Преобразователь сигналов тензодатчиков Советский патент 1990 года по МПК G01R27/02 

Фиг.1

Изобретение относится к контроль- |но-измерительной технике и может быть использовано в тензометрии для измерения силы, давления, ускорения.

Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет увеличения крутизны и стабильности характеристики преобразования в широком интервале температур.

На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя сигналов тензодатчиков; на фиг. 2 - векторная диаграмма процесса суммирования колебаний в сумматоре.

Преобразователь содержит два тен- зорезисторных моста 1 и 2, входы которых соединены, опорный генератор 3, подключенный выходом к входам тензорезисторных мостов I и 2, фильтр 4 нижних частот, вход которого соединен с выходом тензорезисторного моста 1, сумматор 5, термозависимый резис- тивный делитель 6 напряжения, подключенный входом к выходу опорного генератора 3, а выходом - к второму входу сумматора 5, третий вход которого соединен с выходом фильтра 4 нижних частот, компаратор 7 напряжения, входы которого подключены к выходам тен- зорезисторных мостов 1 и 2, D-триггер 8, разрешающий вход которого соединен с выходом компаратора 7 напряжения, а управляющий вход - с его инверсным выходом, логический элемент НЕ 9Г электронные коммутаторы 10-13, а также логический элемент НЕ 14, подключенный входом к инверсному выходу D-триггера 8 и управляющему входу электронного коммутатора 11, а выхо- дом - к управляющему входу электронного коммутатора 13, вход которого соединен с входом электронного коммутатора 11 и подключен к выходу тензорезисторного моста 2, при этом выход тензорезисторного моста 1 соединен с входами электронного коммутатора 10 и электронного коммутатора 12, управляющий вход которого подключен к неинверсному выходу D-триг- гера 8 и соединен с входом логического элемента НЕ 9, подключенного выходом к управляющему входу электронного коммутатора 10, выход которого соединен с выходом электронного ком- мутатора 13 и подключен к четвертому (неинвертирующему) входу сумматора 5, пятый вход которого соединен с выходами электронных коммутаторов 11

и 12, фильтр 15 верхних частот, фазометр 16, подключенный одним входом к выходу опорного генератора 3, а другим - к выходу сумматора 5, первый вход которого соединен с выходом фильтра 15 верхних частот, входом подключенного к выходу тензорезисторного моста 2, кроме того, к установочному R-входу D-триггера 8 подключена RC-цепь, обеспечивающая установку триггера в начальное нулевое, состояние.

Тензорезисторные мосты состоят из резисторов, включенных по мостовой схеме (так называемые четырехполюсники -с перекрестными связями), выполнены тензомосты таким образом, что силовое воздействие, приложенное к ним, приводит к равным по абсолютной величине, но противоположным по знаку изменениям их коэффициентов передачи. Причем в исходном состоянии один из тензорезисторных мостов сбалансирован, а второй разбаланси- рован. Компаратор 7 напряжения является специализированным операционным усилителем с дифференциальным вхдом и одиночным цифровым выходом. Принцип действия компаратора 7 напряжения такой, что при разности входных сигналов, меньшей некоторого известного уровня напряжения срабатывания U ag , на выходе устанавливается потенциал, соответствующий логической единице, а если разность входных сигналов больше этого уровня Ucpaj, то на выходе - потенциал, соответствующий логическому нулю.

Электронные коммутаторы 10-13 служат для коммутации аналоговых сигналов. Если коммутатор находится в состоянии Включено, его выходное напряжение должно точно равняться входному, если коммутатор находится в состоянии Выключено, оно должно стать равным нулю.

RC-цепь, одни полюса резистора 17 (R) и конденсатора 18 (С) которой соединены и подключены к установочному R-входу D-триггера 8, второй полюс резистора 17 подключен к положительному полюсу источника питания, а второй полюс конденсатора 18 соединен с общей шиной, обеспечивает начальную установку триггера 8 в нулевое состояние. Постоянная времени DRC-цепи (R C) выбирается такой,

что при подаче напряжения питания на один полюс резистора 17 конденсатор 18 не может зарядиться мгновенно и в первый момент времени на установочный R-вход триггера подается потенциал низкого уровня, вследствие которого D-триггер устанавливается в нулевое состояние,. По истечении времени Ј конденсатор 18 заряжается полностью, а на R-вход триггера подается высокий потенциал и триггер сохраняет ранее установленное (нулевое) состояние.

Преобразователь работает следующим образом.

В стационарном режиме при отсутствии силового воздействия, когда, например, первый тензорезисторный мост 1 максимально разбалансирован, а второй мост 2 сбалансирован, выходное колебание U0 опорного генератора 3 с частотой через первый тензорезисторный мост 1 (U,. ) и фильтр 4

4

нижних частот (U ), где оно приоб- , ретает фазовый сдвиг, равный (при условии, что используется сЬилътр нижних частот Баттерворта второго порядка)

V,

arctg 1- дг

выхода которого потенциал единичного, уровня, поступающий на управляющий вход первого электронного коммутатора 10, обеспечивает подсоединение выхода первого тензорезисторного моста 1 к четвертому (инвертирующему) входу сумматора 5, а единичный потенциал с инверсного выхода D-триггера 8 поступает на управляющий вход второго

электронного коммутатора 11, подключает выход второго тензорезисторного моста 2 к пятому входу сумматора 5. При этом ключи третьего электронного

5 коммутатора 12, на вход которого подается нулевой потенциал с неинверсного выхода D-триггера 8, и четвертого электронного коммутатора 13, на управляющий вход которого подается ну0 левой потенциал с. выхода второго логического элемента НЕ 14, находятся в разомкнутом состоянии.

