Частотный преобразователь для тензодатчиков Советский патент 1988 года по МПК G01R27/02 

сл

оо

о

О)

о

СХ)

1

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к частотным преобразователям для тензодат- чиков, и может быть использовано в измерительных устройствах для измения силы или давления.

Цель изобретения - повьшение тности измерения путем повышения кртизны и линейности характеристики преобразования.

На чертеже представлена блок-схма преобразователя.

Устройство содержит опорный генератор 1 , два тензорезисторных моста 2 и 3, фильтр 4 верхних частот, два сумматора 5 и 6, первый 7 и второй 8 однополюсные смесители, перестраиваемый генератор 9, частотозависимый фа-2о мостов сбалансирован, а другой раз30

35

зовращатель 10, третий однополюсный смеситель 11, резонансный усилитель 12, четвертый однополюсный смеситель 3, а также фазовый детектор 14 и блок 15 управления частотой перестра-25 иваемого генератора. При этом вход опорного генератора 1 соединен с входами тензорезисторных мостов 2 и 3, выходы которых подключены к первым входам сумматоров 5 и 6 соответственно, и с входом фильтра 4 верхних частот, подключенного выходом к вторым входам сумматоров 5 и 6, выходы которых соединены с первыми входами первого 7 и второго 8 однополосных смесителей соответственно, выход первого однополосного смесителя 7 подключен к входу четвертого однополосного смесителя 13. Второй 8 и третий 11 однополосные смесители 11, резонансньй усилитель 12 и четвертый однополосньй смеситель 13, выход которого соединен с вторым входом третьего однополосного смесителя 11, включены последовательно. Кроме того, выходы опорного генератора 1 и резонансного усилителя 12 соединены соответственно с первым и вторым входами фазового детектора 14, выход перестраиваемого генератора 9 подключен к второму входу второго однополосного смесителя 8, а фазовый детектор 14, блок 15 управления частотой перестраиваемого генератора, перестраиваемый генератор 9 и частотозависимый фазовращатель 10, выход которого подключен к второму входу первого однополосного смесителя 7, соединены последовательно.

40

45

50

55

балансирован или оба тензорезисторных моста сбалансированы.

Однополосные смесители 7, 8,11 и 13 вьтолнены по фильтровой или фа зокомпенсационной схеме. В первом случае для выделения колебаний либо с суммарной, либо с разностной частотой используется фильтр, установленный на выходе перемножителя (смесителя ) сигналов. Во втором случае выделение одной боковой полосы осуществляется благодаря соответствующему включению двух или трех перемножителей и двух или трех фазовращателей в однополосном смесителе .

Кроме того, частотозависимый фазо вращатель выполнен таким образом, что фазовый сдвиг в нем прямо пропор ционален частоте входных колебаний. В качестве частотозависимого фазовращателя может быть установлена, например, линия задержки.

Устройство работает следующим образом.

С выхода опорного генератора 1 колебание с частотой u) поступает на входы первого 2 и второго 3 тензорезисторных мостов и одновременно на вход фильтра 4 верхних частот. С выходов тенэорезисторных мостов 2 и 3 колебания поступают соответственно на первые входы первого 5 и второго 6 сумматоров, на вторые входы которых поступает колебание с выхода фильтра 4 верхних частот. Тензорезисторные мосты 2 и 3 и фильтр 4 верхних частот, входы которых сое

Тензорезисторные мосты состоят из резисторов, включенных по мостовой схеме (так назьшаемые четырехполюсники с перекрестными связями ), причем один или несколько резисторов являются датчиками измеряемой физической величины, например давления. Тензорезисторные мосты вьшолне- ны таким образом, что воздействие, измеряемой физической величины дифференциально изменяет их коэффициенты передачи, т.е. одно и то же измеряемое воздействие (например, давление) приводит к равным по абсолютной величине, но противоположным по знаку изменениям их коэффициентов передачи, причем в стационарном состоянии один из тензорезисторных

0

5

5

0

5

0

5

балансирован или оба тензорезисторных моста сбалансированы.

