Цифровой многоточечный измерительный мост Советский патент 1983 года по МПК G01R17/10 G01B7/16 

Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использован при измерении деформаций с памапью тензорезисторов. Известен цифровой многоточечный измерительный мост,содержащий замкну тую цепь-, образованную первым, вторым, третьим плечевыми постоянными резисторами (ППР), первой линией свя зи (ЛС), тензорёзистором и второй( ЛС, нуль-орган, один вход которого подключен к общей точке первого и второго ППР,а второй вход - к подвиж ному контакту первого переключателя, один неподвижный контакт которого соединен с общей точкой третьего ППР и первой ЛС, а второй неподвижный контакт посредством третьей ЛС - с общей, точкой тензорезистора и первой ЛС, источник питания, один полюс которого подключен к общей точке второго и третьего ПОР,, а второй полюс,0 подвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контак которого соединен с общей точкой пер вого ППР и второго ЛС, а второй неподвижный контакт через четвертую ЛС - с общей точкой тензорезистора и второй ЛС, цифровую производимость (ЦП), подключенную посредством треть го, четвёртого и пятого переключателей к замкнутой цепи, регистр, подключенный к входу ЦП, блок управления, вход которого соединен с выходсад нуль-органа, и выходы подключен к управляющим входам переключателей и регистра. ЛС представляет собой последовательное соединение контакта кс 1мутатора и соединительного провода l . В этом устройстве обеспечивается полная компенсация сопротивлений пер вой и второй ЛС, т.е., отсутствуют погрешности из-за наличия и изменени этих сопротивлений : Недостатком известного устройства является то, что для получения кода, линейно отображающего измеряемую величину &R/R, т.е. относительное изменение сопротивления тензорезистора, необходимо проведение ряда вычислительных операций над выходными кода;ми устройства. В силу этого известно устройство может работать лишь в ком плекте с ЭВМ. Однако в практике изме рений цифровыми многоточечными моста ми использование ЭВМ в ряде случаев нецелесообразно или не представляется возможным. Креме того, в тем случае, когда измерительный мост имеет выход на ЭВМ (нгшример, для расчета механических напряжений при использовании тензорезисторных розеток) целесообразно с выхода моста снимать информацию в таком виде, что бы свести к, минимуму вычисления. В этом случае упрадается разработка программного обеспечения и сокращается время обработки информации. Последнее обстоятельство очень важно в тех случаях, когда ЭВМ работает одновременно еще с несколькими внииними устройствами. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является , цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий замкнутую цепь, образованную пеЕ)вым, вторым, третьим ППР, первой ЛС, тензореяистором и второй ЛС, нуль-орган, .один вход которого подключен к общей точке первого и второго ППР, а второй входк подвижному контакту переключателя, один неподвижный контакт которого соединен с общей точкой третьего ППР и первой ЛС, а второй неподвижный контакт посредством -«третьей ЛС - с общей точкой первой ЛС и тензорезистора, источник питания, один полюс которого подключен к общей точке второго и третьего ППР,а второй полюс к общей точке первого ППР,и второй ЛС,первую и вторую ЦП, подключенные параллельно первому ППР, третью и четвертую ЦП, подкл1рченные парал лельно второму ППР, первый, второй, ±ретий и четвертый резисторы, выход каждого из которых подключен к входу соответствующей ЦП, блок памяти, вход и выход которого подключены, соответственно,, к выходу и входу первого регистра. Между выходом четвертого и входом второго регистров включен блок перезаписи. Управляющие входы -переключателя, регистров, блока памяти и блока перезаписи подключены к выходам блока управления, вход которого подключен к выходу нуль-органа. Цифровые проводимости образованы набором паргшлельно включенных цепочек, каждая из которйх состоит из последовательно соединенных разрядного резистора и разрядного ключа. ЛС состоит из контакта коммутатора и соединительного провода, включенных последовательно. С выхода третьего регистра, являющегося выходом устройства, снимают код, линейно отображающий относи тельное изменение.сопротивления тензорезистора - -|--. При равенстве сопротивлений первой и второй ЛС,Е-каждый момент измерений обеспечивается значительная кр1у1пенсация этих сопротивлений {2J, йедостатком известного устройства является низкая точность измерения при неравенстве сопротивлений первой и второй ЛС. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет полной компенсации сопротивлений первой и второй ЛС при произвольном соотнсянении этих сопротивлений. Поставленная цель достигается тем, что цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий замкнутую цепь, образованную первым, вторьом, третьим постоянными резисторами, первой линией связи, тензорезистором и второй линией связи, нуль-орган, один вход .