ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 2005 года по МПК G01L1/22 G01B7/16 G01D3/28 

Предлагаемое изобретение относится к электрическим измерительным устройствам, предназначенным для измерения деформаций твердых тел и возникающих при этом сил путем их преобразования в электрические величины.

Тензометрические датчики силы являются широко распространенными элементами. Они выполняются в виде конструкции, содержащей закрепленную на неподвижном основании упругую балку с наклеенными на нее тензорезисторами. Например, тензорезисторный датчик силы по патенту РФ № 2164669, G 01 L 1/22. Тензорезисторы объединяются в мостовую схему, вход которой запитывается источником постоянного напряжения, а выход подключается ко входам дифференциального усилителя, выход которого является выходом датчика. Недостатком такого датчика является наличие большого начального выходного сигнала, вызванного начальным разбалансом тензомоста, связанным с неоднородностью клеевого слоя и отклонениями размеров упругих балок.

С целью устранения начального выходного сигнала в датчик вводят различные балансировочные устройства, как, например, в принятом за прототип тензодатчике силы, приведенном в книге Е.С.Левшина и П.В.Новицкого “Электрические измерения физических величин”,

Энергоатомиздат, 1983 г., стр. 105, рис. 5-17. Данный тензометрический датчик силы содержит тензомост, образованный тензорезисторами, наклеенными на закрепленный на неподвижном основании упругий элемент, и подключенный входом к источнику постоянного напряжения, а выходом к первому дифференциальному усилителю, балансировочное устройство, выполненное в виде резистивного потенциометра (делителя напряжения), входом подключенное к источнику постоянного напряжения, а выходом - к второму дифференциальному усилителю, при этом выходы обоих дифференциальных усилителей подключены к дифференциальным входам усиливающего сумматора. Кроме того, как правило, выход датчика подключают к аналого-цифровому преобразователю АДС. Все данные существенные признаки, кроме выполнения балансировочного устройства в виде резисторного потенциометра, совпадают с существенными признаками предлагаемого технического решения.

Недостатком данного датчика является ручное управление балансировкой начального разбаланса, что осложняет работу датчика, а также ухудшает его помехозащищенность, поскольку потенциометр для ручного управления приходится размещать на расстоянии от тензомоста.

Предлагаемым изобретением решается техническая задача полной автоматизации процесса балансировки тензодатчика при повышении его помехозащищенности и чувствительности.

Для достижения указанного технического результата тензометрический датчик силы содержащий тензомост, образованный тензорезисторами, наклеенными на закрепленный на неподвижном основании упругий элемент, и подключенный входом к источнику постоянного напряжения, а выходом к первому дифференциальному усилителю, балансировочное устройство, входом подключенное к источнику постоянного напряжения, а выходом - к второму дифференциальному усилителю, при этом выходы обоих дифференциальных усилителей подключены к дифференциальным входам усиливающего сумматора, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, дополнительно содержит коммутатор, подключенный входами к выходам первого дифференциального усилителя и усиливающего сумматора, а выходом к аналого-цифровому преобразователю, регистр запоминания старших разрядов, подключенный входом к аналого-цифровому преобразователю, а также шифратор, подключенный входом к регистру запоминания старших разрядов, а выходом к балансировочному устройству, при этом балансировочное устройство выполнено в виде резистивной матрицы с ключами, управляющие входы которых соединены с шифратором, причем резисторы матрицы объединены в мостовую схему, имеют входные сопротивления, равные сопротивлениям тензомоста, и размещены на неподвижном основании упругого элемента, а провода, подключенные к выходу моста резистивной матрицы, проложены в общем кабеле с проводами, подключенными к выходу тензомоста.

Отличительными признаками предлагаемого тензометрического датчика силы от известного является то, что он дополнительно содержит коммутатор, подключенный входами к выходам первого усилителя и усиливающего сумматора, а выходом к аналого-цифровому преобразователю, регистр запоминания старших разрядов, подключенный входом к аналого-цифровому преобразователю, а также шифратор, подключенный входом к регистру запоминания старших разрядов, а выходом к балансировочному устройству, при этом балансировочное устройство выполнено в виде резистивной матрицы с ключами, управляющие входы которых соединены с шифратором, причем резисторы матрицы объединены в мостовую схему, имеют входные сопротивления, равные сопротивлениям тензомоста, и размещены на неподвижном основании упругого элемента, а провода, подключенные к выходу моста резистивной матрицы, проложены в общем кабеле с проводами, подключенными к выходу тензомоста.

Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными, указанными в ограничительной части формулы, достигается следующий технический результат - полностью обнуляется начальный сигнал тензодатчика (сигнал с выхода сумматора) до значения, определяемого отброшенными младшими разрядами цифрового сигнала АДС; полностью компенсируются электромагнитные шумы в кабеле соединения тензомостов и электронного блока, поскольку импедансы измерительного канала (выход первого усилителя) и балансировочного канала (выход второго усилителя) равны и оба канала запитаны от одного источника, а также проложены в общем кабеле. Кроме того, за счет выполнения балансировочного устройства с цифровым управлением появилась возможность существенного повышения разрядности аналого-цифрового преобразования без повышения разрядности примененного аналого-цифрового преобразователя (АДС).

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый тензометрический датчик силы, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании выше изложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности “изобретательский уровень”.

Предложенное техническое решение может найти применение в электрических измерительных устройствах, предназначенных для высокоточного и оперативного измерения деформаций в различных отраслях техники, а следовательно, данное решение соответствует критерию “промышленно применимо”.

Изобретение поясняется электрической схемой, показанной на чертеже.

Изображенный на схеме тензометрический датчик силы содержит тензомост 1, образованный тензорезисторами, наклеенными на закрепленный на неподвижном основании упругий элемент (которым может служить, например, S-образная балка или упругий параллелограмм), и подключенный входом к источнику постоянного напряжения 2, а выходом к первому дифференциальному усилителю 3, балансировочное устройство 4, входом подключенное к источнику постоянного напряжения 2, а выходом - ко второму дифференциальному усилителю 5, при этом выходы обоих дифференциальных усилителей 3 и 5 подключены к дифференциальным входам усиливающего сумматора 6, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АДС) 7 через коммутатор 8. Коммутатор 8 подключен входами к выходам первого усилителя 3 и усиливающего сумматора 6, а выходом к аналого-цифровому преобразователю 7, регистр запоминания старших разрядов 9 подключен входом к аналого-цифровому преобразователю 7, а шифратор 10 подключен входом к регистру запоминания старших разрядов 9, а выходом к балансировочному устройству 4. При этом балансировочное устройство 4 выполнено в виде резистивной матрицы с ключами, управляющие входы которых соединены с шифратором 10. Причем резисторы матрицы балансировочного устройства 4 объединены в мостовую схему, имеют входные сопротивления, равные сопротивлениям тензомоста 1, и размещены на неподвижном основании упругого элемента, а провода, подключенные к выходу моста резистивной матрицы, проложены в общем кабеле с проводами, подключенными к выходу тензомоста 1.

Представленный на схеме тензометрический датчик силы работает следующим образом.

Балансировочное устройство 4 выполнено из 2-х цифровых потенциометров, соединенных между собой параллельно-встречно, так что последние образуют резистивную матрицу, коммутируемую ключами, которыми управляет сигнал шифратора 10. Благодаря такому выполнению балансировочного устройства 4 в схеме возможно следующее. Вначале коммутатор 8 подключает ко входу АДС 7 выход усилителя 3. АДС 7 преобразовывает вызванный деформациями упругого элемента разбаланс моста 1 в цифровой двоичный код, старшие разряды которого запоминаются в регистре 9. Данные регистра 9 в шифраторе 10 преобразуются в код управления ключами резистивной матрицы балансировочного устройства 4. Причем этот код управляет ключами матрицы так, что вызывает разбаланс резисторов устройства 4, аналогичный разбалансу тензомоста 1 с точностью до отброшенных младших разрядов. Физически такой шифратор 10 может быть реализован, например, на микросхеме ПЗУ. Или все балансировочное устройство 4 может быть выполнено из двух цифровых потенциометров. Тогда сигнал на выходе усилителей 5 и 3 - U5 и U3 можно записать в виде

где

U1 - напряжение источника питания 2;

ΔR1 и ΔR4 - разбаланс тензомоста 1 и моста - балансировочного устройства 4;

R4 и R1 - начальные входные сопротивления мостов;

К3 и К5 - коэффициенты усилителей 3 и 5;

uш3 и uш5 - наведенные шумы на усилителях 3 и 5.

