Преобразователь сигналов мостовых тензодатчиков Советский патент 1991 года по МПК G01R27/02 G01R17/10 

О 3

о о

-1

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано в тензометрии для измерения силы, давления, ускорения и т.д. Цель изобретения - повышение крутизны и стабильности характеристики преобразования в широком интервале температур путем уменьшения влияния температурной нестабильности и элементов схемы за счет применения фазовых звеньев. Преобразователь сигналов мостовых тензодатчиков содержит последовательно включенные опорный генератор 1, тензорезисторный мост 2, фазовое звено 3. сумматор 4, фазовое звено 5, фазометр 6, тензорезисторный мост 7. Выполнены тензорезисторные мосты так, что силовое воздействие, приложенное к ним, приводит к равным по абсолютной величине, но противоположным по знаку изменениям их коэффициентов передачи, в исходном состоянии один из тензорезисторных мостов сбалансирован, а второй разбалансировак. Преобразователь обладает в, 1,7 раза большей крутизной, в 32 раза меньшей температурной нестабильностью и в 57 раз большей точностью измерения физической величины. 2 ил.

Фиг. 1

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

Цель изобретения - повышение крутиз- ны и стабильности характеристики преобразования в широком интервале изменения температур путе.л уменьшения влияния температурной нестабильности элементов схемы за счет применения фазовых звень- ев.

На фиг, 1 представлена функциональная схема преобразователя; на фиг. 2 - век- тормая диаграмма процесса суммирования колебаний в сумматоре,

Преобразователь содержит последовательно включенные опорный генератор 1, первый тензорез. оторный мост 2, первое фазовое звено 3, сумматор А, второй вход которого подключен к выходу второго фазо- вого зэена 5, фазог етр 6, первый вход которого соединен с выходом опорного генератора 1, а второй - с выходом сумматора 4, второй тензорезисторный мост 7, подключенный к выходу опорного генерато- ра 1, а выходом - ко входу второго фазового звена 5.

Выполнены тензорезисторные мосты таким образом, что силовое воздействие, приложенное к ним, приводит к рачным по абсолютной величине, но противоположным по знаку изменениям их коэффициентов передачи, причем в исходном состоянии один из тензореэисторных мостов сбалансирован, а второй разбалансирован.

Преобразователь работает следующим образом,

В стационарном режиме при отсутствии силового воздействия выходное колебание Do с частотой Шо с выхоца опорного гене- ратора 1 через первое фазовое звено 3(Ui ), где оно приобретает фазовый сдвиг, рав- нмй .з.1 2 arctg «wn ( n- постоянная времени первого фазового звена 3), и первый тензорезисторный мост 2 (Ui), который максимально разбалансирован, поступает на вход сумматора 4, на втором входе кото t Ki Кф.э. iSin ( 2 arctg ft) n ) 4- Ka Кф.з.а sin ( 2 arctg w ti ) Ki Кф.з.1 cos ( 2 arctg wn ) + «2 Кф.3.2 cos ( 2 arctg (t)T2 )

где Ki, K2 - коэффициенты передачи первого и второго тензорезисторных мостов 2 и 7 соответственно;

Кф.з.1, Кф.э.2 - подули коэффициентов передачи первого и второго фазовых звеньев 3 и 5 соответственно.

р - arctg

(Ki/K2 ) sini (2 arctg ) sln( 2 arctg штг) ( Ki/K ) cos ( 2 arctg ) + cos ( 2 arctg ш П )

рого уровень напряжения U2 с выхода второго фазового звена 5 равен нулю, так как второй лензорезисторный мост 7 сбалансирован и его коэффициент передачи равен нулю. Поэтому на выходе сумматора 4 колебание Ui по фазе совпадает с колебанием Ui (при условии широкополосности сумматора 4) и фаза колебания DЈ , поступающего на вход фазометра 6, равна

2arctgtoTi.(1)

На второй вход фазометра 6 поступает колебание U0 с выхода опорного генератора 1, которое имеет фазу р0.

