Цифровой динамометр Советский патент 1985 года по МПК A61B5/22 

1 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследований способности мышц руки к физическим нагрузкам, выносливости, а также способности к распознаванию малых различий усилия, особенно в облас1И психофизиологических исследований,, профессиональной ориентации и спорта. Целью изобретения является повышение точности измерения усилий. На фиг.1 приведена блок-схема циф рового динамометра; на фиг.2 - схема генератора стабильных импульсов. Цифровой динамометр содержит гене ратор 1 стабильных по амплитуде разнополярных симметричных импульсов. Генератор 1 питается от стабилизатора 2 напряжением положительной, а стабилизатора 3 - отрицательной полярности, ricj) абсолютной величине на пряжения обоих стабилизаторов с высо кой точностью равны друг другу. Отри цательный полюс стабилизатора 2 и по ложителбньм стабилизатора 3 соединен в одну общую точку О (корпус). Генератор 1 выполнен на четырех ключах 4-7, содержащих попарно соединенные транзисторы противоположного типа проводимости, причем ключи попарно подсоединены к шинам стабильного напряжения противоположной полярности стабилизаторов 2 и 3 и к выходным.ши нам, образуя мостиковую схему. Цепи управления пары ключей 4 и 5 соединены с функциональной группой 8 из КС-цепей и диодов и с одной выходной шиной 9. Функциональная группа 8 подсоединена также к стабилизированному напряжению обеих полярностей и общей О точке. Выходная шина 9 под ключена через функциональную группу к цепям управления ключей 6 и7,подключенных к второй выходной шине 10. Генератор 1 подключается проводам к датчику 11 деформаций. Датчик 11 представляет собой четыре соединенны в мостовую схему тензорезистора,которые прикреплены с обеих сторон плоской пружины упругого элемента плоскопружинного динамометра. Такое конструктивное решение обеспечивает независи мость показаний от температурных деформаций упругого элемента и самих тензорезисторов, а также способствует повышению чувствительности, по302скольку два тензорезистора работают на растяжение, а два - на сжатие. Другая диагональ моста датчика 11 соединена через согласующее устройство 12 с- входом усилителя 13. Устройство 12 предназначено-для подавления восприимчивости усилителя 13 к выходному сигналу датчика 11 во время переходных процессов при переключении ключей генератора 1. Дифференциальный усилитель 12 имеет выполненные каждый на своем операционном усилителе микросхеме - два полностью идентичные по схеме, монтажу и параметрам пассивных элемента (особенно обратных связей), входных электрически симметричных канала усиления. Поэтому коэффициент подавления синфазных помех в данном усилителе весьма высок. Выход усилителя подсоединен к входу канала 14 отрицательной полярности и канала 15 положительной полярности амплитудного детектора 16. Между выходами каналов 14 и 15 амплитудного детектора 16 подключены масштабные делители 17 напряжения. Коммутатор 18 предназначен для подключения того из масштабных делителей 17 напряжения, который соответствует диапазону шкалы упругого элемента, используемого при работе с прибором. С выходами коммутатора 18 соединены вход повторителя 19 напряжения положительной полярности и вход повторителя 20 напряжения отрицательной полярности. Коммутатор 21 имеет переключатели в режим Измерение, соединяющие клеммы вольтметра 22 с выходами повторителей 19 и 20, а также выход повторителя 19 с одним из входов схемы 23 сравнения. Кроме того, выход повторителя 20 непосредственно соединен с аналоговым устройством 24 долговременной памяти. В режиме Память выходы устройства 24 и такого же устройства 25 для сигнала положительной полярности подключены через коммутатор 21 к клеммам вольтметра 22 вместо выходов повторителя 19 и 20, а выходы повторителей 19 и 20 подключены к входам устройства 24 и 25 долговременной памяти. Кроме того, к выходу устройства 25 постоянно подсоединен рёзистивный делитель 26, выход которого подан на другой вход схемы 23 сравнения. Выход схемы 23 сравнения 3 .1юч(м1 пл лхсзд КЗЧpeiijuния счета счетчик л :. 