Частотный преобразователь для тензодатчиков Советский патент 1986 года по МПК G01B7/16 G01R17/10 

Ui

1чЭ

о

СП 4 « Изобретение относится к измерительной технике, а именно к частотны преобразователям для тензодатчикон, и может быть использовано в измерительньгх устройствах для измерения силы или давления. Целью изобретения является повышение чувствительности устройства путем увеличения крутизны характерис тики преобразования. На фиг,1 представлена функциональ ная схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - временная диаграмма измерительной цепи. Частотный преобразователь для тен зодатчиков содержит последовательно включенные тензорезисторный мост 1, сумматор 2, фазовое звено 3 первого порядка, смеситель 4, фильтр 5 нижни частот, широкополосный усилитель 6, выход которого подключен к входам тензорезисторного моста 1 и фильтра верхних частот и к входам умножителя 8 частоты, соединенного выходом с вторым входом первого смесителя 4. Выход фильтра 7 верхних частот подключен к второму входу сумматора. Постоянная времени фильтра нижних J К частот выбирается равной (,- - -} постоянной времени фильтра верхних частот и фазового звена 7-, т.е. Г ( (.9 - :,) I , причем L значительно превышает (по крайней мере на порядок) постоянную времени ; широко- полосного усилителя. Тензорезисторный мост состоит из резисторов, включенных по мостовой схеме (четырехполюсник с перекрестными связями), причем один или несколько резисторов являются датчикам измеряемой физической величины, например давления. Частотный преобразователь для тен зодатчика работает следующим образом При отсутствии измеряемого воздействия тензорезисторньш мост 1 сба лансирован и его коэффициент передач равен нулю. Колебание с выхода сумматора 2 поступает на вход фазового звена 3, где оно приобретает (при .условии, что применяется фазовое зве но первого порядка) .фазовый сдвиг 4j arctg (uXO -Г 72 и через смеситель 4 поступает на вход фильтра 5 нижних частот. С выхода последнего сигнал с дополнительным фазовым сдвигом -( -arctp2 -i (при условии, что применяется фильтр нижних частот первого порядка с поступает на вход широкополосного усилителя 6, с выхода которого усилениь.й сигнал с дополнительным фазовым сдвигом, приобретенным в усилител У: -arctgtOTY (ty- постоянр1ая времени широкополосного усилителя 6, причем ), через фильтр 7 верхних частот, где он приобретает(при условии, что используется фильтр верхних частот первого порядка) дополнительный фазовый сдвиг Р, arctg поступает на вход сумматора 2. Уровень сигнала на втором входе сумматора 2 при этом равен нулю, так как тензорезисторный мост 1 сбалансирован. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 6 выполняется условие баланса амлитуд в замкнутом кольцевом соединении, состоящем из блоков 2-7, и на выходе усилителя 6 существует автоколебание с некоторой частотой U)Q, которая определяется из условия баланса фаз: р; + vp +Lpj, -f-vfH kr, (1) где ,1,2,3... . Последовательно соединенные умножитель 8, смеситель 4 и фильтр 5 нижних частот образуют инвертор фазового сдвига сигнала, приобретенного в фильтре 7 верхних частот и фазовом звене 3. На вход умножителя 8 поступает сигнал и, с частотой а.: и, U,cosOa t;, с выхода которого сигнал удвоенной частоты . , и,, и,8. cos2pat поступает на первый вход смесителя 4, на вторЬй вход которого подаетсясйгнал П, с частотой OQ с выхода фазового звена 3: u; u;cos(o t+Ф;+ч;). На выходе фильтра 5 нижних частот выделяется сигнал разностной частоты, поступающий со смесителя 4: и,р - .Vt-(tJo.t-b4i-+ p u соз(и с-Ф;-Ф;), a сирнал суммарной частоты фильтром нижних частот подавляется. Как видно из выражения (2), фаза сигнала, поступающего на вход усили теля 6, равна, но противоположна по знаку фазе сигнала, поступающего с выхода фазового звена 3. На основании вышесказанного урав нение баланса Лаз (1) можно записат в виде: ь 1 20г 1 -arctp -;;. -arctg- - y -arctg f -arctgoO v kTr,(3) где ,1,2,3... Четные значения k соответствуют- условию отсутствия ин вертирования колебаний в усилителе рассматриваемой автоколебательной цепи из блоков 2-7, а нечетные значения k - наличию инвертирования си нала в указанной цепи. При наличии измеряемого воздейст вия тензорезисторный мост 1 разбала сирован и его коэффициент передачи отличен от нуля, при этом на вход сумматора 2 подается колебание Ц , прошедшее с выхода усилителя 6 чере тензорезисторный мост 1. Колебание U, на втором входе сумматора 2 формируется как и при сбалансированном тензорезисторном мосте В сумматоре 2 эти два колебания суммируются, процесс суммирования при условии существования в рассматривае мой колебательной системе гармоничес ких колебаний показан на векторной диаграмме (фиг.2). При этом колебани на выходе сумматора 2 приобретает фазовый сдвиг по отношению к колебанию на выходе усилителя 6: sin(arctp;-,TL) % arctg- - --, .-i-+cos (arete V где k, - коэффициент передачи тензорезисторного моста 1; kg - модуль коэффициента передачи фильтра 7 верхних частот. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 6 (при выполнении условия баланса амплитуд) на его выходе существует колебание с частотой, определяемой из условия баланса фаз: Рг + , или с учетом действия фазоинвертирую щей цепи, состоящей из блоков 8, 4 и 5: sin(arctp - -p2,j,E-arctg-arctgi-+cos(arct:pj)(с-Я) -i -arctg-u ir -arctp:uyi:j k1i. Из этого выражения следует, что частота автоколебаний в системе зависит от величины коэффициента передачи k, тензорезисторного моста, а следовательно, от измеряемого воздействия, например, силы или давления. При измерени измеряемой физической величины происходит изменение величины коэффициента передачи Гензорезисторного моста 1. Это приводит к изменению фазового сдвига Ч колебания на выходе сумматора 2. При этом условие баланса фаз выполняется на другой частоте и частота автоколеба НИИ на выходе усилителя 6 изменяется в соответствии с изменением величины коэффициента передачи тензорезисторного моста 1. По величине и знаку отклонения частоты автоколебаний на выходе усилителя 6 судят о величине и знаке отклонения коэффициента передачи тензорезисторного моста 1, а следовательно, и о величине и знаке отклонения измеряемой физической величины . Учитывая, что в устройстве-прототипе модуль коэффициента передачи фильтра верхних частот k равен 2, а в данном устройстве коэффициент передачи фильтра верхних частот равен 1 , а также основываясь на расчетах, можно сделать вывод, что в данном устройстве крутизна характеристики преобразования по крайней мере в 2,8 раза выше, чем в базовом варианте. Таким образом, предлагаемое устойство обладает более высокой крутизной характеристики преобразования изменения коэффициента передачи тензорезисторного моста в изменение частоты, а следовательно, оно имеет ольшую чувствительность к изменениям оэффициента передачи тензорезисторого моста и обладает большей чувстительностью к изменениям измеряемого изического параметра, например, сиы или давления. Это обусловлено тем, то введение последовательно соедииейных смесителя, фильтра нижних частот, широкополосного усилителя и умножителя частоты позволяет увелгдчить чувствительность фазочастотной характеристики цепи, образованной фильтром верхних частот, тензорезисторньпу мостом сумматором, фазовым звеном, фильтром нижних частот и широкополосным усилителем, к изменениям измеряемой физичеркой, величины.

