителя 3 и дальше - на вход регулируемого усилителя 4, коэффициент усиления которого задают положением переключателя 5.

С выхода регулируемого усилителя 4 усиленный сигнал поступает на информационный вход е аналого-цифрового преобразователя 6, на опорный вход г которого поступает напряжение с выхода а источника питания. Изменение напряжения питания на выходе дифференциального источника постоянного напряжения вызывает изменение напряжения на питающей диагонали моста, что приводит к соответствующему изменению напряжения на измерительной диагонали моста, а также на выходах дифференциального 3 и регулируемого 4 усилителя. В результате изменяется сигнал на информационном е и на опорном г входах АЦП.

Питание тензомоста и опорного входа АЦП постоянным напряжением от дифференциального источника постоянного напряжения обеспечивает высокую стабильность цифрового кода АЦП и высокую точность преобразования сигнала. Простота схемы преобразователя обеспечивает надежность ее в работе.

Изобретение относится к контрольно-испытательной технике и может быть использованно для тензометрии. Цель - повышение надежности и точности контроля за счет использования в схеме обработки сигналов АЦП со стабильным опорным напряжением. Последнее формируют из напряжения питания диагонали тнзометрического моста. 1 ил.

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий блок питания, тензометрический мост с диагональю питания и измерительной диагональю, диагональ питания которого соединена с выходом блока питания, дифференциальный усилитель, входы которого соединены с измерительной диагональю тензометрического моста, регулируемый усилитель, информационный вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, переключатель коэффициента усиления регулируемого усилителя и аналого-цифровой преобразователь с измерительным и опорным входами, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности контроля, блок питания выполнен в виде дифференциального источника постоянного напряжения с тремя выходами, первый и третий из которых соединены с диагональю питания тензометрического моста, первый и второй выходы блока питания соединены соответственно с опорным входом и измерительной землей аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого соединен с выходом регулируемого усилителя.