Устройство для измерения механических величин Советский патент 1992 года по МПК G01L1/00 G01L1/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий давлений, вибраций, крутящих моментов, деформаций, механических напряжений и т„д.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг„ 1 представлены эпюры напряжений; на фиг. 2 - структурная схе- осуществляет его запуск.. Последний

ма устройства; на фиг. 3 показана конструкция сегнетоэластичного датчика; на фиг. - разрез А-А на фиг. 3.

Устройство для измерения механических величин содержит сегнетоэлас- тичный датчик 1t семь элементов И-НЕ 2-8, три одновибратора пять триггеров 12-16, делитель 17 напряжения, три кнопки 18-20, два регистра 21, 22 числа, цифровой отсчетный элемент 23, два формирователя 2Ц, 25 импульсов, генератор 26 пилообразного напряжения, компаратор 27, элемент 28 задержки, три реверсивных счетчика 29-31 импульсов, два управляемых делителя 32, 33 частоты, генератор 3 опорной частоты, элемент 2И-ИЛИ-НЕ 35, элемент ЗИ-ИЛИ-НЕ 36, два элемента И 37, 38..

Сегнетоэластичный датчик 1 (см. фиг. 3, 0 содержит корпус 39, сег- нетоэластичный чувствительный элемент 40, выполненный из кристалла Gd/L(Mn04)3 или В14ТЦ012, силовводя- щий элемент 1, держатель k2 чувствительного элемента, изоляционные втулки 3 и контактные штыри kk, к которым присоединены входные электроды А5, 46(.

Устройство для измерения механических величин работает следующим образом.

При включении устройства генератор 26 пилообразного напряжения генерирует противофазные управляющие сигналы ) и -U(t) треугольной (или трапецеидальной) формы с частотой следования f0, которые поступают на первый и второй входы сегнетоэластичного датчика 1 (см. фиг. 2).

I

Одновременно с первого выхода генератора 26 пилообразного напряжения сигнал поступает на один из входов компаратора 27. На второй вход компаратора 27 поступает сигнал UorTc выхода делителя 17 напряжения, который поступает также на вход генератора

15

формирует одиночный импульс заданно мощности и длительности, необходимо для обнуления функциональных блоков 12-Ц И 29-31 устройства,,

Цифровой код с выходов триггеров 12 и 13 представляет собой число 0-101.

При таком входном коде-на прямом выходе триггера 12 появится потенци 20 ал, соответствующий логическому

О, который запускает одновибратор I

Длительность выходного импульса одновибратора 9 устанавливается рав ной одному или нескольким периодам

25 пилообразного напряжения.

Передний фронт этого импульса со ответствует началу первого такта из мерения, в котором осуществляется установка значения опорного уровня

30 установка нуля сегнетоэласти.чного датчика 1.

Если момент времени tQ, соответствующий началу первого такта измер ния, совпал с моментом времени появ ления первого короткого импульса на выходе компаратора 27 .после обнулен всего устройства, то в этом случае компаратор 27 формирует короткие им пульсы (см. фиг. 1а) в моменты врем ни перехода смещенного на U0 пилооб

35

40

разного напряжения U(t) через опор ный (или нулевой, если Uort 0) урове в положительном и отрицательном направлениях (см. фиг. 1е), причем пр

45 прохождении смещенного пилообразного напряжения через опорный уровень в положительном направлении короткие импульсы формируются в моменты времени tp, t, tg, t,2,...,

50 а в отрицательном направлении корот кие импульсы формируются в моменты времени t, t, t(Ј,... (см. фиг. la) Частота следования..выходных импульсов компаратора 27 равна удвоенной стоте пилообразного напряжения, т.е

f f кн о

При отсутствии внешнего механического усилия на датчик 1 на его выходе формируется периодическая по

55

2Ь пилообразного напряжения (см. фиг. 2)„

Перед началом процесса измерения нажимают кнопку 20 Уст. О (установ- ка нуля) устройства. В результате с выхода источника питания (на фиг. 2 не указан) на формирователь 25 импульсов поступит потенциал, который

осуществляет его запуск.. Последний

5

формирует одиночный импульс заданной мощности и длительности, необходимой для обнуления функциональных блоков 12-Ц И 29-31 устройства,,

Цифровой код с выходов триггеров 12 и 13 представляет собой число 0-101.