Формула изобретения

Частотный преобразователь для тензодатчиков, содержащий последовательно включенные тензорезисторньй мост, сумматор и фазовое звено первого порядка, а также фильтр высоких частот, подключенный входом к входу тензорезисторного моста, а выходом к второму входу сумматора, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности путем увеличения крутизны характеристики преобразования, в него введены последовательно соединенные смеситель, фильтр нижних частот, широкополосньй усилитель и умножитель частоты, выход которого подключен к первому входу смесителя, при этом выход широкополосного усилителя соединен с входом тензорезисторного моста, а выход фазового звена первого порядка подключен к второму входу смесителя.

Ui

и,

Изобретение относится к измериI тельной технике и может быть использовано в устройствах для измерения силы или давления. Цель изобретенияповышение чувствительности устройства - достигается за счет увеличения крутизны характеристики преобразования.. Для этого в частотный преобразователь введены последовательно соединенные смеситель 4, фильтр 5 нижних частот, широкополосный усилитель 6 и умножитель 8 частоты. Кроме того, устройство содержит тензорезисторный мост 1, сумматор 2, фазовое звено 3 первого порядка, фильтр 7 верхних частот. В устройстве исключено влияние изменения сопротивлений тензорезисторного моста, приводящее к изменению его коэффициента передачи и фазочастотной характеристики, что повышает чувствительность устройст(Л ва. 2 ил.