Процесс суммирования колебаний в сумматоре 5 для этого случая предста5 влен на векторной диаграмме (фиг,2а). Суммарный фазовый набег на выходе сумматора равен

I/ arctg

KiHilKJ cc2§l нч (l4 4h90 ).K ,

(1)

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в тензометрии для измерения силы, давления, ускорения. Цель изобретения - повышение точности преобазования за счет увеличения крутизны и стабильности характеристики преобразования в широком интервале температур - достигается введением термозависимого резистивного делителя 6 напряжения, компаратора 7, фильтра 4 нижних частот и элементов логики. Силовое воздействие на тензорезисторные мосты 1 и 2 приводит к дифференциальному изменению их коэффициентов передачи. Это вызывает изменение фазового сдвига колебания на выходе сумматора 5. При выполнении тензорезисторных мостов 1 и 2 однотипными, а резистивного делителя 6 термозависимым с температурными коэффициентами резисторов, образующих делитель, равными по абсолютной величине, но противоположными по знаку (причем при равенстве абсолютных величин температурных коэффициентов резисторов делителя и температурных коэффициентов чувствительности тензомостов), фазовый сдвиг на выходе сумматора 5 слабо зависит от изменения температуры среды, окружающей тензодатчики. 1 ил.

где Sl, w0/cJ()H4;

u

Фнч

- частота среза фильтра 4 нижних частот,

поступает на третий вход сумматора 5, на первом входе которого уровень напряжения равен нулю (так как второй тензорезисторный мост 2 сбалансирован и его коэффициент передачи равен нулю), а на второй вход его поступает колебание Ц, с частотой и)0 через термозависимый резистивный делитель 6 напряжения.

Так как в этом режиме работы U U , то на выходе компаратора 7 устанавливается потенциал, соответствующий логическому нулю.. При этом на разрешающий вход D-триггера 8, инверсный выход которого соединен с его управляющим входом, подается потенциал, соответствующий логическому нулю, и на неинверсном выходе D-триггера 8 устанавливается нулевой потенциал, а на инверсном - потенциалг соответствующий логической единице. Нулевой потенциал с неинверсного вы- ,хода триггера 8 поступает на вход первого логического элемента НЕ 9, с

где К„ - коэффициент передачи перво- М1

го тензорезисторного мос та 1;

Кфнч модуль коэффициента передачи фильтра 4 нижних частот; Кп - коэффициент передачи термозависимого резистивного делителя 6 напряжения.

В динамическом режиме при наличии

малого силового воздействия ( Ј

е

« т-), где Ј- относительная деформация., чувствительная деформация чувствительного элемента; Јт- максимальное значение относительной деформации) первый тензорезисторный мост 1 разбалансирован и значение

ег° коэффициента передачи несколько меньше максимального, второй тензорезисторный мост 2 также разбалансирован и его коэффициент передачи отличен от нуля. При этом колебание

U0 с частотой UJ0 через второй тензорезисторный мост 2 (UM ) и фильтр 15 верхних частот (IL ), где оно приобретает фазовый сдвиг, равный (при условии, что используется фильтр

верхних частот Баттерворта второго порядка)

, 1.414Й2 . arctg -АТ1-БТ

I- Я-Ј

где $l2 4/4tov

oi,fl(.- частота среза фильтра 15

верхних частот,

Поступает на первый вход сумматора 5, на пятый вход которого одновременно с этим через ключ второго Электронного коммутатора 11, находящийся в замкнутом состоянии потенциif arctg

(K nK±itЈjLLK №kЈosiv::22 l, (2)

Г КМ1+КмГ(КМ1Кфнч+КМ1Кф6ч)31п(У-90)

где Км - коэффициент передачи второго тензорезисторного мое- та 2;

Кфв - модуль коэффициента передачи фильтра 15 верхних частот.

Фильтры нижних частот 4 и верхних частот 15 выбраны активными, причем на рабочей частоте выполняется равенство , тогда выражение

(2) можно записать в виде

,.,.,. (K«,-KMi)cos(V-90°)

l -arctg ---------- - -K)sin((f(90

м 1 lv м. 1

м,

(3)

-

При дальнейшем возрастании силово- Го воздействия в динамическом режи- Не уменьшение коэффициента передачи тензорезисторного моста 1 и увеличение коэффициента передачи тензорезисторного моста 2 приведет в некоторый момент к приблизительному равенству (с определённой степенью точности, определяемой уровнем напряжения срабатывания Ucpc(Ј компаратора 7 напряжения) коэффициентов передачи тензо-

Ј.

