Способ измерения силы Советский патент 1985 года по МПК G01L1/22 

fn

сопротивление резисторов; величина добавочного сопротивления;величина сопротивления

полумоста с тензорезисторами, определяется как

Ufl - и„

di R«

UO-UM. 2Й„

-- напряжение источника питания Диагонали моста; - падение напряжения на добавочном сопротивлении.

158878

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, сначала рабочий температурный диапазон разбивают на поддиапазоны, для чего дополнительно снимают градуировочные характеристики V(F) и V(F) при температурах i , соответствующих границам поддиапазонов, определяют по величине U и дополнительным гра- дуировочным характеристикам V;(F) величины F,- и, сравнивая их с величиной Рц , определяют температурный поддиапазон, при котором произведено измерение силы F, а затем, , принимая границы найденного температурного поддиапазона за границы рабочего диапазона, производят уточненный расчет F, .

1 .СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИПЫ, заключающийся в том, что снимают градуировочные характеристики V (F) и VfF) преобразователя с добавочным сопротивлением в цепипреобразователя и без добавочного сопротивления соответственно, а затем прикладывают измеряемую силу F и Измеряют въкодныё сигнальг U|; и U преобразователя при наличии добавочного сопротивления в его цепи у и без добавочного сопротивления соответственно, отличающийся тем, что, с целью уменьшения температурной ногрешнЬсти при измерениях преобразователем, выполнению по костовой схеме граду ировочные характеристики V(f) и Vjj(P) снимают при температуре ок ружающёй среды t,., соответствукяцей нижней границе рабочего диапазона и при температуре t; , соответствующей верхней границе рабочего диапазона, а при приложении иэмеряе, мой сшш F дополнительно измеряют падение напряжения Uj, на добавочжж сопротивлен}, которое вкпючшот в диагональ питания моста о величине йэмеряеной силы р по расчетной оценке р.. отфеделяемой из выражения ДД) р F tfp - F Лм ч jr ч г Я, где F - оценка величины силы F по величине вьпсодного сигнала U из.градуировочной характеристики V {F), снлтой при -fcjj без добавочного соп ротивления в цепи щтеобразователя р« то же, из градуировочной характеристики V (F) , снятой при t без добавочного сопротивления в цепи преобразовате 1я; 1VV К,- «Tt .- : jj,4. ) К--т «4

I

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть ипользовано для измерения сил с помощью тензорезисторных преобразователей.

Известен способ измерения силы, заключающийся в том, что снимают градуировочную характеристику V(F) преобразователя, а затем приклады вают измеряемую сипу F и измеряют выходной сигнал U преобразователя l .

Недостатком данного способа, является низкая точность вследствие неучета температурной погрешности.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения силы, заключающийся в Т-рм, что снимают градуировочные характеристики Vp (F) и V(F) преобразователя с добавочным сопротивлением в цепи преобразователя и без добавочного сопротивления соответственно, а затем прикладьшают измеряемую силу F и измеряют выходные сигналы и и и преобразователя при наличии добавочного сопротивления в . его цепи и без добавочного сопротиления соответственно 2 .

Недостатком известного способа является высокая температурная

погрешность и неприменимость к тензорезисторным мостовым преобразодзателям.

Цель изобретения - уменьшение температурной погрешности при измерениях преобразователем, выполненным по мостовой схеме.

Указанная цель достигается тем.

V что согласно способу измерения силы, заключающемуся в том, что снимают градуировочные характеристики V (F) и V(F) преобразователя с добавочным српротивлением в цепи преобразователя и без добавочного сопротивления соответственно, а затем прикладывают измеряемую силу F и измерян т. выходные сигналы V и и преобразователя при наличии добавочного сопротивления в его цепи и без добавочного сопротивления соответственно, градуировочные характеристики V(F) и Vp(F) снимают при температуре