При таком входном коде-на прямом выходе триггера 12 появится потенци- ал, соответствующий логическому

О, который запускает одновибратор 9. I

Длительность выходного импульса одновибратора 9 устанавливается равной одному или нескольким периодам

5 пилообразного напряжения.

Передний фронт этого импульса соответствует началу первого такта измерения, в котором осуществляется установка значения опорного уровня и

0 установка нуля сегнетоэласти.чного датчика 1.

Если момент времени tQ, соответствующий началу первого такта измерения, совпал с моментом времени появления первого короткого импульса на выходе компаратора 27 .после обнуления всего устройства, то в этом случае компаратор 27 формирует короткие импульсы (см. фиг. 1а) в моменты времени перехода смещенного на U0 пилооб5

0

разного напряжения U(t) через опорный (или нулевой, если Uort 0) уровень в положительном и отрицательном направлениях (см. фиг. 1е), причем при

5 прохождении смещенного пилообразного напряжения через опорный уровень в положительном направлении короткие импульсы формируются в мо менты времени tp, t, tg, t,2,...,

0 а в отрицательном направлении короткие импульсы формируются в моменты времени t, t, t(Ј,... (см. фиг. la). Частота следования..выходных импульсов компаратора 27 равна удвоенной частоте пилообразного напряжения, т.е.

f f кн о

При отсутствии внешнего механического усилия на датчик 1 на его выходе формируется периодическая по

5

следовательность импульсов в моменты времени равенства мгновенного значения управляющего сигнала, подаваемого на датчик 1, и коэрцитивного напряжения прямоугольной петли гистерв зиса датчика 1. Эти импульсы поступают на формирователь 2k импульсов, гд нормируется по амплитуде, длительности и знаку. На фиг 16, 1в и 1г приведены для каждого такта измерения,- равного периоду пилообразного напряжения, по два выходных импульса датчика 1 (после прохождения формирователя 2k импульсов), соответствующих отсутствию действия механической величины, с приложением нормированной по значению механической величины и с приложением исследуемой механической величины.

Причем каждому полупериоду пилообразного напряжения соответствует выходной импульс датчика 1. Короткие импульсы, приведенные на фиг. 1а,б, используются для формирования временных интервалов At, , ta, Дь5д 15--14 и & t9-tg (см. фиг. 1д;, длительность которых зависит от значений приложенной механической величины. Выходные импульсы компаратора 27 и формирователя 2k импульсов поступают, соответственно, на счетный вход триггера I f и вход установки нуля триггера 15.

Значение опорного уровня UOI) устанавливается с помощью делителя 17 таким, чтобы смещение пилообразного напряжения на значение опорного уровня обеспечило равенство временных интервалов utto (cM. фиг. 1д).

В этом случае компенсируется действие внутренних механических усилий на датчик 1 и тем самым центрируется ось симметрии прямоугольной петли как электрического, так и механического гистерезисов датчика 1. Т.е. обеспечивается установка нуля датчика, а цифровой отсчетный элемент 23 индицирует нулевое значение. Выходной сигнал с прямого выхода триггера 12 поступает через одновиб- ратор Э на первый вход логического элемента ЗИ-ИЛИ-НЕ 36.

Выходной импульс одновибратора Э формируется в начале положительного полупериода пилообразного напряжения..

Триггер k запускается выходными импульсами компаратора 27 таким об0

5

0

разом, что в положительный полупериод пилообразного напряжения он всегда находится в состоянии логической 1 на его выходе. В результате выходной импульс одновибратора 3, пройдя логический элемент ЗИ-ИЛИ-НЕ 36, поступит на счетный вход триггера 12 и на вход установки единицы триггера 15. Цифровой код на выходах триггеров 12 и 13 устанавливается равным коду числа 1001.

