УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ПЬЕЗОДАТЧИКОВ Советский патент 1995 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного контроля пьезодатчиков без съема их с объектов.

Известно устройство для дистанционного контроля пьезодатчиков, содержащее генератор прямоугольных электрических импульсов, схему селекции и анализа импульсов отклика, связанную с выходом поверяемого пьезодатчика.

Принцип действия устройства основан на подаче на пьезодатчик электрических импульсов, преобразующихся за счет обратного пьезоэлектрического эффекта в импульсы механической силы, обуславливающие появление на выходе пьезодатчика электрических импульсов отклика. Исправность пьезодатчика определяется наличием отклика на входе схемы селекции.

Известно также устройство, содержащее генератор синусоидального сигнала, схему формирования контрольного сигнала, представляющую собой мостовую схему, коммутатор, блок управления, схему совпадения, дифференцирующую цепочку, пороговый каскад и индикатор. Принцип действия этого устройства основан на формировании с помощью мостовой схемы контрольного сигнала, который при наличии управляющего сигнала и реакции устройства на резонансной частоте чувствительного элемента пьезодатчика проходит на индикатор. Отсутствие сигнала на индикаторе является признаком отказа датчика. Однако наличие резонанса еще не является признаком исправности пьезодатчика. Так, например, при ослаблении поджатия чувствительного элемента пьезодатчика, вызванном нарушением контровки деталей, обуславливающих это поджатие, т.е. при возникновении предпосылки отказа, резонанс сместится в сторону низких частот, а устройство выдаст ложную информацию о исправном состоянии проверяемого датчика. Кроме того, известные устройства не позволяют выявить отказ соединительной линии между пьезодатчиком и приемником сигнала пьезодатчика (усилителем). Таким образом, общим недостатком рассмотренных устройств является возможность выдачи ложной информации о техническом состоянии проверяемых пьезодатчиков.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для дистанционного контроля пьезодатчиков, содержащее симметричный трансформатор с заземленной средней точкой, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с первым выводом пьезодатчика, первый коммутатор, блок подстроечных конденсаторов, выходы которого связаны с входами первого коммутатора, генератор, управляемый напряжением, генератор пилообразного напряжения, фазосдвигающую цепь, усилитель, детектор, первый компаратор, выход которого связан с выходом детектора, триггер, формирователь импульсов, фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, электронный ключ и первый делитель, вход которого подключен к выходу электронного ключа. В известном устройстве исправность (работоспособность) пьезодатчика определяется по наличию резонанса чувствительного элемента пьезодатчика, который подтверждается ростом амплитуды контролируемого сигнала, наличием сдвига фазы на 90^о относительно контрольного сигнала (два характерных признакa резонанса) и соответствием частоты этого резонанса частоте, указанной в техническом паспорте пьезодатчика.

К недостаткам данного устройства можно отнести:
невозможность локализовать отказ соединительной линии или соединительного кабеля, что снижает достоверность и информативность контроля;
низкую производительность, обусловленную малой скоростью изменения развертки частоты контрольного сигнала, которая ограничена постоянной времени фазового детектора. При увеличении скорости развертки частоты контрольного сигнала возможны ложные отказы пьезодатчика при контроле.

