ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРИРАЩЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК G01R17/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к электротензометрии, и предназначено для использования в качестве преобразователя сигналов удаленных четырехпроводных одиночных тензорезисторных датчиков многоточечных измерительных систем для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций летательных аппаратов.

Современный летательный аппарат имеет чрезвычайно сложную конструкцию, которая при минимальном весе должна обладать необходимой прочностью. Приходится проводить специфические экспериментальные исследования в широком диапазоне воздействий в большом числе точек конструкции. Наиболее распространенным и универсальным видом измерений при исследованиях конструкций летательных аппаратов и большого ряда других объектов науки и техники является электротензометрия ([1]. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. - М., Машиностроение, 1974, с.3-12. 2. Автоматизация измерений и обработка данных при испытаниях самолета на прочность. И.Ф.Образцов, А.С.Голубков, А.Н.Серьезнов и др. - М., Машиностроение, 1991, с.75, таб.4.3. 3. Измерительная информационная система «Прочность-2000» для испытаний на прочность современной авиакосмической техники. Е.Г.Зубов, Ю.С.Ильин, В.В.Шевчук, Авиакосмическая техника и технология, 2003, №3, с.30-36). Важнейшим узлом измерительного оборудования здесь является преобразователь приращения сопротивления тензорезисторов, характеристиками которого в значительной мере определяются конечные результаты испытаний. Массовое использование тензорезисторов обусловлено целым рядом известных их достоинств. Однако приходится сталкиваться со специфическим набором сложных, труднорешаемых проблем и рядом специфических требований, предъявляемых к такому преобразователю: высокая чувствительность при малом токе тензорезистора, независимость результатов от сопротивлений соединительных проводов и входных коммутаторов датчиков, минимальное число элементов, участвующих в преобразовании, соответствие принципам агрегатирования (возможность задачи образцовых и снятие выходных напряжений относительно общей шины), линейная характеристика, высокое быстродействие и универсальность использования при различных номинальных сопротивлениях применяемых тензорезисторов.

Широко известен преобразователь с источником питания, подключенным к питающей диагонали моста, и выходным сигналом, снимаемым с выходной диагонали моста, в одно плечо которого включен одиночный тензорезистор (Хорна О. Тензометрические мосты. М. - Л., Госэнергоиздат, 1962, рис.1 - стр.13). Однако сопротивление соединительных проводов и их вариации вносят существенные погрешности в результате 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]. Многоточечные измерительные системы для переключения тензорезисторов имеют на входе коммутаторы, которые по переходному сопротивлению вносят дополнительные погрешности преобразования. Применение многопроводных схем включения тензорезистора в мост устраняет влияние начальных сопротивлений проводов и коммутирующих элементов [Методы и средства натурной тензометрии: Справочник (Основы проектирования машин) / М.Л.Дайчик, Н.И.Пригоровский, Г.Х.Хуршудов. - М.: Машиностроение, 1989, стр.51, рис.6], но остаются погрешности из-за неидентичности их сопротивлений и их девиаций (например, температурных). Кроме того, такие преобразователи имеют существенную нелинейную зависимость от деформации [там же, стр.52], к тому же не могут быть использованы для различных номинальных сопротивлений тензорезисторов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является преобразователь, состоящий из операционного усилителя с изолированным питанием двух разнополярных источников одинакового опорного напряжения и опорного резистора [Волгин Л.И. Линейные электрические преобразователи для измерительных приборов и систем. Изд-во «Советское радио», 1971, Стр.247, рис.4.21б]. Один источник опорного напряжения подключен к инверсному входу операционного усилителя, неинверсный вход и общий вывод которого соединен с одним выводом опорного резистора, подключенного другим выводом к общей шине устройства. Сопротивление опорного резистора равно номинальному сопротивлению используемого тензорезистора. Тензорезистор включен между общей шиной устройства и выходом операционного усилителя. Выходной сигнал (напряжение) преобразователя образуется между выходами операционного усилителя и второго источника опорного напряжения. Такой преобразователь обладает малыми погрешностями. Выходной сигнал равен:

или

где Е - напряжение источников опорного напряжения, R - сопротивление тензорезистора, R0 - сопротивление опорного резистора (номинальное сопротивление тензорезистора), ΔR - полезное (преобразуемое) приращение тензорезистора.