Триггер 15 выходными импульсами формирователя 2k постоянно устанавливается в нулевое состояние. После прихода на вход установки единицы триггера 15 импульса с выхода логического элемента ЗИ-ИЛИ-НЕ -36, триг-| гер 15 установится в состояние, соответствующее логической 1 на его выходе. Этот сигнал поступает на первые входы элементов И-НЕ 2-5 и одновибратора 11 (на вход А). На четвертый вход элемента И-НЕ 3 и на тре- , тьи входы элементов И-НЕ А и 5 поступает сигнал, соответствующий логической 1м,с прямого выхода триггера 120 На второй вход элемента И-НЕ 3 поступают с выхода управляемого делителя 32 частоты прямоугольные импульсы с частотой следования fT f0/N0, где fo - частота выходных импульсов генератора 3 опорной частоты; NQ - код числа, равного значению нормированной механической величины, устанавливаемый с помощью задатчика числа, выполненного на регистре 21 числа.

Выходные импульсы управляемого делителя 32 частоты поступают также на 0 третий и первый входы элементов И-НЕ 2 и 6 соответственно. .

В результате на вычитающий вход реверсивного счетчика 30 импульсов и на суммирующий вход реверсивного 5 счетчика 29 импульсов начнет поступать периодическая последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования .0 в течение интервала времени длительностью u.t fQ 0 t. Последний формируется путем поступления на вход установки нуля триггера 15 импульса с выхода формирователя 2k импульсов. В результате триггер 15 устанавливается в исход- 5 ное состояние, запрещая прохождение импульсов через элемент И-НЕ 3 на ре- версивный счетчик 30 импульсов. В течение временного интервала &tlo

0

5

&ц2в реверсивные счетчикм 29, 30 импульсов запишется код числа

N o utto

. fft/N,

(1)

ТК и1-10

Причем в реверсивный счетчик 30 импульсов запишется число (1) с отрицательным знаком1.

Выходной импульс одновибратора 9. прошедший логический элемент ЗИ-ИЛИ-НЕ 36, устанавливает триггер 12.в состояние логической IV на его прямом выходе« В результате на входах триггеров 12 и 13 установится код 1001,. В результате на втором входе элемента И 38 устанавливается потенциал, соответствующий логической- Т1, Последний обеспечивает готовность устройства к реализации второго такта, т.е. к измерению нормированной по значению механической величины.

Во втором такте на датчик 1 прикладывают нормированную по значению механическую величину Р0 , Затем нажимают кнопку 19 Изм. РО (измерение Р ). В результате на выходе элемента И 38 появится сигнал, соответствующий логической 1. Этот сигнал в положительный полупериод пилообразного напряжения поступает через элементы И 38 -и ЗИ-ИЛИ-НЕ 36 на вход установки единицы триггера 15 и на счетный вход триггера 12, переводя триггер 12 в состояние логического О на его прямом выходе, а триггер 13 - в состояние логической 1 на его прямом входе. В результате на выходах триггеров 12 и 13 установится код 0110.

В это же время сигнал логической 1, установленный на выходе триггера 15 в момент времени t5 (см. фиг. 1д), поступает на входы элементов И-НЕ и на вход А одновибратора 11. Поскольку на элемент И-НЕ 2 поступает разрешающий потенциал и с инверсного выхода триггера 12, то на суммирующий вход реверсивного счетчика 30 импульсов начнет поступать с выхода управляемого делителя 32 частоты периодическая последовательность импульсов с частотой .следования В момент времени t (см. фиг. 1в, д) на вход установки нуля триггера 15 поступит короткий импульс, устанавливающий на выходе триггера 15 сигнал, соответствующий логическому О и тем самым запре17372878

щающий дальнейшее прохождение импульсов на счетчик 30,

За время в реверсивный счетчик 30 импульсов поступит

10

15

20

25

30

,

fTM ut54 .

fo/N,

(2)

t на вы Wul-54

импульсов. В момент времени ходе реверсивного счетчика 30 импульсов с учетом (l) появится код числа

N0, N5f-N0(,0Vf0/N0 (3)

При наличии положительного потенциала на входе В одновибратора 11 отрицательный перепад импульса на . входе At созданный триггером 15 в момент времени t, обеспечивает надежный запуск одновибратора 11..