При этом показания фазометра 6 соответствуют разности фаз колебаний, поступающих на его входы:

&( - 2 arctg шГч.

(2)

В динамическом режиме при наличии силового воздействия первый тензорезисторный моет 2 разбалансирован и значение ею коэффициента передачи несколько меньше максимального, второй тензорезисторный мост 7 также разбалансирован и его коэффициент передачи отличен от нуля. При этом на второй вход сумматора 4 подается выходное колебание 1)0 опорного генератора 1 с частотой Шо через второй тензорезисторный мост 7 и второе фазовое звено 5 (U21), где оно приобретает фазовый сдвиг, равный фэ2 2 arcig тг (VT- постоянная времени второго фазового звена 5).

Колебание Ui на первом входе сумматора 4 формируется так же, как и при отсутствии силового воздействия на тензорезисторные мосты. Процесс суммирования колебаний в сумматоре представлен на векторной диаграмме (фиг. 2).

На векторной диаграмме путем несложных математических операций над векторами можно получить, что фазовый сдвиг на выходе сумматора 4 в этом случае равен

Первое фазовое звено 3 и второе фазовое звено 5 выбраны активными, причем на рабочей частоте (а выполняется равенство Кф.з.1 Кф.з.2 1. Тогда выражение (3) можно записать в виде

(4)

На второй вход фазометра 6, как и в первом случае, поступает колебание U0 с выхода опорного генератора 1 с текущей фазой ро.

Ae-gb-arctq (Ki/K2)Sln(2arctgQ ri)Sln(arctgftjr2) r (Ki/K2)cos (2 arctgwn )+cos(arctg WT2) v

Из выражения (5) видно, что разность фаз колебаний, поступающих на входы фазометра 6, т.е. и его показания, зависят от отношения коэффициентов передачи Kt/«2 тензорезисторных мостов, а следовательно, и от измеряемого воздействия, причем си- ловое воздействие приводит к равным по абсолютной величине, но противоположным по знаку изменениям их коэффициентов передачи (с ростом силового воздействия К2 увеличивается, a Ki умень- шается).

При использовании в предлагаемом устройстве однотипных тензорезисторных мостов (с ТКЧ одного знака) и при таком выборе элементов, определяющих постоян- ные времени ri и тг фазовых звеньев, равные :

ri(T)Tio(1 +«RiAT)(1 + adAT);

Г2(Т)Т20(1 + OR2AT)(1 +OC2AT).

где Тю , Tic - номинальные значения постоянных времени первого и второго фазовых звеньев 3 и 5 соответственно (при Т Т0);

ДТ Т - То, То 293°К;

Т - текущее значение температуры окружающей среды;

OKI , OR2 - температурные коэффициенты сопротивления резисторов, определяющих постоянные времени фазовых звеньев;

QC1. Ос2 - температурные коэффициенВ этом случае показания фазометра 6 соответствуют разности фаз

ты емкостей конденсаторов, определяющих постоянные времени фазовых звеньев,

5 0 5

0

5

0

5

1

фазовый сдвиг р , а слечто, от Т1Т2,

довательно, показания фазометра 6 слабо зависят от температуры окружающей среды.

Таким образом, предлагаемый преобразователь по сравнению с известным обладает в 1,7 раза большей крутизной, в 32 раза меньшей температурной нестабильностью и в 57 раз большей точностью измерения физической величины (силы, давления, ускорения и т.д.),

Формула изобретения

Преобразователь сигналов мостовых тензодатчиков, содержащий опорный генератор, выход которого соединен с входами двух тензорезисторных мостов, сумматор, соединенный выходом с входом фазометра, второй вход которого подключен к выходу опорного генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения крутизны и стабильности характеристики преобразования в широком интервале изменения температуры, в него дополнительно введены два фазовых звена, входы которых соответственно соединены с выходами тензорезисторных мостов, а выходы соответственно соединены с входами сумматора.

Фиг. 2