С другой стороны: U=E·S·ε, т.к.

где ε - относительная деформация и S - чувствительность тензорезистора [Клокова Н.П., Лукашик В.Ф., Воробьева Л.М., Волчек А.В. Тензодатчики для экспериментальных исследований. М., Машиностроение, 1972, стр.7, формула 3]. Т.е. выходной сигнал преобразователя пропорционален деформации, однако имеет значительную синфазную составляющую относительно общей шины, что отрицательно сказывается на точности и стабильности преобразования, а с точки зрения агрегатирования - на построение всего измерительного оборудования в целом. Кроме того, один провод (соединения тензорезистора с общей шиной устройства) вносит дополнительные погрешности. При этом такой преобразователь может работать с тензорезисторами только одного номинального сопротивления.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей преобразователя.

Техническим результатом изобретения является устранение погрешности из-за синфазной составляющей в полезном сигнале и влияния сопротивления проводов при работе с удаленными тензорезисторами в многоточечных измерительных системах, а также обеспечение возможности преобразования сигналов одиночных тензорезисторов с различными номинальными сопротивлениями.

В первом варианте технический результат достигается тем, что в преобразователь сигналов одиночных тензорезисторов, содержащий опорный резистор, источник опорного напряжения и с изолированным питанием операционный усилитель, общий вывод которого и неинверсный вход соединены с одним выводом опорного резистора, а выход - с первой токовой клеммой преобразователя, введен дополнительный относительно общей шины операционный усилитель, выход которого соединен со второй токовой клеммой преобразователя, инверсный вход - с первой потенциальной клеммой преобразователя, неинверсный вход и источник опорного напряжения - с другим выводом опорного резистора.

Во втором варианте технический результат достигается тем, что в преобразователь сигналов одиночных тензорезисторов, содержащий опорный резистор, источник опорного напряжения и с изолированным питанием операционный усилитель, выход которого соединен с первой токовой клеммой преобразователя, введен дополнительный относительно общей шины операционный усилитель, выход которого соединен со второй токовой клеммой преобразователя, инверсный вход - с первой потенциальной клеммой преобразователя, неинверсный вход и источник опорного напряжения - с первым выводом опорного резистора, введены N-1 дополнительных связанных первыми выводами с источником опорного напряжения опорных резисторов и дифференциальный N-входовой коммутатор, выходные выводы которого подключены соответственно к неинверсному входу и общему выводу с изолированным питанием операционного усилителя, а дифференциальные входы - соответственно ко вторым выводам одноименных опорных резисторов.

На Фиг.1 дана схема преобразователя по первому варианту.

На Фиг.2 дана схема преобразователя по второму варианту.

Источником полезного сигнала для преобразователя является одиночный тензорезистор 1, подключаемый четырьмя проводами к четырем клеммам преобразователя, которые образуют соответствующие (одноименные) пары, каждая из которых состоит из токовой и потенциальной клемм преобразователя.

В обоих вариантах преобразователь содержит источник опорного напряжения «Е» 4, операционный усилитель «У1» 2 с изолированным питанием, выход которого соединен с первой токовой клеммой преобразователя, операционный усилитель «У2» 3 относительно общей шины, выход которого соединен со второй токовой клеммой преобразователя, инверсный вход - с первой потенциальной клеммой преобразователя, а неинверсный вход - с источником опорного напряжения «Е» 4 (Фиг.1, Фиг.2).

В первом варианте один образцовый резистор «R0» 5 включен между источником опорного напряжения 4 и объединенными общим выводом и неинверсным входом операционного усилителя «У1» 2 с изолированным питанием (Фиг.1).