которого соединен с выводами первого и второго постоянных резисторов, а второй вход - с подвижным контактом переключателя, один неподвижный контакт которого соединен с выводами третьего постоянного резистора и первой линией связи, а втррой неподвижный контакт через третью линию связи - с выводами первой линией связи и тензррезисторв, источник питания, один полюс которого соёдинен с вторым выводе второго и первым выводом третьего постоянных резисторов, первую цифровую проводимост поДклуюченную параллельно первому постоянному резистору, вторую цифровую проводимость , подключенную параллельно BTOpcaviy постоянному резистору третью цифровую проводимость, первый второй, третий регистры, выход каждого из которых соединен с входом соответствугацей цифровой проводимости, блок управления первый выход которого соединен с входом третьего регистра, четвертый регистр, блок перезаписи, включенный между входом первого и входом четвертого регистров, . второй вход блока управления соединен с входом нуль-органа, а выходы соединены с управляющими -входами первого, второго и четвертого регистров, каждая- линия связи состоит из последб- вательно соединенных контакта ком- мутатора и соединительного провода, каждая цифровая проводимость образована набором параллельно включенных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разряд ного резистора и разрядного ключа, пятый выход блока управления соединен с входом блока перезаписи снабжен вторым переключателем, подвижный контакт которого соединен с вторые полюсом источника питания, первой неподвижный контакт соединен с вторым выводом первого постоянного реэ истора и второй линией связи, :а второй неподвижный контактчерез , четвертую линию связи соединен с выводаьм тензорезистора и второй линией при этом третья цифровая проводимость включена параллельно третьему постоянному резистору, выход третьего регистра соединен с третьим входом блока перезаписи, разрядные резисторы второй цифровой проводимости через дополнительные ключи соединены с вторым выводом первого :-постоянного резистора, управу:яющиё входы дополнительных ключей соединены с выходом второго регистра через эле- менты И, втоЕ«ле входы которых объединены и соединены с блоком управления, шестой, седьмой, восьмой выходы блока управления соединены .соответственно с управляющими входами двух переключателей и третьего регистра. ria чертеже представлена структур-, ная схема устройства. Четырехплечевая мостовая измерительная схема образована плечевыми постоянными резисторами 1,2 и 3 и тензорезистором 4, подключенным посредством линий 5 и 6 связи. Нуль- орган 7 и источник 8 питания включен в диагонали мостовой схемы использованием 5е,рекл1«1чателей 9 и 1.0 и линий И и 12 связи. Параллельно резисторам 1 и 3 включены идентичные цифровые проводимости 13 и 14, образованные р.азрядными резисторами 15 и 16 и разрядными ключами 17, которые также положены в основу построения цифровой проводимости 18, включенной параллельно резистору 2. ЦП 18, креме того, содержит дополнительные разрядные ключи 19, общая точка которых подклюieHa к общей точке резистора 3 -и линии 6 связи. Управлякядие входы ключей 17 подключены к входам соответствующих регистров 20, 21 и 22. Управляющие входы дополнительных ключей 19подключены к выходу регистра 2i через элементы 23 И, вторые входы которых объединены и подключены к блоку 24 управления. Выход регистра 20подключен к входам блока. 25 перезаписи и блока 26 памяти, выход которого, в свою очередь, подключен к входу регистра 20. К второму входу 15лока 25 перезаписи подключен регистр 27, вход которого подключен к блоку 24 управления. Выход нуль-органа 7 подключен к входу блока 24 управления, выходы которого подключены к управляющим входам переключателей 9 и,10, регистров 20, 21 и 22, блока 25 перезаписи и блока 26 памяти. Линии 5,6 11 и 12 связи состоят из соединительных проводов- 28 н контактов коммутатора 29. В зависимости от положений переключателей 9 и 10 каждая из линий 5 и 6 связи может; входить в плечо тензорезистора -4 либо в плечо одного из постоянных резисторов 1 и 3. Если с блока 24 управления на объединенные, входы элементов 23 И поступает потенциал логического нуля, то все ключи 19 проводимости 18 будут разомкнуты независимо от кода регистра 21. Если же указанный потенциал соответствует логической единице, то ключи 19 включатся в соответствии с инверсным кодом регистра 21,т.е. если ключ 17 i - го разряда будет замкнут, то ключ 19 j -го разряда будет разомкну и наоборот. В казвдой цифровой проводимости и, 14 и 18 прводимость знакового резистора 15 равна суммарной проводимости разрядных резисторов 16 И с I 6 bW 4-.