На выходе одновибратора 11 появится импульс длительностью Ј, достаточной для надежной записи выходного кода числа N0 реверсивного счетчика 30 импульсов в регистр памяти управ - ляемого делителя 33 частоты;

В результате к моменту времени tg начала третьего такта измерения (см. фиг. 1д) на выходе управляемого делителя 33 частоты сформируется периодическая последовательность импульсов с частотой следования

f9 rf0/N

о

СО

которые поступают на четвертый вход элемента И-НЕ 5 и на первый вход эле35 мента 2И-ИЛИ-НЕ 35. Поступление выходных импульсов генератора 3 опорной частоты на управляемый делитель 33 частоты прекращается по истечении третьего такта измерения. Это

40 достигается за счет подачи разрешающего потенциала с прямого выхода триггера 13 на первый вход элемента И-НЕ 7 во второй и третий такты измерений.

45 Одновременно потенциал, соответствующий логической 1, поступает на первый вход элемента И. Он указы,- вает на готовность устройства к третьему такту измерения.

50 Затем на датчик 1 прикладывают исследуемую механическую величину Р. Нажимают кнопку 18 Изм. PJ,. На второй вход элемента И 37 поступает положительный потенциал., разрешающий

55 прохождение сигнала с первого входа на выход элемента И 37. В результате на пятом входе элемента ЗИ-ИЛИ-НЕ 36 также появится положительный потенци

5

5

0

,

fTM ut54 .

fo/N,

(2)

t на вы Wul-54

импульсов. В момент времени ходе реверсивного счетчика 30 импульсов с учетом (l) появится код числа

N0, N5f-N0(,0Vf0/N0 (3)

При наличии положительного потенциала на входе В одновибратора 11 отрицательный перепад импульса на . входе At созданный триггером 15 в момент времени t, обеспечивает надежный запуск одновибратора 11..

На выходе одновибратора 11 появится импульс длительностью Ј, достаточной для надежной записи выходного кода числа N0 реверсивного счетчика 30 импульсов в регистр памяти управ - ляемого делителя 33 частоты;

В результате к моменту времени tg начала третьего такта измерения (см. фиг. 1д) на выходе управляемого делителя 33 частоты сформируется периодическая последовательность импульсов с частотой следования

f9 rf0/N

о

СО

которые поступают на четвертый вход элемента И-НЕ 5 и на первый вход элемента 2И-ИЛИ-НЕ 35. Поступление выходных импульсов генератора 3 опорной частоты на управляемый делитель 33 частоты прекращается по истечении третьего такта измерения. Это

достигается за счет подачи разрешающего потенциала с прямого выхода триггера 13 на первый вход элемента И-НЕ 7 во второй и третий такты измерений.

Одновременно потенциал, соответствующий логической 1, поступает на первый вход элемента И. Он указы,- вает на готовность устройства к третьему такту измерения.

Затем на датчик 1 прикладывают исследуемую механическую величину Р. Нажимают кнопку 18 Изм. PJ,. На второй вход элемента И 37 поступает положительный потенциал., разрешающий

прохождение сигнала с первого входа на выход элемента И 37. В результате на пятом входе элемента ЗИ-ИЛИ-НЕ 36 также появится положительный потенциал, разрешающий прохождение выходного сигнала триггера 1 (в положительный полупериод пилообразного напряжения) на счетный вход триггера 12 и на вход установки единицы триггера 15 Триггер 15 в состояние логической 1 устанавливается в момент време- JHH t- (см. фиг. 1д), соответствующий началу третьего такта измерения. На выходе триггера 15 положительный потенциал, соответствующий логической Т1-1, существует в течение интервала времени , ограниченного сверху моментом времени появления импульса с датчика 1.