Целью изобретения является повышение достоверности, информативности и производительности контроля.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее симметричный трансформатор с заземленной средней точкой, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с первым выводом пьезодатчика, первый коммутатор, блок подстроечных конденсаторов, выходы которого связаны с входами первого коммутатора, генератор, управляемый напряжением, генератор пилообразного напряжения, фазосдвигающую цепь, усилитель, детектор, первый компаратор, выход которого связан с выходом детектора, триггер, формирователь импульсов, фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, электронный ключ и первый делитель, вход которого подключен к выходу электронного ключа, дополнительно введены конденсатор, емкость которого равна сумме емкостей пьезодатчика, соединительного кабеля и максимальной емкости блока подстроечных конденсаторов, последовательно соединенные первый источник постоянного напряжения и сумматор, последовательно соединенные генератор импульсов, второй делитель, третий делитель и второй коммутатор, схема И, второй компаратор, третий компаратор, два инвертора, схема ИЛИ, второй источник постоянного напряжения, последовательно соединенные источник опорного напряжения, цифроаналоговый преобразователь и схема сравнения, три индикатора: баланса, функционирования и отказа, счетчик периодов, причем первый вывод вторичной обмотки трансформатора дополнительно соединен с блоком подстроечных конденсаторов, один из выводов конденсатора соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора, другой с вторым выводом пьезодатчика, выходом первого коммутатора и входом усилителя, выход которого подключен к входу формирователя импульсов и входу детектора, выход детектора через второй компаратор подключен к первому входу схемы И, второй вход которой, управляющий вход электронного ключа и индикатор баланса подключены к первому выходу триггера, второй вход триггера связан с вторым входом генератора пилообразного напряжения, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход сумматора соединен с входом третьего компаратора и с первым входом генератора, управляемого напряжением, первый выход которого связан с выводом первичной обмотки трансформатора, второй вход и второй выход подключены к первому выходу и входу фазосдвигающей цепи соответственно, второй выход фазосдвигающей цепи соединен с вторым входом фазового детектора, выход которого подключен к входу генератора импульсов и через первый инвеpтор к индикатору функционирования, выход первого делителя подсоединен к управляющему входу первого коммутатора и через второй инвертор к входу цифроаналогового преобразователя, выход второго источника постоянного напряжения подключен к второму входу схемы сравнения, выход которой соединен с третьим входом схемы ИЛИ, выход схемы ИЛИ подключен к индикатору отказа и второму входу генератора импульсов, первый вход схемы ИЛИ соединен с выходом третьего компаратора, второй вход с выходом счетчика периодов, вход которого подключен к выходу одного из разрядов первого делителя, а вход разрешения цифроаналогового преобразователя подключен к управляющему входу электронного ключа.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства.

Устройство для дистанционного контроля пьезодатчиков содержит первый источник постоянного напряжения 1, сумматор 2, генератор 3, управляемый напряжением, симметричный трансформатор 4 с заземленной средней точкой, фазосдвигающую цепь 5, конденсатор 6, емкость которого равна сумме емкостей пьезодатчика, соединительного кабеля и максимальной емкости блока подстроечных конденсаторов, пьезодатчик 7, усилитель 8, детектор 9, генератор пилообразного напряжения 10, первый коммутатор 11, первый делитель 12, второй делитель 13, генератор импульсов 14, блок подстроечных конденсаторов 15, второй коммутатор 16, третий делитель 17, электронный ключ 18, формирователь импульсов 19, первый компаратор 20, триггер 21, схему И 22, второй компаратор 23, фазовый детектор 24, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 25, первый инвертор 26, индикатор функционирования 27, схему сравнения 28, источник опорного напряжения 29, второй источник постоянного напряжения 30, индикатор отказа 31, индикатор баланса 32, второй инвертор 33, третий компаратор 34, счетчик периодов 35, схему ИЛИ 36. Источник постоянного напряжения 1 соединен с первым входом сумматора 2, выход сумматора 2 соединен с входом третьего компаратора 34 и первым входом генератора 3, управляемого напряжением, к второму входу которого подключен выход фазосдвигающей цепи 5, первый вход которой соединен с вторым выходом генератора 3, управляемого напряжением, первый выход которого подключен к первичной обмотке трансформатора 4, второй вывод которой соединен с общим проводом, к пятому выводу симметричного трансформатора 4 подключен один из выводов пьезодатчика 7 и блок подстроечных конденсаторов 15, четвертый вывод трансформатора 4 соединен с общим проводом, а третий с конденсатором 6, выходы блока конденсаторов 15 соединены с соответствующими входами первого коммутатора 11, соединенные между собой выходы первого коммутатора 11, другой вывод пьезодатчика 7 и конденсатора 6 подключены к входу усилителя 8, выход которого подключен к входу детектора 9 и формирователя импульсов 19, выходом подключенного к второму входу фазового детектора 24, первый вход которого подключен к второму выходу фазосдвигающей цепи 5, а выход фазового детектора соединен с входом первого инвертора 26 и первым входом генератора импульсов 14, выходом подключенного к входу второго делителя 13, выход которого соединен с канальным входом электронного ключа 18, входом третьего делителя 17 и вторым входом второго коммутатора 16, первый вход второго коммутатора 16 соединен с выходом третьего делителя 17, а выход с первым входом генератора пилообразного напряжения 10, выход которого соединен с вторым входом сумматора 2, выход детектора 9 соединен с входами первого компаратора 20 и второго компаратора 23, выход последнего соединен с одним из входов схемы И 22, а другой вход схемы И соединен с первым выходом триггера 21, индикатором баланса 32, входом разрешения цифроаналогового преобразователя 25 и управляющим входом ключа 18, выход которого подключен к входу первого делителя 12, выход первого делителя 12 подсоединен к управляющему входу коммутатора 16 и входу второго инвертора 33, выход переноса делителя 12 к входу счетчика периодов 35, выход второго инвертора 33 подключен к цифровым входам цифроаналогового преобразователя 25, к второму входу которого подключен источник опорного напряжения 29, выход цифроаналогового преобразователя подключен к входу схемы сравнения 28 и выходной клемме, второй вход схемы сравнения 28 соединен с выходом второго источника постоянного напряжения 30, выход с третьим входом схемы ИЛИ 36, второй вход которой соединен с выходом счетчика периодов 35, а первый с выходом третьего компаратора 34, выход первого инвертора 26 соединен с индикатором функционирования 27, выход схемы ИЛИ 36 подключен к индикатору отказа 31 и второму входу генератор импульсов 14, второй выход триггера 21 подключен к второму входу генератора пилообразного напряжения 10, а выход схемы И 22 к управляющему входу второго коммутатора 16.