мостов (при Ј. 3-), вследствие чего

на выходе компаратора 7 напряжения появится прямоугольный импульс, по фронту которого D-триггер 8 перейдет в новое состояние: на неинверсном выходе появится потенциал уровня логической единицы, а на инверсном выходе - потенциал уровня логического нуля. В результате ключ третьего электронного коммутатора 12 замкнется (уровнем логической единицы на управляющем входе с неинверсного выхода D-триггера) и соединит выход

алом единичного уровня с инверсного выхода D-триггера 8, поступает коле- бание UM с выхода второго тензоре- зисторного моста 2.

Процесс суммирования колебаний в сумматоре 5 представлен на векторной диаграмме (фиг. 2б). Для простоты анализа частота среза фильтра 4 ниж- них частот частота среза фильт- ра 15 верхних частот выбраны такими, что I ,H4 I %,61/ f. При этом суммарный фазовый набег на выходе сумматора 5 равен

первого тензомоста 1 с пятым входом сумматора 5, а ключ четвертого электронного коммутатора 13 также замкнется (уровнем логической единицы с выхода второго логического элемента НЕ 14, подключенного входом к инверсному выходу D-триггера 8) и соединит выход второго тензомоста 2 с четвертым входом сумматора 5. Теперь колебание и„ поступает на пятый, а колеба-

ние U - на четвертый входы сумматора.

Колебания на первом, втором и третьем входах сумматора 5 формируются так же, как и при малом силовом воздействии на тензорезисторные мосты При этом суммарный фазовый набег на выходе сумматора 5 равен

(Kv l-KM4)cos(4-900) «ft.-arctg к-- ---ynS( e

(4).

Из формул (1)-(4) следует, что фазовый сдвиг колебания на выходе сумматора функционально зависит от величины коэффициентов передачи Км , КМг тензорезисторных мостов 1 и 2, а следовательно, от измеряемого воздействия . Колебания с выхода сумматора 5 поступают на первый вход фазометра 16, на второй вход которого поступают колебания выхода опорного генератора 3..

Силовое воздействие на тензочувст- вительные элементы приводит к изменению коэффициентов передачи KW1, КМ;1 тензорезисторных мостов 1 и 2. Это вызывает изменение фазового сдвига на выходе сумматора 5 и показания фазометра 16 изменяются в соответствии

с измеряемой величиной силового воз-. действия. Тензорезисторные мостовые первичные измерительные преобразователи обладают достаточно большой температурной погрешностью, характеризуемой температурным коэффициентом чувствительности (ТКЧ) и температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) образующих тензомост.

При использовании в предлагаемом преобразователе однотипных тензоре- зисторных мостов с ТКЧ одного знака и термозависимого резистйвного делителя напряжения, резисторы которого имеют ТКС противоположного знака, равный по величине ТКЧ тензорезистор- ных мостов, фазовый сдвиг (f слабо зависит от температуры окружающей среды.

Таким образом, предлагаемый преобразователь позволяет увеличить в 3,6 раза крутизну и в 4,6 раза стабильность характеристики преобразования в широком интервале изменения температуры.

Формула изобретения

Преобразователь сигналов тензо- датчиков, содержащий опорный генератор, два тензорезисторных моста, вход которых одновременно подключены к выходу опорного генератора, фазометр, фильтр верхних частот и сумматор, первый вход которого подключен к выходу фильтра верхних частот, а выход- к первому входу фазометра, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены фильтр нижних частот, компаратор, D-триггер, четыре электронных коммутатора, два логических элемента НЕ и термозависимый резис0

5

0

тивный делитель напряжения, вход кот- торого соединен с выходом опорного генератора и вторым входом фазометра, при этом выход термозависимого резистйвного делителя напряжения соединен с вторым входом сумматора, вход термозависимого резистйвного делителя напряжения соединен с входами тензорезисторных мостов и вторым входом фазометра, а выход - с вторым входом сумматора, вход фильтра нижних частот соединен с выходом первого тензоре- зисторного моста, а выход - с третьим входом сумматора, вход D-триггера соединен с выходом компаратора напряжения, входы которого соединены с выходами тензорезисторных мостов, а неинверсный выход D-триггера подключен к управляющему входу первого электронного коммутатора и входу первого логического элемента НЕ, выход которого соединен с управляющим входом второго электронного коммутато- 5 ра, а вход - с входом первого электронного коммутатора, с выходом первого тензорезисторного моста и вхо-- дом фильтра нижних частот, выход второго электронного коммутатора соединен с четвертым входом сумматора, инверсный выход D-триггера соединен с управляющим входом третьего электронного коммутатора и входом второго логического элемента НЕ, выход которого соединен с управляющим входом четвертого электронного коммутатора, выход которого подключен к четвертому входу сумматора, вход четвертого электронного коммутатора соединен с входом третьего электронного коммутатора, с выходом второго тензореэис- торного моста и входом фильтра верхних частот, а выходы первого и четвертого электронных коммутаторов сое- ,динены с пятым входом сумматора.

0

5

0

u,

11фнч

Фиг. 2