Выходной импульс длительностью ДЬодуправляет Рвотой только логических элементов И-НЕ и 5, посколь ку на их вторые и третьи входы в третий такт измерения поступают потенциалы с прямых выходов триггеров 13 и 12, соответствующие логической

111 И

I

В результате на выходе элемента И-НЕ 5 появится периодическая последовательность прямоугольных импульсо с частотой следования (4), поступающая на суммирующий вход реверсивного счетчика 31 импульсов в течение интервала времени . За это время в счетчик 31 поступит импульсов:

f,4-w,

8 f°

/N

W

В то же время на выходе элемента И-ПЕ k появится потенциал, соответствующий логическому О, который своим задним фронтом запускает од- новибратор 10. Последний формирует с некоторой задержкой относительно момента времени Ц короткий импульс, устанавливающий триггер 16 в состояние логической 1 на его прямом выходе. С этого момента начинается процесс считывания числа ut(0(l), пропорционального временному интервалу , из реверсивного счетчика 29 импульсов путем разрешения поступления на его вычитающий вход импульсов с выхода управляемого делителя 32 частоты с той же частотой следования ftw, что и при записи числа N,,0 „5

В момент времени равенства нулю выходного кода на выходах Р переполнения реверсивного счетчика 29 импульсов (после считывания) на выходе элемента И-НЕ появится импульс, соответствующий логическому О.

37287

10

Этот импульс устанавливает триггер 16 в исходное состояние, соответствующее логическому О на его выходе-. Таким образом на выходе триггера 16 формируется импульс длительностью

ut.o N o/fT«

(6)

10

За это время (6) на вычитающий вход реверсивного счетчика 29 импульсов поступит

,

Чо

(7)

15

9

импульсов с выхода управляемого делителя 33 частоты.

Задним фронтом выходного импульса триггера 16 запускается элемент 28 задержки. Последний предназначен для формирования задержанного импуль20 са длительностью Јur N0/f0, Этот-импульс поступает на третий вход логического элемента 2И-ИЛИ-НЕ 35. В результате на вычитающий вход ревер - сивного счетчика 31 импульсов разре25 шается прохождение выходных импульсов генератора ЗЬ опорной частоты. -- - на

За время 2u«Se/fв

N

30

40

него поступит

ц 42 -о оW

импульсов. Общее число импульсов, записанное в реверсивный счетчик 31 импульсов, равно

Н02 Н98-Х0+И„) (9)

После истечения временного интер- 35 вала 0 на втором выходе элемента 28 задержки формируется импульс записи выходного кода числа (9) реверсивного счетчика 31 импульсов в регистр 22 числа. Этот импульс поступает на управляющий вход регистра 22 числа. Записанное число (9) индицируется с помощью цифрового от- счетного элемента 23.

Результат измерения (9) равен зна- 45 чению исследуемой механической величины РХ , т.е. ,

Формула изобретения

50 Устройство для измерения механических величин, содержащее сегнето- эластичный датчик, элемент И-НЕ, два одновибратора, три триггера, делитель напряжения, две кнопки, первые кон55 такты которых соединены между собой, два регистра числа, цифровой отсчет- ный элемент, формирователь импульсов i и генератор пилообразного напряжения,