Устройство для дистанционного контроля пьезодатчика работает следующим образом. От источника напряжения постоянного тока 1 через сумматор 2 напряжение постоянного тока поступает на вход генератора 3, управляемый напряжением. Под воздействием этого напряжения генератор 3 выдает напряжение переменного тока синусоидальной формы частотой ниже резонансной частоты контролируемого пьезодатчика. С первого выхода генератора 3 это напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора 4. С обоих выводов вторичной обмотки снимаются противофазные сигналы, которые подводятся к входу усилителя 8. Одновременно с генератора прямоугольных импульсов 14 через делитель 13 и ключ 18 напряжение прямоугольной формы поступает на делитель 12, выходной сигнал которого в параллельном коде подается на вход управления коммутатора 11, выполненного, например, на многоканальных МОП-ключах. Изменение кода на входе управления (или адресных входах) коммутатора 11 меняет емкость блока конденсаторов 15. Изменения емкости блока конденсаторов 15 прекращается после того, как емкость цепи датчик кабель в сумме с емкостью блока конденсаторов 15 будет равной емкости конденсатора 6. При равенстве емкостей упомянутых цепей сигнал на входе усилителя 8 будет минимальным, так как на вход усилителя 8 были поданы два равных по амплитуде противофазных сигнала. Детектор 9, подключенный к выходу усилителя 8, преобразует выходной сигнал усилителя 8 в напряжение постоянного тока, которое затем поступает на вход компаратора 20, последний срабатывает по низкому уровню входного сигнала и выдает на выход сигнал высокого уровня. Этот сигнал поступает на вход триггера 21 и изменяет состояние выходных сигналов: на первом выходе будет сигнал высокого уровня, на втором сигнал низкого уровня, сигнал высокого уровня поступает на управляющий вход ключа 18, индикатор баланса 32 и первый вход схемы И 22. По этому сигналу включится индикатор 32 и разомкнется ключ 18, разорвав входную цепь делителя 12. На выходе делителя 17 установится код, по которому коммутатор 11 подключит один из конденсаторов блока 15, дополняющий емкость цепи датчик кабель до емкости конденсатора 6. После размыкания ключа 18 емкость блока конденсаторов 15 фиксируется. На фиг.2 описанный цикл "баланс устройства" ограничен сектором А.