Во втором варианте N штук образцовых резисторов «R01»...«R0N» 5 связаны первыми выводами с источником опорного напряжения 4, а дифференциальный N-входовой коммутатор «К» 6 выходными выводами подключен соответственно к неинверсному входу и общему выводу с изолированным питанием операционного усилителя «У1» 2, а дифференциальными входами - соответственно ко вторым выводам одноименных опорных резисторов «R01»...«R0N» 5 (Фиг.2).

Выходной сигнал (напряжение) U преобразователя формируется на выводе тензорезистора 1, подключенного к выходу операционного усилителя «У2» 3, и принимается через соответствующие провод и вторую потенциальную клемму преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом.

В обоих вариантах ток I питания датчика 1 протекает (никуда не ответвляясь) от источника образцового напряжения «Е» 4 через образцовый резистор «R0» 5 (или один из «R01»...«R0N» 5 и соответствующую токовую цепь дифференциального коммутатора «К» 6 во втором варианте), выходную цепь операционного усилителя «У1» 2, первую токовую клемму преобразователя, соответствующий токовый провод, тензорезистор 1, другой токовый провод, вторую токовую клемму преобразователя, выходную цепь операционного усилителя «У2» 3 на общую шину. Выходной сигнал снимается с вывода тензорезистора 1, подключенного к выходу операционного усилителя «У2» 3, через соответствующий потенциальный провод и соответствующую потенциальную клемму преобразователя. Операционные усилители «У1» 2 и «У2» 3 охвачены глубокой отрицательной обратной связью, поэтому разность потенциалов между их инверсным и неинверсным входами практически равна нулю, что означает для каждого операционного усилителя равенство потенциалов на инверсном и неинверсном входах.

Потенциал на первом выводе любого опорного резистора «Ri» 5 равен Е. Инверсный вход операционного усилителя «У1» 2 находится под нулевым потенциалом, а поэтому и его неинверсный вход, соответствующий потенциальный провод соединения его с соответствующим образцовым резистором (во втором варианте и потенциальный канал коммутатора «К» 6) и второй вывод этого резистора имеют потенциал, равный нулю. Т.е. разность потенциалов между выводами опорного резистора «Ri» 5 равна Е. Следовательно, ток I через него и через тензорезистор «R» 1:

I=E/Ri.

С другой стороны, потенциал на неинверсном и инверсном входах операционного усилителя «У2» 3, на соответствующих потенциальной клемме, потенциальном проводе и выводе тензорезистора 1 равен Е. Ток I, протекая через тензорезистор «R» 1, создает на нем падение напряжения:

Ur=I R или Ur=ER/Ri.

Следовательно, с учетом потенциала Е на одном выводе тензорезистора «R» 1 и падения напряжения на нем сигнал (полезный) на другом выводе тензорезистора «R» 1 будет равен:

что и требовалось доказать. Напомним, что Ri - сопротивление опорного резистора, т.е. номинальное сопротивление подключаемого к преобразователю тензорезистора «R» 1.

Заметим (очень важно), что чувствительность E·S преобразователя относительно деформации ε не зависит от типономинала используемого тензорезистора. Т.е. выбирая коммутатором «К» 6 (во втором варианте) номинальное сопротивление Ri, используемого в конкретном применении тензорезистора 1, чувствительность преобразователя остается постоянной. Это позволяет не менять коэффициент усиления используемого далее усилителя полезного сигнала, что упрощает использование и увеличивает надежность и стабильность всего измерительного оборудования в целом.

Использование во втором варианте не простого, а именно дифференциального коммутатора «К» 6, объясняется тем, что потенциал, снимаемый с вывода образцового резистора 5, должен пройти через коммутатор без искажений, т.е. без падения напряжения от тока I на немалом сопротивлении открытого канала коммутатора.