Однополосные смесители 7, 8,11 и 13 вьтолнены по фильтровой или фа- зокомпенсационной схеме. В первом случае для выделения колебаний либо с суммарной, либо с разностной частотой используется фильтр, установленный на выходе перемножителя (смесителя ) сигналов. Во втором случае выделение одной боковой полосы осуществляется благодаря соответствующему включению двух или трех перемножителей и двух или трех фазовращателей в однополосном смесителе .

Кроме того, частотозависимый фазовращатель выполнен таким образом, что фазовый сдвиг в нем прямо пропорционален частоте входных колебаний. В качестве частотозависимого фазовращателя может быть установлена, например, линия задержки.

Устройство работает следующим образом.

С выхода опорного генератора 1 колебание с частотой u) поступает на входы первого 2 и второго 3 тензорезисторных мостов и одновременно на вход фильтра 4 верхних частот. С выходов тенэорезисторных мостов 2 и 3 колебания поступают соответственно на первые входы первого 5 и второго 6 сумматоров, на вторые входы которых поступает колебание с выхода фильтра 4 верхних частот. Тензорезисторные мосты 2 и 3 и фильтр 4 верхних частот, входы которых соединены, и сумматоры 5 и 6, подключенные первыми вх одами к выходам первого 2 и второго 3 тензорезисторных мостов соответственно, а вторыми входами - к выходу фильтра 4 верхних частот, образуют частотозависимый фазовращатель, величины фазовых сдвигов на выходах которого относительно входного колебания определяются значениями козффициентов передачи тензорезисторных мостов. В стационарном состоянии при отсутствии измеряемого воздействия первый тензо- резисторный мост 2 сбаланс41рован и его коэффициент передачи равен нулю, при этом фазовый сдвиг колебания на выходе первого сумматора 5 по отношению к колебанию на входе фазовращателя L/ф arctg 1/ u. , где i - постоянная времени филыра 4 верхних частот (при условии использования фильтра верхних частот первого порядка ). В то же время второй тензо- резисторный мост 3 находится в состоянии, например, максимального разбаланса и его коэффициент передачи равен некоторому максимальному значению, при этом фазовый сдвиг колебания на выходе второго сумматора 6 по отношению к колебанию на входе фазовращателя

Г sin Larctg ысСJ

Кп

U Ф1

arctg

К,, Гсоз I arctg J--J

П т

где К - коэффициент передачи второго тензорезисторного моста 3;

- максимальное значение коэффициента передачи второго тензорезисторного моста;

К„ - модуль коэффициента передчи фильтра 4 верхних час- тот.

С выходов первого 5 и второго 6 сумматоров колебания поступают на входы первого 7 и второго 8 однополосных смесителей. На второй вход второго однополосного смесителя 8 поступает колебание с выхода перестраиваемого генератора 9. Одновременно колебание с выхода перестраиваемого генератора 9 через частотозвисимый фазовращатель 10 поступает на второй вход первого однополосного смесителя 7. Колебания с выходов

0

второго 8 и первого 7 однополосных смесителей поступают на входы третьего 1 I и четпсртог о I 3 однополосных смесителей соответственно. Выход третьего однополосного смесителя I1 подключен к входу резонансного усилителя 12, выход которого соединен с вторым входом четвертого од- Q нополосного смесителя 13, подключенного выходом к второму входу третьего однополоеного смесителя 11. Выход резонансного усилителя I2 подключен к второму входу четвертого однополос- 5 ного смеси геля 13 и к входу фазового детектора 14. Включенные в кольцевое соединение третий однополосный смеситель 11, резонансный ускпитель 12 и четвертый однополосный смеситель 0 3, которого соединен с вторым входом третьего однополосного смесителя 11, образуют автоколебательную систему, в которой в стационарном состоянии при вьтолнении условий 5 баланса фаз и амплитуд существуют

устойчивые колебания с частотой, равной частоте to, опорного генератора.

