ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ Российский патент 2008 года по МПК G01R17/10 

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.

Ответственным этапом современного промышленного производства машин, аппаратов и сооружений является определение деформаций, напряжений, перемещений и усилий, вызываемых силовыми нагрузками. Решение этой задачи обеспечивается измерительными устройствами, способными измерять сигналы с тензорезисторных датчиков, представляющих собой как тензорезисторный мост, так и одиночные тензорезисторы (см., напр., Л.Дайчик, Н.И.Пригоровский, Г.Х.Хуршудов. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник. Основы проектирования машин. - М.: Машиностроение, 1989. Рис.6 - стр.51; рис.7 - стр.53; стр.89; рис.3 - стр.120; рис.7 - стр.121). Важным элементом таких измерительных устройств является преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков в электрическое напряжение.

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 предложенному является преобразователь сигналов мостовых резисторных датчиков, содержащий источник тока, подключенный к одной вершине питающей диагонали моста, 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 сигнал снимается со второй вершины выходной диагонали моста двумя (токовым и потенциальным) проводами (см., напр., 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.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя, а именно обеспечение возможности преобразования сигналов как мостовых, так и одиночных тензорезисторных датчиков.

С этой целью в преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков, содержащий операционный усилитель, и источник тока, подключенный к одной присоединительной клемме и общей шине преобразователя, выход операционного усилителя подключен ко второй присоединительной клемме, инверсный вход подключен к третьей присоединительной клемме, введены источник напряжения и переключатель, переключающий контакт которого соединен с неинверсным входом операционного усилителя, два других контакта переключателя подключены соответственно к одной клемме источника напряжения и общей шине преобразователя, соединенной с другой клеммой источника напряжения

Проведенные патентные исследования не выявили идентичных и сходных технических решений. Предлагаемый преобразователь может быть изготовлен в промышленных масштабах и пригоден для использования в промышленности и строительстве.

Заявляемое устройство успешно прошло испытания. Совокупность существенных признаков заявляемого устройства не следует явным образом из изученного уровня техники, имеет существенные отличия от рассмотренных аналогов. Поэтому заявляемое устройство соответствует критерию «новизна» и имеет изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены схемы предлагаемого устройства и показаны примеры его использования. На фиг.1 показано подключение к тензорезисторному мосту, на фиг.2 - подключение предлагаемого преобразователя к одиночному тензорезистору. Так как тензорезисторный мост и одиночный тензорезистор не являются элементами предлагаемого устройства, они показаны на схемах пунктиром.

Преобразователь содержит источник 1 тока, источник 2 напряжения, операционный усилитель 3, переключатель 4, присоединительные клеммы 5, 6, 7. Позицией 8 обозначена общая шина устройства, позицией 9 - точка съема выходного сигнала преобразователя относительно общей шины 8, позицией 10 - переключающий контакт переключателя 4, позициями 11 и 12 - другие контакты переключателя 4. Индексами R и R1÷R4 обозначены соответственно одиночный тензорезистор и тензорезисторный мост.

Источник тока 1 подключен к одной присоединительной клемме 5 и общей шине 8 преобразователя, выход операционного усилителя 3 подключен к присоединительной клемме 6, а его инверсный вход подключен к присоединительной клемме 7, переключающий контакт 10 переключателя 4 соединен с неинверсным входом операционного усилителя 3, контакт 11 переключателя 4 подключен к одной клемме источника 2 напряжения, другая клемма которого и контакт 12 переключателя 4 подключены к общей шине 8 преобразователя

Преобразователь подключают к тензорезисторному мосту (R1÷R4) (Фиг.1) или к одиночному тензорезистору R (Фиг.2) так, как это показано на фигурах.

Положение переключателя 4, при котором неинверсный вход операционного усилителя 3 соединен с общей шиной 8 (Фиг.1), соответствует режиму работы преобразователя с тензорезисторным мостом (R1-R4), а положение переключателя 4, при котором неинверсный вход операционного усилителя 3 соединен с источником 2 напряжения, соответствует режиму работы преобразователя с одиночным тензорезистором R (Фиг.2).

Операционный усилитель 3 охвачен глубокой отрицательной обратной связью, поэтому потенциал на его инвертирующем входе практически равен потенциалу на его неинвертирующем входе. Ток источника 1 тока протекает через клемму 5, тензорезистор R или тензорезисторный мост R1÷R4, клемму 6 на выход операционного усилителя 3. Инверсный вход операционного усилителя 3 подключен к датчику через клемму 7, через которую ток не протекает, поэтому потенциалы на обоих концах этого участка устройства равны, независимо от его длины и сопротивления соединительного провода.

Если преобразователь подключен к тензорезисторному мосту (Фиг.1), ток от источника 1 тока протекает по одной диагонали моста (R1÷R4), полезный сигнал формируется на другой диагонали моста, одна вершина которой (так же, как и неинверсный и инверсный входы операционного усилителя 3) находится под потенциалом общей шины (0 В), а с другой вершины снимается выходной сигнал U преобразователя, величина которого (с точностью до знака) равна:

или U=IΔR,

при R1=R3=R0+ΔR и R2=R4=R0-ΔR,

где ΔR - приращение сопротивления тензорезисторов моста (R1-R4);

(см., напр., Карандеев К.Б. Специальные методы электрических измерений. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963, с.100).

При работе преобразователя с одиночным тензорезистором (Фиг.2) потенциал одного из выводов тензорезистора R всегда будет практически равен напряжению Е источника 2 напряжения. Выходной сигнал U преобразователя здесь равен разности напряжения Е и падения напряжения на тензорезисторе R:

U=E-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.

Характеристика преобразователя как функция от приращения сопротивления ΔR здесь может быть и несимметричной (если требуется) соответствующим выбором соотношения величины напряжения Е источника 2 напряжения и величины тока I источника 1 тока.

К полезным характеристикам заявляемого технического решения следует отнести простоту автоматизации переключения режимов работы преобразователя выполнением переключателя 4 на базе электронных КМОП-схем с управляющим входом.

Данный преобразователь обладает целым рядом положительным свойств: возможность работы с удаленными датчиками с четырехпроводным подключением, возможность электронной коммутации датчиков четырехканальными микросхемами, малое количество используемых элементов, их однотипность в обоих режимах (что обеспечивает большую стабильность, надежность), прост в обслуживании.

Реализация предложения в многоточечных измерительных системах для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций в машиностроении 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.

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. 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 операционный усилитель и источник тока, подключенный к одной присоединительной клемме и общей шине преобразователя, выход операционного усилителя подключен ко второй присоединительной клемме, инверсный вход подключен к третьей присоединительной клемме. Дополнительно в состав преобразователя введены источник напряжения и переключатель, переключающий контакт которого соединен с неинверсным входом операционного усилителя, два других контакта переключателя подключены соответственно к одной клемме источника напряжения и общей шине преобразователя, соединенной с другой клеммой источника напряжения. 2 ил.

Преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков, содержащий операционный усилитель и источник тока, подключенный к одной присоединительной клемме и общей шине преобразователя, выход операционного усилителя подключен ко второй присоединительной клемме, инверсный вход подключен к третьей присоединительной клемме, отличающийся тем, что в него введены источник напряжения и переключатель, переключающий контакт которого соединен с неинверсным входом операционного усилителя, два других контакта переключателя подключены соответственно к одной клемме источника напряжения и общей шине преобразователя, соединенной с другой клеммой источника напряжения.