7 Е ремени . Устройства лол ItBpe.MeiiHoii памяти сбрасываются на нуль клавишей Стирание памяти в коммутаторе 2. Также в коммутаторе 21 имеется клавиша сброса на нул счетчика времени. Генератор импульсов (фиг.2) состоит из четырех транзисторных ключе 4-7, представляющих собой пары тран зисторов противоположного типа проводимости. В каждой паре-ключе у входящих в пару транзисторов база одного соединена с коллектором другого. Ключ 4 состоит из транзисторо 28 и 29, ключ 5 содержит транзисторы 30 и 31, ключ 6 - транзисторы 32 и 33, а ключ 7 - транзисторы 34 и 35. Транзисторы 29, 31, 33 и 35 являются управляющими, а транзисторы 28, 30, 32 и 34 могут быть более мощными, поскольку через них при вы даче генератором импульсов протекает ток нагрузки. Конденсатор 36 является управляющим для ключа 4, конденсатор 37 - переходньш и служит для передачи импульса от ключей 4 и 5. Конденсатор 38 является управляющим для ключа 5. Резистор 39 и диод 40служат для передачи импульса на управляющие цепи ключа 7, а резистор 41и диод 42 - для той же цели в отношении ключа 6. Диоды 43 и 44 и резисторы 45 и 46 образуют зарядно-перезарядные цепи конденсатора 36. Ту же функцию выполняет и резистор 47. Диоды 48, 49 и 50, резисторы 47, 51 и 52 образуют зарядно-перезарядные цепи конденсатора 38. Резистор 53 входит вместе с резистором 47 также в цепи заряда-разряда конденсатора 37. Форма импульсов генератора показана на фиг.З. Пауза между импульсами Т i , где Г- длительность импульса. Генератор работает следующим образом. При включении схемы положительный потенциал, действуя через незаряженньЕЙ конденсатор 36, закрывает диод 43. Все ключи остаются закрытыми и генератор находится в своем первом стабильном состоянии, соответствующим паузе в его работе. Потенциал на шинах I и II равен нулю, поскольку эти шины соеди 1ены с нулевой обшей точкой источников напряжения - стаби лизаторов 2 и 3. Происходит заряд 304 конденсатора 36 по цепи: тина поло-т жите.Т1,ной полярности - диод 44 - резистор 45 - пшна отрицательной полярности. Как только потенциал на обкладке конденсатора 36, соединенный с резистором 45, становится отрицательным по отношению к общей точке О, диод 43 открывается и по цепи: шина отрицательной полярности - резистор 45 - диод 43 - эмиттерно-базовый переход транзистора 29 - шина I - резистор 47 - общая О точка потечет ток, что приводит к лавинообразному открытию клюМа 4. Шина I оказывается соединенной с шиной положительного потенциала через транзистор 28. Положительньп потенциал с этой шины через переходньй транзистор 37, резистор 39, диод 40 подается на эмиттер транзистора 35, база которого через шину II и резистор 53 соединена с точкой О . Это приводит к лавинообраз1;ому открытию ключа 7 и подаче на шину II отрицательного потенциала шины стабилизатора 3 через транзистор 34. Открытие ключей 4 и 7 фактически является единь м лавинообразным процессом в результате сложения соответствующих процессов для каждого из ключей. Указанный процесс переводит генератор во второе стабильное состояние, когда шина I имеет положительньй потенциал, а шина II - отрицательньй. Если длительность паузы при данной емкости С конденсатора 36 определяется сопротивлением резистора 45, то длительность второго стабильного состояния определяется тем же параметром резистора 46. Действительно, при открытом диоде 43 и ключе 4 связанная с диодом 43 пластинка конденсатора 36 может рассматриваться в качестве наглухо соединенной с шиной положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе 36 в момент открытия иода 43 было равно напряжению стабилизатора 2, то теперь потенциал обкладки конденсатора 36, связанной с диодом 44, становится вдвое вьппе этого напряжения, и диод 44 закрьшается. Начинается перезарядка конденсаора 36 по цепи: шина положительного отенциала - ключ 4 - диод 43 - коненсатор 36 - резистор 46 - шина