Следует заметить, что выходной провод (от датчика 1) всей схемы, строго говоря, может и не принадлежать собственно преобразователю, т.к. не участвует в процессе выработки полезного сигнала, а лишь снимает (выводит) его - полезный сигнал уже сформирован на соответствующем выводе датчика. Этот провод даже может быть отведен не в сторону расположения преобразователя, а совсем в другую. Его наличие или отсутствие не влияет на формирование положительного эффекта. Поэтому в формуле изобретения он специально не оговорен.

К полезным характеристикам заявляемого технического решения следует отнести также простоту автоматизации переключения номиналов тензорезисторов преобразователя выполнением переключателя «К» 6 на базе электронных КМОП-схем с управляющим входом.

Кроме того, полезным свойством заявляемого преобразователя являются малые рабочие напряжения сигналов в каналах коммутатора 6 и на выходе операционного усилителя «У2» 3, что положительно сказывается на точности, стабильности и надежности всего преобразователя в целом.

По данному предложению на предприятии выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных устройств, которые подтверждают возможность реализации заявляемых вариантов преобразователей и возможность получения заявленного технического результата.

Реализация предложения в многоточечных измерительных системах для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций в самолетостроении и других отраслях позволит существенно упростить получение результатов испытаний, повысить точность, снизить затраты на изготовление и обслуживание измерительного оборудования, повысить надежность его работы, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию испытуемых конструкций летательных аппаратов.

Изобретение относится к электротензометрии и может быть использовано для преобразования сигналов удаленных четырехпроводных одиночных тензорезисторов многоточечных измерительных систем. Согласно изобретению преобразователь сигнала одиночного тензорезистора содержит опорный резистор, источник опорного напряжения и первый операционный усилитель с изолированным питанием, общий вывод которого и неинверсный вход соединены с одним выводом опорного резистора, инверсный вход находится под нулевым потенциалом, а выход - с первой токовой клеммой преобразователя. Особенность изобретения заключается в том, что в преобразователь введен второй операционный усилитель, связанный с общей шиной, выход которого соединен со второй токовой клеммой преобразователя, инверсный вход - с первой потенциальной клеммой преобразователя, неинверсный вход и источник опорного напряжения - с другим выводом опорного резистора, а выходом является вторая потенциальная клемма, связанная с соответствующим выводом одиночного тензорезистора. Это позволяет устранить погрешность, обусловленную синфазной составляющей в полезном сигнале, а также сопротивлением проводов при работе с удаленными тензорезисторами в многоточечных измерительных системах. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь сигнала одиночного тензорезистора, содержащий опорный резистор, источник опорного напряжения и первый операционный усилитель с изолированным питанием, общий вывод которого и неинверсный вход соединены с одним выводом опорного резистора, инверсный вход находится под нулевым потенциалом, а выход - с первой токовой клеммой преобразователя, отличающийся тем, что в него введен второй операционный усилитель, связанный с общей шиной, выход которого соединен со второй токовой клеммой преобразователя, инверсный вход - с первой потенциальной клеммой преобразователя, неинверсный вход и источник опорного напряжения - с другим выводом опорного резистора, а выходом является вторая потенциальная клемма, связанная с соответствующим выводом одиночного тензорезистора.2. Преобразователь сигнала одиночного тензорезистора, содержащий опорный резистор, источник опорного напряжения и первый операционный усилитель с изолированным питанием, выход которого соединен с первой токовой клеммой преобразователя, а инверсный вход находится под нулевым потенциалом, отличающийся тем, что в него введен второй операционный усилитель, связанный с общей шиной, выход которого соединен со второй токовой клеммой преобразователя, инверсный вход - с первой потенциальной клеммой преобразователя, неинверсный вход и источник опорного напряжения - с первым выводом опорного резистора, введены N-1 дополнительных опорных резисторов, связанных первыми выводами с источником опорного напряжения, и N-канальный дифференциальный коммутатор, выходные выводы которого подключены соответственно к неинверсному входу и общему выводу первого операционного усилителя, а дифференциальные входы соответственно ко вторым выводам одноименных опорных резисторов, а выходом является вторая потенциальная клемма, связанная с соответствующим выводом одиночного тензорезистора.