С выхода делителя 12 прямой параллельный код поступает на инвертор 33, с его выхода обратный параллельный код, пропорциональный емкости цепи датчик-кабель поступит на цифровые входы ЦАП 25, на вход опорного сигнала которого подается напряжение постоянного тока от источника опорного напряжения 29, которое пропорционально максимальной емкости блока конденсаторов 15 (устанавливается заранее). По разрешающему сигналу высокого уровня с выхода триггера 21 на выходе ЦАП 25 появится напряжение постоянного тока, пропорциональное емкости цепи датчик кабель, которое поступит на схему сравнения 28 и на выход устройства. От выходного напряжения ЦАП 25 вычитается напряжение источника постоянного напряжения 30, величина которого установлена пропорционально емкости и соединительного кабеля. Если выходное напряжение ЦАП 25 выше напряжения источника 30, то выходной сигнал схемы сравнения 28 будет низкого уровня и процесс контроля пьезодатчика будет продолжен, если ниже, то сигнал высокого уровня с выхода схемы сравнения 28 поступит на третий вход схемы ИЛИ 36 и выходной сигнал высокого уровня схемы ИЛИ 36 выключит генератор 14 и включит индикатор 31 отказа. Процесс контроля пьезодатчика прекратится, так как очевидно, что в данном случае существует обрыв цепи кабеля в дальней от входа устройства точке. Признаком этого отказа является включение индикатора 32 баланса и индикатора 31 отказа. Включение индикатора 32 баланса произойдет потому, что емкость части кабеля, подключенная к входу устройства, будет сбалансирована емкостью блока конденсаторов 15. Если регулируемая емкость цепи датчик-кабель-блок конденсаторов 15 не будет равной емкости конденсатора 6, например, при ближнем к приемнику сигнала датчика обрыве соединительного кабеля, то для исключения случайных сбоев к выходу переноса делителя 12 подключен вход счетчика 35, который выходом подключен к второму входу схемы ИЛИ 36. При сбоях счетчик 35 позволит повторить процесс балансировки и при равенстве емкостей разомкнет ключ 18 и, как было сказано выше, произведет баланс мостовой схемы. При обрыве соединительного кабеля на входе усилителя 8 равенства емкостей не будет, произойдет заполнение счетчика 35 и он выдаст сигнал высокого уровня, который поступит на второй вход-выход схемы ИЛИ 36, затем на индикатор 31 отказа и генератор 14, отключит последний и включит индикатор отказа 31, процесс балансировки прервется.