отицательного потенциала. Когда напряжение на конденсаторе 36 становит ся близким к нулю, диод 44 открывает ся, днод 43 закрывается, и начинается снова зарядка конденсатора 36 через резистор 45, определяющий длительность паузы. Однако генератор пе реходит не в состояние паузы, а в третье стабильное состояние. Во время первой после включения генератора паузы (как и во время последующих пауз) происходит практически мгновенная зарядка конденсатора 38 по цепи: общая точка О источников тока - резистор 47 - диод 50- конденсатор 38 - диод 48. Во время второго стабильного состояния генератора также практически мгновенно происходит дозаряд конденсатора 38 до полного напряжения между шинами источников тока по цепи шина полож 1тельного потенциала - ключ 4 шина I - диод 50 - резистор 52 диод 48. В момент закрытия диода 43 в конце второго стабильного состояния генератора, когда закрывается ключ 4, а также в результате снятия положительного потенциала с ишны I напряжением кондер1сатора 37 оказывается закрытым диод 40, что приводит к ключа 7, закрываются также напряжением на конденсаторе 38 диоды 50 и 48. Начинается перезаряд конденсатора 38 на цепи: шина положительного потенциала - резистор 51- конденсатор 38 - диод 49 - эмит терно-базовый переход управляющего транзистора 31 - шина I - резистор 47 - общая точка О источников напряжения. Это приводит к лавинообраз ному процессу открывания ключа 5 и подачи на шину I через транзистор 30 отрицательного потенциала. Последний через переходный конденсатор 37, диод 42, резистор 41 подается (с учето соответствующего падения напряжения) на эмиттер транзистора 33, база кото рого через шину II и резистор 53 сое динена с общей точкой О источников напряжения. Это приводит к протекани тока через базо-эмиттерную цепь тран зистора 33 и лавинообразному открыти ключа 6. Закрытие ключей 4 и 7 и открытие ключей 5 и 6 представляет собой единый лавинообразный процесс, переводящий генератор в его третье стабильное состояние. Р) нпча, трьIl.ir Го .;i iiiМ.и-ми IMX;-тояния гкггепциала на обкла.п.е IHVI-CHциала 3.8, coi ,uiHennt)ii с диодом 48 второе ниже, чем потенциал на шине, отрицательного Г1(:1тенциала источников напряжения, диод 48 закрыт. Происходит перезаряд конденсатора 38 по цепи: шина положительного потенциала резистор 51 - конденсатор 38 - диод 49 - ключ 5 - шина отрицательного потенциала. Когда напряжение на конденсаторе 38 становится равным нулю, диод 48 открывается, диод 49 закрывается, ключ 5 закрывается, на шине I восстанавливается нулевой потенциал, закрывается диод 42, а значит и ключ 6. Схема скачком переходит в исходное первое стабильное состояние (состояние паузы). Длительность третьего стабильного состояния при данной емкости конденсатора 38 определяется величиной сопротивления резистора 51. Общая продолжительность второго и третьего состояний определяет длительность импульсов Т (см.фиг.3). Поскольку длительность положительной и отрицательной части импульса в конкретном исполнении подгонкой резисторов 51 и 56 установлены равНыми, то пауза между импульсами составляет Т - Т/2 Т. Устройство работает следующим образом. В исходном положении упругий элемент цифрового динамометра, к которому подклеены тензорезисторы датчика 11 деформаций, не деформирован. Сигнап на выходе датчика деформаций равен нулю. Динамометр с помощью выведенных на лицевую панель клавишей коммутатора 21 устанавливается в режим Память. Коммутатор 18 также клавишей подключается к тому из масштабных делителей напряжения, который соответствует пределу измерения используемого упругого элемента. Счетчик времени и каналы долговременной памяти соответствующими клавишами устанавливаются на нуль. При появлении деформации на выходе датчика 11 появляется импульсный сигнал, который после усиления усилителем 13 поступает на амплитудный детектор 16. Амплитудный детектор 16 на выходе вьщает сигнал, который в момент прохождения импульсного сигнала, соответствующего наибольшей деформации.