Идентичность цифровых проводимостей 13 и 14 означает

гчг

проводимость i -го разряда

ЦП 13;

проводимость . -го разряда ЦП 14.

В общем случае .

Соотношения весов разрядных зисторов 16 для ЦП 13 и 14, рациально выполнить на основе двоичного кода, а для ЦП 18 -на основе двоичнодеснтично. Последнее нужно для

упрощения диыифрации измерительной . информации и ее регистрации в десятичной форме при автономной работе, так как в этом случае выходная информация снимается с регистра 21.

Плечевые резисторы 1,2 и 3 выбраны так, чтобы выполнялось условие .g«4,., .,,1, гдей,Д,Рз- проводимости соответствен но резисторов 1,2 и 3. УСТРОЙСТВО работает следующим образом. . в регистр 27 с блока 24 управлени вводится код константы Ng , который будучи переписан в регистр 22 при закрытых элементах 23 И обеспечивает условие .3 gc-Qo-To суммарная проводимость замкну тых разрядов ЦП 14 при ввеяениш кода в регистр 22 . В режиме установки нуля, т.е при исходном сопротивлении тензорезистора 4, производится три уравновипивания моста блоком 24 управления и нуль-органом 7. Для исходного состояния регистров 20, 21 и 22 характерно состояние разрядных ключей 17 указанное на чертеже. Первое уравновешивание. Регистр 20,21 и 22 устанавливаются в исходное состояние, элементы 23 И открыты. Переключатели 9 и 10 устанавлиВёйотся в положение 30, следовательно линия 5 связи входит в плечо тензогде KI - сопротйвлёйие тензорезистора 4 ;

Tj.fg - сопротивление, соответственно, линий 5 и 6 связей X величина изменения проводимости плеча резистора 1; N, - код регисгтра 20 после урав новешивания,

По окончании первого уравновеишвания кодМ,переписывается в регистр 22 блоком 24 управления посредством блока 25 перезаписи.

Второе уравновешивание. Переключа.тели 9 и 10 устанавливаются в положение 31, линия 5 связи пойдет в плечо резистора 1, а линия 6 связи войдет в плечо тензорезистора.4.

Поскольку ЦП 13 и ЦП 14 идентичны, то при записи кода N в регистр 22 исходная проводимость плеча резистора 3 составит