окружающей среды t, соответствующей нижней границе рабочего диапазона, и при температуре t, соответствующей верхней границе рабочего диапазона, а при приложении измеряемой силы F дополнительно измеряют; падение напряжения на добавочном сопротивлении, которое включают в диагональ питания моста, причем о величине измеряемой силы F судят по расчетной оценкр F.., определяемой из выражения И p,r(,V|t|Aifl - оценка величины силы F п где F величине выходного сигна ла и из градуировочной характеристики 5, (F) , сн той при t без добавочно го сопротивления в цепи преобразователя; то же, из градуировочной характеристики V(F), снятой при t без добавочного сопротивления в цепи преобразователя; Ua-V. JtV-Wa, 2 Kj m Где V. и V, - значения градуировочных характерист1 V, (F) и (F), сн тых с добавочным со противлением в цепи преобразователя при температуре t и t соответственно, ко. торые соответствуют значениям F. и F 4 / /С1 зла испили i.-,, п L -J4-- 1 соответственно; - отношение крутизны (УЛИ) градуировочных хаV c(F / рактеристик V. (F) ( V,(F) при F Г тп жр - IT1TI то же, для градуиро ( вочньк хара ктеристи « И где R - сопротивление резисторов R - величина добавочного сопротивления;Rg - величина сопротивления по лумоста с тензорезисторам которая определяется как R . «-«м V Т 2R, 84 где U - напряжение источника питания диагонали моста; и - падение напряжения на добавочном сопротивлении. Кроме того, с целью повышения точности сначала рабочий температурный диапазон разбивают на поддиапазоны, для чего дополнительно снимают градуировочные характеристики V(F) и Vg(F) при температурах,t|, соответствующих границам поддиапазонов , определяют по величине U и дополнительным градуировочным характеристикам V (F) величины F| -и, сравнивая их с величиной F, ,определяют температурный поддиапазон, котором произведено измерение силы F, а затем, принимая границы найденного температурного поддиапазона за границы рабочего диапазона, производят уточненный расчет F,. На фиг. 1 представлена схема устройства, осуществлякицего предлагаемый способ; Hai фиг, 2 - графики градуировочных характеристик V(F) и V (F) при нормальной температуре; на фиг. 3 - графики градуировочных характеристик V(F), соответствуюпще границам и йереДине диапазона изменения температуры ркружакицей средь. Силоизмерительное устройство (фиг. 1) содержит измерительный преобразователь 1 с преобразующим органом, х4увствительные злементы которого включены в мостовую цепь, источник 2 питания коммутатор .3, цифровой измерителыа.1й прибор 4, микро-ЭВМ 5, резистор 6 и ключ 7. . . . . . . . - Силоизмерительный ПреобразоВатель 1 имеет упругий элемент 15, восприни аюврфй измеряемую . F, н преобразующий орган в виде тензометрического моста, состоящего из вух полупроводниковых тензорезисторов 9 и 10.и двух одинаковых езисторов 11 и 12. Полупроводниковый тензорезистор 9 является активным чувствительым элементом. Он Деформируется месте с упругим элементом 8, оспринимаюорим измepяe fyю силу F, ензорезистор 10 является компенационньм элементом. Он не подверен деформациям, зависящим от F. о всем же остальном компенсаци- . нный Тензорезистор 10 находится в тех же условиях, в которых нахоAHtcH активный тензорезистор 9. В диагональ питания моста, подключенную к зажимам 13 и 14, последовательно йключены источник 2 питания и резистор 6. Параллельно с резистором 6 включен ключ 7. Резистор 6 и ключ 7 образуют двузначную меру сопротивления. При за нутом ключе 7 сопротивление меры равно нулю, а при разомкнутом сопротивлению резистора 6. Через коммутатор 3 с.входом измерительного прибора 4 могут быть соединены зажимы 15 и 16 либо зажи мы 13 и 17 или зажийы 17. С зажимов 13 и 17 на вход измеритель ного прибора подается напряжение питания моста, с зажимов 15 и 16 выходное напряжение, с зажимов 14 и 17 - напряжение, действующее на резисторе 6, когда ключ 7 разомкну Измерительный прибор 4 связан с микро-ЭВМ 5 каналами для передачи измерительной информации и сигналов управления. Цепи управления св зывают микро-ЭВМ 5 с коммутатором и ключом 7. Измерительная информация в цифровом коде из прибора 4 передается в микро-ЭВМ 5. Управление цифровым измерительным прибором, коммутатором и ключом осуществляется с по мощью микро-ЭВМ 5, которая выполня также все вычислительные операции, предусмотренные процедурой измерения . Предлагаемый способ заключается в том, что если при какой-либо ,температуре окружающей среды .(напр мер ) снять градуировочные характеристики мостового тензорезисторного преобразователя без добавочного сопротивления в диагонали питания моста/ V(F) (см. график 18 на фиг. 2) и с добавочным сопротивлением в диагонали питания -моста Vp(F) (см. график 19 на фиг. 2), а затем при какой-либо иной температуре окружающей среды наг рузить преобразователь известной силой g и замерить выходные сигналы и и и с преобразователя при наличии добавочного сопротив-, ления и без него соответственно, то вследствие зависимости чувствительности тензорезисторозв от температуры оценка нагружающей силы, произведенная по выходным сигналам и, U(5 и градуировочным характеристик кам, не совпадет со значением g. Более того оценки g и g нагружающей силы по градуировочным характеристикам V(F) и Vg(F) не совпадут между собой. Это несовпадение, обусловленное нелинейностью вольтамперной характеристики тензорезисто ов, содержит в себе информа-, цию о температурной погрешности преобразователя. При этом температурная погрешность преобразователя по градуировке V(F) (фиг. 2) составляет V(g)-U Д а температурная погрешность преобразователя по градуировке Vg (F) составляет V (g) - Ug г графиков на фиг. 2 несложно установить равенство . 