равен по абсолютной величине размаху (удвоенной амплитуде) этого импульсного сигнала, пропорционального максимуму приложенной силы и деформации упругого элемента. Напряжение на выходе амплитудного детектора 16, таким образом, следит за величиной уменьшающегося импульсного сигнала с отставанием до десятых долей секунды, а за величиной увеличивающегося импульсного сигнала следит практически .без отставания. Из-за инерции цифровых вольтметров и человеческого глаза отставание показаний при уменьшении усилий существенного значения не имеет. В режим Память сигнал с выхода амплитудного детектора, пропорциональный усилию на упругом элементе, попадает через повторители 19 и 20 напряжения на каналы 24, 25 аналогового устройства долговременной памяти, выход которого подсоединен в режиме Память к вольтметру 22. Поэтому вольтметр показьшает максимальное значение усилия, которое может быть записано вручную или с использованием вычислительной техники (перфоратора или цифро-печатающего устройства).

Затем клавишей коммутатора 21 динамометр переводится в режим Измерение. В этом случае сигнал с выхода повторителей 19 и 20 напряжения поступает на вольтметр, который показьшает текущее значение усилия. Делителем 26 напряжения задается усили в долях от максимального, развитого испытуемым. Испытуемому сообщается величина усилия, которую он должен развить и поддерживать.

Следя за индикатором вольтметра; испытуемый развивает заданное усилие При этом величина напряжения на выходе повторителя 19, подаваемого через коммутатор 21 на схему сравнения 23, становится больше, чем напряжение, подаваемое на другой вход схемы сравнения 23 от делителя 26. Схема сравнения 23 вьщает сигнал, разрешающий счет времени. Счет времени происходит до тех пор, пока испытуемый развивает усилие большее или равное заданному. При снижении усилия до меньшей величины схема сравнения 23 вьщает сигнал, который запрещает работу счетчика времени, поскольку полярность напряжения на входе схемы 23 изменяется при этом на противоположную. Таким образом, счетчик времени показьшает время выдержки усилия.

Цикл испытания может быть проведен неограниченное количество раз.

ЦИФРОВОЙ ДИНАМОМЕТР, содержащий датчики деформации упругого элемента, усилитель и соединенный с ним цифровой вольтметр, счетчик времени, генератор импульсов и логический блок, блок питания, о т л и -: чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличения амплитуды и уменьшения скважности питatoщeгo тензомост напряжения, в него введены два амплитудных детектора, два аналоговых устройству долговременной памяти, два коммутатора, блок масштабных делителей напряжения, два повторителя напряжения, схема сравнения и генератор импульсов, содержащий цепь управления и четыре ключа, подключенных попарно к шинам противоположной полярности источников напряжения по мостовой схеме, а цепи управления пары ключей соединены с соответствующей группой RC-цепей и диодов, при этом выход усилителя через два амплитудных детектора и блок масштабных делителей связан с первым коммутатором, первый i и второй выходы которого соединены через соответствующие повторители напря(Л жения с BTOpbiM коммутатором и блоком аналоговой памяти отрицательного напряжения, а первый выход второго коммутатора соединен с вольтметром, второй выход - с аналоговой памятью положительного напряжения, третий выход - со схемой сравнения, четвер00 тый выход - со счетчиком времени. ел