Q,,., резистора 4, а линия 6 связи - в плечо регистра 3. Уравновешивание осуществляется, посредством регистра 20 и ЦП 13. В результате уравнове1гл{вания изменяется проводимость плеча резистора 1. После уравновешивания имеем , Второе уравновешивание осуществляется посредством регистра 21 и ЦП 18. Поскольку элементы 23 И остаются отг крытыми, то в результате уравновешивания изменяются проводимости плеч резистора 2 и резистора 3 на одну и ту же величину Yj , н.о изменения эти будут с разными знаками ч- У , -yj . После уравновешивания имеем Третье уравновешивание. Переключатели 9 и 10 остаются в положении 31, элементы 23 И закрываются, в регистр 22 из регистра 27 записывается код NC. Состояние регистра 21, полученное в результате второго уравновешивания, не меняется, . в нем остается записанным, кодК2. Уравновешивание осуществляется осредством регистра 20 и ЦП 13. После уравноваиивания имеин .. , Как видно из (5), код отображает соотношение сопротивлений тензорезистора 4 и образцового резистора и не зависит от сопротивлений линий 5 и б связи. КодК5заносится в блок 26 памяти, в ячейку, соответствующую номеру данной измерительной точки. Затем к моступодключается тенэо реэистор следующей измерительной точки, для которой таким же образом формируется кодЯд. По окончании опроса всех измерительных точек устройство переводится в режим измерении, а испытуемый объект, на котором наклеены тензорезис торы, подвергается механической нагрузке. В результате тензорезисторы получают определенные приращения сопротивлений. В режиме измерения первые три уравновешивания осуществля1 тся точно так же, как и в режиме установки нуля. Следовательно, можно сразу записать код Nj третьего управновешивания, учитывая, что сопротивление тензорезистора имеет новое значение R4 N;,- В режиме измерения при автономной работе устройства, производится дополнительное четвертое и пятое уравновешивания. Четвертое уравновешивание. В регистре 20 остается кодNj,регистры 21 и 22 устанавливаются в исходное состояние. Элементы 23 И закрыты. Переключатель 9 устанавливается в co тояние 30, а переключатель 10 - в со тояние 31. Обе линии 5 и б связи вхо дят в плечо тензорезистора 4. Уравно вешивание осуществляется регистром 2 и ЦП 14. Пятое уравновешивание.Состояние йереключателей 9 и 10, регистра 22 и элалентов 23 И не меняется. В регист 20 из блока памяти вводится код Mj , соответствующий данной измерительной точке. Мост уравновешивается посредствсм регистра 21 и ЦП 18. После уравновешивания имеем 5 H-N, 1 + Код является выходным кодом устройства. 1 -ь.Н-, йых 9откуда с учетом выражений (5) и (6) получим RO/R .ili5. Из последнего выражения видно, 4Tt5 выходной код устройства отображает относительное изменение сопротивления тензорезистора 4. При этом влияние сопротивлени линий 5 и 6 связи полностью исключается при произвольном соотношении этих сопротивлений;Так же исключаются вычислительные операции.Щ случае,если устройство имеет выход на ЭВМ,то в режиме измерения дост хточно произвести три уравновешивания,т.е. закончить процесс измерения получением кодаН-,в режиме установки нуля блоком памяти может служить память ЭВМ... Выходной код рассчитывается в ЭВМ на основании кодов N ,N3 для данной измерительной точки 1 +N, -1 :i + N-I Фактически при этом используется одна вычислительная операция - деление, так как сложениеч или вычитание единицы является одной микрокомандой, а в режиме установки нуля вычисления не производятся.. При использовании данного устройства ЭВМ значительно разгружается с одновременным упрощением программного обеспечения. Таким образом, предлагаемое устройство может работать как автономно, так и с выходом на ЭВМ. В последнем случае быстродействие устройства Повышается.

ЦИФРОВОЙ МНОГОТОЧЕЧНЬт ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ, содержащий замкнутую цепь, образованную первым, вторым, третьим постоянными резисторами, первой линией связи, тензорезистором и второй линией связи, нуль-орган, один вход которого соединен с выводами первого и второго постоянных резисторов, а второй вход - с подвиж ным контактом переключателя, один неподвижный контакт которого соединен с выходами третьего постояннрго резистора и первой линией связи, а второй неподвижный контакт через третью линию связи - с выводами первой линией связи и тензорезистора, источ-. ник питания, один полюс которого соединен с вторым выводом и первым выводом третьего постоянных резисторов, первую цифровую проводимость, подключенную параллельно первому постоянно- му резистору, вторую цифровую проводимость, подключенную параллельно второму постоянному резистору, третью цифровую проводимость, перйый, второй,третий регистры, выход каждого из которых соединен с входом соответствукЗщей цифровой проводимости, блок управления, первый выход которого соединен с входсяи третьего регистра, четвертый регистр, блок перезаписи,, включенный между входом первого и входсад четвертого регистров, второй вход блока управления соединен с входом нуль-органа, а выходы соеди- , нены с управляющими входами первого, второго и четвертого регистров, каждая линия связи состоит из последовательно соединенных контакта коммутатора и соединительного провода, каждая цифровая проводимость образована набором параллельно включенны. цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных разрядного резистора и разрядного ключа пятый выход блока управления соединен с вторым входом блока перезаписи, отлич ающий ся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет полной компенсации сопротиво ления первой и второй линий связи при произволном соотношенииэтих (Л сопротивлений, он снабжен вторым переключателем, подвижный контакт которого соединен с вторым полюсом источника питания, первый неподвижный контакт соединен с вторым выводом первого постоянного резистора и , второй линией связи, а второй непод.вижный контакт через четвертую линик связи соединен с выводами тензорезис- . тора и второй линией связи,при этом : 05 третья цифровая проводимость включена i параллельно третьему постоянному ре- зистору, выход третьего регистра соединен с третьим входом блока переза-I СП писи, разрыдняе резисторы второй цифровой проводимости, через дополну-, О5 тельные ключи соединены с вторым выводом первого постоянного ррзистрра, управляющие вхсды дополнительных ключей соединены с выходом второго регистра через элементы И, вторые вхо. ды которых объединены и соединены с блоке управления, шестой, седьмой, восьмой выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами двух переключателей и третьего регистра.