8) значение градуировочной характеристики V(j (F) , соответствующее V. g, т.е. оценке силы g по градуИРовочной характеристике V(F). Отношение крутизны градуировочных характеристик Vp (F) и V(F) находим по формуле )| (2) Исходя из 1завенства (1) с учетом чувствительности тензорезисторов к деформации и температуре путем системы аналитических вьпсладок можно найти оценку температурной погрешности Л , которая определяется из выражения . ) где m - коэффициент, определяемый из выражения «. R,(.).2R где R- -сопротивление резисторов 11 к 12; R - сопротивление, резистора 6; R -. величина сопротивления полумоста с тензорезисторами 9 и 10, которая определяется из выражения 7 Un MM «n .... 2R, где Uf, - напряжение источника 2 питания; Идд - падение напряжения на ре зисторе 6. Полученная из выражения (3) оце ка температурной погрешности по .градуировке V(F) в общем случае н равна ей, но пропорциональна. Есл имеются градуировочные характерис тики У| (F) и V (F), снятые по кра ям рабочего температурного диапазона (см. графики;20 и 22 на фиг. то при измерении при произвольной температуре внутри рабочего диапазо а температурная погрешность преобразователя, приведенная к ег входу, по градуировочной характеристике у {F) рйвна отрезку ас, а по градуировочной характеристике ) - соответственно СП .Учитывая пропорциональность между «с и , а также между сп и , погрешность преобразователя, приведенная к его входу, определяется выражением -( « где F и F - соответственно оцен ки величины силы g по величине выходно го сигнала из граду ирОвочных характери тик У, (F) и V.j(F). Результат вычисления погрешнос ти можио уточнить. Если (фиг.З), то уточненное значение погрепшости определяется в температурном поддиапазоне t, где t - температура при которой снята градуировочная характеристи ка V.J (F) (график 21 на фиг. 3). Если , то уточнение следует производить в температурном под-.диапазоне t. Таким образом, в общем случае оценка измеряемой силы производит ся по выражению F F +f Г-РЛ-l lti (7) -«-NMV)nr9Tvrp|7i., I где индексы 1 и 2 соответствуют краям принятого температурного ди апазона. 8 Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Производится нулевая балансировка измерительного преобразователя. Для этого ключом 7 резистор 6 включается в диагональ питания моста, а через коммутатор 3 к прибору 4 подключаются зажимы 15 и 16, между которыми действует выходное напряжение измерительного преобразователя . Измеряется выходное напряжение ощфровым измерительньи прибором А и с помощью подстроечных резисторов (не показаны) устанавливается ноль выходного напряжения. При градуировке по/еучают три пары функций преобразования измерительного преобразователя при трех значениях температуры окружающей среды, которые соответствуют границам и средине температурного диапазона работы преобразователя. При снятии каждой пары функций преобразования при каждом фиксйруемом значении эталонной входной величины F выходное напряжение U измеряют дважды. Первое измерение делается при замкнутом накоротко резисторе 6. Ключ 7 включен. Второе- измерение делается после включения в диагональ питания м,оста резистора 6. При этом КЛЮЧ 7 разомкнут. Измерения выходньк напряжений производят через равные интервалы действующей на измерительный преобразователь силы F, значение которой контролируется образцовым .динамометром. Градуировочные характеристики вместе-со значением R записываются в запоминающее устройство микро-ЭВМ 5. При рабочем измерении « измерительному преобразователю прикЛадываот силу F и измеряют его выходное напряжение на зажимах 15 и 16 изме1рительной диагонали моста. Ре- . зультат первого измерения, когда резистор 6 замкнут накоротко U. Результат второго измерения, когда в диагональ питания места включен резистор б, и. Кроме выходных напряжений U и Uj при рабочем измерении измеряются напряжение источника 2 питания и напряжение на резисторе 6. Для этого после измерения tj через коммутатор 3 вместо зажимов 15 и 16 к входу прибора 4 присоединяют зажимы 13 и 17 и измеряется напрфк ние U, а затем к входу прибора присоединяют зажимы 14 и 17 и измеряется напряжение и.

По результатам измерения напряжений и, Ug, Un и Цд с использованием градуировочных характерис115887810

.тик в микро-ЭВМ 5 по аналитическим выражениям (2), (3), (4), (5) и (7) вычисляется оценка измеряемой силы.

5 Применение предлагаемого способа позволяет уменьшить температурную погрешность мостового тензорезисторного преобразователя.