выходы которого через сегнетоэластич- ный датчик силы подключены к соответствующим входам формирователя импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены компаратор, элемент задержки, три реверсивных счетчика импульсов, два управляемых делителя частоты, установочные входы первого из которых подключены к соответствующим выходам первого регистра числа, генератор опорной частоты, элемент 2И-ИЛИ-НЕ, элемент ЗИ-ИЛИ-НЕ, два элемента И, а также дополнительно введены два триггера, шесть элементов И-НЕ и третий одновибратор, первый вход которого подключен к первым входам первого, второго, третьего и четвертого элементов И-НЕ, а второй - к первому входу первого триггера и второму входу первого элемента И-НЕ, третий вход которого подключен к первому входу пятого элемента И-НЕ, к выходу первого управляемого делителя частоты и к второму входу второго элемента И-НЕ., третий вход которого подключен к первому выходу второго триггера, второй выход которого подключен к первым входам первого элемента И и шестого элемента И-НЕ, а также к вторым входам третьего и четвертого элементов И-НЕ, третьи входы которых подключены к четвертому входу второго элемента И-НЕ, к второму выходу первого триггера, к входу второго триггера, к первому входу второго элемента И и через первый одновибратор - к первому входу элемента ЗИ-ИЛИ-НЕ, второй, третий и четвертый входы которого подключены к выходу третьего триггера , вход которого подключен к выходу компаратора, одиы вход которого подключен к одному из выходов генератора пилообразного напряжения, а другой - к выходу делителя напряжения и к входу генератора пилообразного -напряжения, вторые контакты кнопок подключены к вторым входам соответствующих элементов И., выход первого из которых подключен к пятому, а второго - к шестому входу элемента ЗИ-ИЛИ-НЕ, выход которого подключен

5

0

5

к входу первого триггера и к первому входу четвертого триггера, второй вход которого подключен к выходу первого формирователя импуласов, а выход - к первому входу четвертого элемента И-НЕ, четвертый вход которого подключен к выходу второго управляемого делителя частоты и к первому

Q входу элемента 2И-ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к входу элемента задержки и к второму входу пятого элемента И-НЕ, выход которого подключен к первому входу первого реверсивного счетчика импульсов, второй вход которого подключен к выходу второго элемента И-НЕ и к первому входу- второго реверсивного счетчика импульсов, второй вход которого подключен- к выходу первого элемента И-НЕ, а выходы второго реверсивного счетчика импульсов подключены к соответствующим установочным входам второго управляемого делителя частоты,, вход управления которого подключен к выходу третьего одновибратора, а счетный вход - к выходу шестого элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к генератору опорной частоты, к входу первого управляемого делителя частоты и к третьему входу элемента 2И-ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к первому входу третьего реверсивного счетчика импульсов, второй вход которого подключен к выходу четвертого элемента

5 И-НЕ, а выходы третьего реверсивного счетчика импульсов подключены к соответствующим входам второго регистра числа, выходы которого подключены к соответствующим входам цифрового отсчетного элемента, а управляющий вход второго регистра числа подключен к первому выходу элемента задержки,, второй выход которого подключен к четвертому входу элемента 2И-ИЛИ-НЕ, вход - к выходу пятого триггера, один вход которого через второй одновибратор подключен к выходу третьего элемента И-НЕ, а другой - к выходу седьмого элемента И-НЕ, входы которого подключены к соответствующим выходам первого реверсивного счетчика импульсов.

0

0

S

0

в

с

со

46

43

4Z

44

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий, давлений, вибраций, крутящих моментов, деформаций, механических напряжений и т.д. Целыо изобретения является повышение точности. Устройство содержит сегнетоэластичный датчик 1, элементы И-НЕ 2-8, одновибраторы 9-11, триггеры 12-16, делитель 17 напряжения, кнопки 18-20 регистры 21, 22 числа, цифровой отсчетный элемент 23, формирователи 24, 25 импульсов,, генератор 26 пилообразного напряжения, компаратор 27, элемент 28 задержки, реверсивные счетчики 29-31 импульсов, управляемые делители 32, 33 частоты, генератор 3 опорной частоты, элемент 2И-ИЛИ-НЕ 35, элемент ЗИ-ИЛИ-НЕ 36, элементы И 37, 38. Процесс измерения состоит из трех тактов,, В первом такте устанавливается значение опорного уровня Uon, на которое смещается пилообразное напряжение, управляющее работой датчика 1, и осуществляется установка нуля датчика 1. Во втором такте измеряется нормированная по значению механическая величина РО, а в третьем - исследуемая механическая величина Р. Начало первого такта измерения начинается сразу после обнуления устройства. Начало второго и третьего тактов измерения устанавливается вручную, путем нажатия кнопок Изм. РО 19 и Изм. Рх 18. 4 ил. ё СП

фцг.З

А-А

40

фагЛ