На входы фазового детектора 14 поступают колебания одинаковой час- 0 тоты. вследствие чего управляющее напряжение на его выходе равно нулю и блок 15 управления удерживает значение частоты перестраиваемого генератора 9 равным номинальному При этом на выходах первого 7 и второго 8 однополосных смесителей вьще ляются колебания с частотой сО(, + ш равной сумме (или разности и .- Шрг и i4qr на выходах смесителей 7 и 8

5

ПГ о

соответственно ) частот колебаний, поступающих на их входы.

В последовательно соединенных однополосных смесителях 13 и 11 происходит возвратное гетеродинирование колебаний. На выходе смесителя 11 выделяется колебание с частотой 2 lu -i- + u)nr, равной сумме (или разности Zoig- ) частот колебаний, поступающих на его входы. На выходе смесителя 12 вьщеляется колебание с частотой и),, равной разности (или сумме ) частот колебаний, поступающих на его входы. В результате возвратного гетеродинирования на вЪпсоде однополосного смесителя 11 вьщеляется колебание,сдвинутое по фазе относительно колебания на выходе резонансного усилителя 12 на величину

СИ 7, И, CMl ф1 1 ПРО }

или

,«,в- СМв фГ фГ ПГО-Ч

групповое время запаз- дьшания сигнала в час- тотозависимом фазовращателе 10.

Изобретение может быть использовано в измерительных устройствах для измерения силы и давления. Преобразователь содержит опорный генератор 1, два тензорезисторных моста 2 и 3, фильтр 4 верхних частот, сумматор 5, однополюсные смесители 7, 8, II и 13, перестраиваемый генератор 9, частотозависимый фазовращатель 10, резонансный усилитель 12, фазовый детектор 14 и блок 15 управления частотой перестраиваемого генератора. Введение тензорезисторно- го моста 3, сумматора 6 и образование новых функциональных связей повышают точность измерения путем по- вьЕиения крутизны и линейности характеристики преобразования. 1 ил.

С учетом указанных фазовых соотношений условие баланса фаз для автоколебательной системы, образованной включенными в кольцевое соеди- tO нение третьим однополосным смесите- фазовый сдвиг колеба- лен 11, резонансным усилителем 12 ния в цепях фильтра- и четвертым однополосным смесителем ции смесителя 8; 13, можно представить в виде

где Cf суммарный фазовый см 1,11,1 сдвиг колебания в

цепях фильтрации смесителей 7,11 и 13;

f

CM 7, i,i-i CM

- гл, , - arctg ---- - arctg

- пгo V 9-i K1

или

CM .,,,в-

и)„

- arctg -к

- u).

- ЧР, K(T,

где К О, 1, 2,...;

t; - фазовый набег колебания в резонансном усилителе.

В стационарном режиме на выходе перестраиваемого генератора 9 существует колебание с номинальной частотой и)„го f соответствующей нулевому коэффициенту передачи первого тензорезисторного моста 2 и максимальному значению коэффициента передачи второго тензорезисторного моста 3 в отсутствие измеряемого воздействия.

В динамическом режиме при наличии измеряемого воздействия первый тензорезисторный мост 2 разбаланси- рован и его коэффициент передачи отличен от нуля, второй тензорезисторный мост 3 также разбалансирован и значение его коэффициента передачи несколько меньше максимального. При этом на первые входы сумматоров 5 и 6 подаются колебания, прошедшие с выхода опорного генератора 1 через тензорезисторные мосты 2 и 3 соответственно.