Если выбрать R4=R1=R, К3=К5=К, а провода от моста 1 и моста 4 проложить в общем кабеле и при этом мост 4 разместить вблизи моста 1, то можно считать uш3=uш5.

Тогда для выхода усиливающего сумматора 6 можно записать

где K6- коэффициент усиления сумматора 6.

При этом видно, что шум на выходе усиливающего сумматора 6 отсутствует. Неизвестной величиной в уравнении (2) является ΔR1. ΔR4 - разбаланс моста 4, он же округленный до отброшенных младших разрядов разбаланс моста 1, измеренный при первом шаге. На втором шаге коммутатор 8 подключает к входу АДС 7 выход усилителя 6 и оцифровываются данные, которые несут информацию о младших разрядах разбаланса моста 1, а именно ΔR1-ΔR4, где ΔR1 - полный разбаланс моста 1, a ΔR4 - разбаланс моста 1, соответствующий старшим разрядам.

Таким образом, чтобы получить уточненное значение разбаланса тензомоста 1, здесь производятся два измерения - грубое и точное. Грубое позволяет настроить балансировочное устройство 4 так, чтобы получить на входе усилителя 6 компенсирующий сигнал, который содержит в себе шум, аналогичный шуму основного сигнала. Здесь балансировочный канал кроме основной функции (сбалансировать выход усилителя датчика с целью дальнейшего усиления) играет еще и роль модели основного измерительного канала, с помощью которой измеряется шум. Чтобы это реализовалось, необходимо только сформировать код шифратора 10 так, чтобы ключи резистивной матрицы коммутировали ее в соответствии с уравнением N=Кш ΔR/R, где N - код АДС при отброшенных младших разрядах; Кш - коэффициент пропорциональности между кодом N и разбалансом моста, образованным резистивной матрицей.

Тензометрический датчик силы содержит тензомост, балансировочное устройство, усиливающий сумматор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, запоминающий регистр и шифратор. Балансировочное устройство образовано резистивной матрицей с ключами, резисторы объединены в мостовую схему и закреплены на неподвижном основании упругого элемента. Импедансы тензомоста и резистивной матрицы одинаковы. Провода от тензомоста и резистивной матрицы идут в общем кабеле. Коммутатор позволяет получить на входе аналого-цифрового преобразователя либо сигнал с тензомоста, либо сумму сигналов с тензомоста и балансировочного устройства. Разбаланс тензомоста преобразуется в двоичный код, старшие разряды которого в шифраторе преобразуются в код управления ключами резистивной матрицы балансировочного устройства. Предложенное решение позволяет обнулять начальный сигнал тензодатчика с точностью до отброшенных младших разрядов, компенсировать наведенные электромагнитные шумы в кабеле, повысить разрядность преобразования без увеличения разрядности аналого-цифрового преобразователя. 1 ил.

Тензометрический датчик силы, содержащий тензомост, образованный тензорезисторами, наклеенными на закрепленный на неподвижном основании упругий элемент, и подключенный входом к источнику постоянного напряжения, а выходом к первому дифференциальному усилителю, балансировочное устройство, входом подключенное к источнику постоянного напряжения, а выходом ко второму дифференциальному усилителю, при этом выходы обоих дифференциальных усилителей подключены к дифференциальным входам усиливающего сумматора, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, отличающийся тем, что он дополнительно содержит коммутатор, подключенный входами к выходам первого дифференциального усилителя и усиливающего сумматора, а выходом к аналого-цифровому преобразователю, регистр запоминания старших разрядов, подключенный входом к аналого-цифровому преобразователю, а также шифратор, подключенный входом к регистру запоминания старших разрядов, а выходом к балансировочному устройству, при этом балансировочное устройство выполнено в виде резистивной матрицы с ключами, управляющие входы которых соединены с шифратором, причем резисторы матрицы объединены в мостовую схему, имеют входные сопротивления, равные сопротивлениям тензомоста, и размещены на неподвижном основании упругого элемента, а провода, подключенные к выходу моста резистивной матрицы, проложены в общем кабеле с проводами, подключенными к выходу тензомоста.