Колебания на вторых входах сумматоров 5 и 6 формируются так же, как и при отсутствии измеряемого возsin arctg ---.-

к 1 m . r 1 -I

-t- COS arctg --- j

ы.-г

sin arctg ---К Urn r1 -7

-кГ- --

(1)

действия. Суммарные колебания на выходах сумматоров 5 и 6 приобретают фазовые сдвиги по отношению к колебанию на выходе опорного генератора равные:

cf arctg

sin arctg -

I - cos arctg

К

arctg

sinUrctg

+ cos arctg ----

К

U),«

где u

i

ц ,- фазовые сдвиги на вы

ходах сумматоров 5 и 6 соответственно;

К - коэффициент передачи

первого тензорезисторного моста 2;

К - коэффициент передачи

второго тензорезисторного моста 3;

K,j - модуль коэффициента передачи фильтра 4 верхних частот.

Изменение измеряемой физической величины приводит к изменению величин коэффициентов передачи тензоре- зисторных мостов 2 и 3. Это вызьюает изменение фазовых сдвигов на выходах сумматоров 5 и 6. Частота автоколебаний в автоколебательной системе, образованной включенными в кольцевое соединение блоками II - 13, отклоняется относительно номинального значения, так как условие баланса фаз выполняется на другой частоте.

смт, if,n смв + arctg -sin t arctg .

К7 osUrctg -----J

8in arctg

- arctg.- +

Kf ----

ц - ij

СМ 7,1,, 1-ь .

-. 8 к,

sin arctg -г

к osf ----J

arctg

sin arctg

-Г-

Kj

cos arctg ------

1 Г

где К О, 1, 2

При этом величины фазовых сдви- roB /cA,7,iiiv cмв fi остаются практически неизменными.

- arctg

6l + г . I К.

I ° к1

cos arctg -J - -t- cos arctg

).

Из выражения (З) следует, что изменение частоты перестраиваемого генератора зависит от величин коэффициентов передачи К, и К, тензоре- зисторных мостов, а следовательно, от измеряемого воздействия, например силы или давления.

Аналогичное соотношение можно получить для случая, когда оба тензо- резисторных моста сбалансированы в стационарном состоянии.

На выходе фазового детектора } при этом появляется управляющий сигнал, который поступает на блок 15 управления. Блок 15 управления перестраивает генератор 9 на величину Аи, пг условие баланса фаз в автоколебательной системе, образованной блоками 11 - 13, снова выполня- ется на частоте ш . Условие баланса фаз в этом случае принимает вид

Чго- Чг у- V

к I

nr.nr ) г

РЧ

К К

(2)

Из выражений fM и (2) следует, что приращение частоты перестраиваемого генератора 9, вызванное измеряе- 35 мым воздействием:

). (3)

Формула изобретения

Частотный преобразователь для тензодатчиков, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, тензорезисторный мост и сумматор, а также фильтр верхних частот, вход которого соединен с входом тензоре- зисторного моста, а выход - с вторым входом сумматора, первый однополосный смеситель, последовательно соединенные второй и третий однополосные смесители, последовательно соединенный фазовый детектор, первый вход которого соединен с выхо дом опорного генератора, блок управления частотой перестраиваемого генератора, перестраиваемый генератор и частотозависимый фазовращатель, а также четвертый однополосный смеситель и резонансный усилитель, выход которого соединен с вторьм входом фазового детектора, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены последователь- но соединенные второй тензорезистор- ный мост и второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот, а выход соединен с первым входом второго одно-

полосного смесителя, причем вход второго тензорезисторного моста подключен к входу фильтра верхних частот, первый и второй входы первого однополосного смесителя соединены с выходами первого сумматора и частотозависимого фазовращателя соответственно, а выход подключен к первому входу четвертого однополосного смесителя, выход перестраиваемого генератора соединен с вторым входом второго однополосного смесителя, выход четвертого однополосного смесителя, второй вход которого подключен к выходу резонансного усилителя, соединен с вторым входом третьего однополосного смесителя, подключенного вькодом к входу резонансного усилителя.