После описанного выше цикла "баланс", с второго выхода триггера 21 на управляющий вход генератора 10 поступает сигнал низкого уровня, который запускает генератор 10, выполненный, например, на резисторных матрицах Р-2р, управляемых счетчиками, на входы которых через коммутатор 16 с делителя 13 поступает сигнал высокой частоты прямоугольной формы или импульсная последовательность высокой частоты, преобразуемая генератором 10 в быстро нарастающее напряжение пилообразной формы, поступающее через сумматор 2 на первый вход генератора 3, управляемого напряжением. Частота выходного напряжения генератора 3 будет быстро увеличиваться пропорционально нарастающему напряжению входного сигнала. Выходной сигнал генератора 3 через первичную и вторичную обмотки трансформатора 4 поступит на конденсатор 6 и пьезодатчик 7. При приближении частоты выходного сигнала генератора 3 к частоте резонанса пьезодатчика 7 начнется значительное увеличение амплитуды выходного сигнала пьезодатчика 7, что вызовет увеличение сигнала на входе-выходе усилителя 8 и детекторе 9, к которому подключен вход компаратора 23. Компаратор 23 сработает и на второй вход схемы И поступит сигнал высокого уровня. На первый вход схемы И 22 сигнал высокого уровня поступил в цикле А, выходной сигнал со схемы И 22 поступит на управляющий вход коммутатора 16, который к входу генератора 10 подключит выходной сигнал с делителя 17, включенного последовательно с делителем 13, что уменьшит частоту импульсной последовательности на входе генератора 10, на выходе которого начнется медленное нарастание пилообразного напряжения, это в свою очередь значительно уменьшит скорость нарастания частоты выходного напряжения генератора 3. Описанный цикл работы устройства, именуемый "быстрой" разверткой частоты сигнала возбуждения пьезодатчика, представленный на фиг. 2 и 3, обозначен сектором Б. Введение в предлагаемое устройство делителя 17 (и сопутствующих элементов) позволило значительно сократить время контроля пьезодатчика 7, так как в прототипе весь описанный выше цикл Б происходит на скорости частоты развертки сигнала возбуждения пьезодатчика в К раз ниже, чем в предлагаемом устройстве, где К коэффициент деления делителя 17. С усилителя 8 выходной сигнал поступает также на формирователь 19, который преобразует выходной сигнал усилителя 8 в сигнал прямоугольной формы (меандр) и подает его на второй вход фазового детектора 24. На первый вход фазового детектора 24 поступает сигнал формы "меандр" с фазосдвигающей цепи 5. Фаза этого сигнала сдвинута на 90^о по отношению к выходному сигналу генератора 3, подаваемому в первичную обмотку трансформатора 4. В момент резонанса контролируемого пьезодатчика 7 выходной сигнал пьезодатчика 7 сдвинется на 90^о по отношению к сигналу с генератора 3. Этот сдвиг через усилитель 8 и формирователь 19 передается на вход фазового детектора 24. Сигналы на входах фазового детектора 24 совпадут по фазе и на выходе будет сигнал нулевого уровня, который выключит генератор 14 и через инвертор 26 включит индикатор функционирования 27. Генератор прямоугольных импульсов 14 прекратит подачу выходного сигнала, на выходах делителей 13 и 17 установятся постоянные коды, на выходе генератора пилообразного напряжения 10 установится постоянный уровень выходного напряжения постоянного тока, а на выходе генератора 3, управляемого напряжением, установится постоянная частота выходного сигнала, соответствующая частоте резонанса контролируемого пьезодатчика. На фиг.2 и 3 эти циклы, именуемые "медленной разверткой" и "резонансом", обозначены секторами В и С соответственно. При отказе пьезодатчика 7 сдвига фазы выходного сигнала пьезодатчика не произойдет и будет продолжаться медленное нарастание пилообразного напряжения на выходе сумматора 2 и на заданном уровне сработает компаратор 34, подключенный входом к выходу сумматора 2. На выходе компаратора 34 появится сигнал высокого уровня, который поступит на первый вход-выход схемы ИЛИ 36 (этот сигнал включит индикатор 31 отказа и отключит генератор 14). Процесс контроля пьезодатчика 7 прекратится. Признаком отказа будет включение индикатора 31 отказа через некоторый промежуток времени после включения индикатора 32 баланса. Таким образом, заявляемое устройство позволяет осуществить контроль исправности пьезодатчика, а также соединительной линии с локализацией места обрыва и тем самым исключить получение ложной информации о техническом состоянии проверяемого пьезодатчика. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет значительно сократить время баланса устройства и время анализа события, что очень важно при контролe пьезодатчиков на борту летательного аппарата.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: устройство содержит источник постоянного напряжения (1 и 30), сумматор (2), генератор, управляемый напряжением, симметричный трансформатор с заземленной средней точкой (4), фазосдвигающую цепь (5), конденсатор (6), пьезодатчик (7), усилитель (8), детектор (9), генератор пилообразного напряжения (10), два коммутатора (11 и 16), делителя (12, 13 и 17), генератора прямоугольных импульсов (14), блок конденсаторов (15), электронный ключ (18), формирователь импульсов (19), три компаратора (20, 23 и 34), триггер (21), схему И (22), фазовый детектор (24), цифроаналоговый преобразователь (25), два инвертора (26, 33), индикатор функционирования (27), схему сравнения (28), источник опорного напряжения (29), индикатор отказа цепи (21), индикатор баланса (32), счетчик периодов (35), схему ИЛИ (36). 1-2-3-4-6-8-9-23-22-16-10-2; 8-19-24-26-27; 9-20-21-22; 21-18-3-16; 21-32; 3-5-3; 6-7; 4-7; 18-12-11-7; 11-15-7; 12-33-25-28-36-14-13-17; 2-3-36; 12-35-36; 5-24-14; 18-25; 18-32; 29-25; 30-28, 36-31; 21-10; 24-14. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ПЬЕЗОДАТЧИКОВ, содержащее симметричный трансформатор с заземленной средней точкой, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с первым выводом пьезодатчика, первый коммутатор, блок подстроечных конденсаторов, выходы которого связаны с входами первого коммутатора, генератор, управляемый напряжением, генератор пилообразного напряжения, фазосдвигающую цепь, усилитель, детектор, первый компаратор, выход которого связан с выходом детектора, триггер, формирователь импульсов, фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, электронный ключ и первый делитель, вход которого подключен к выходу электронного ключа, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности, информативности и производительности контроля, в него введены конденсатор, емкость которого равна сумме емкостей пьезодатчика, соединительного кабеля и максимальной емкости блока подстроечных конденсаторов, последовательно соединенные первый источник постоянного напряжения и сумматор, последовательно соединенные генератор импульсов, второй делитель, третий делитель и второй коммутатор, схема И, второй компаратор, третий компаратор, два инвертора, схема ИЛИ, второй источник постоянного напряжения, последовательно соединенные источник опорного напряжения, цифроаналоговый преобразователь и схема сравнения, три индикатора: баланса, функционирования и отказа, счетчик периодов, причем первый вывод вторичной обмотки трансформатора дополнительно соединен с блоком подстроечных конденсаторов, один из выводов конденсатора соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора, другой с вторым выводом пьезодатчика, выходом первого коммутатора и входом усилителя, выход которого подключен к входу формирователя импульсов и входу детектора, выход детектора через второй компаратор подключен к первому входу схемы И, второй вход которой, управляющий вход электронного ключа и индикатор баланса подключены к первому выходу триггера, второй вход триггера связан с вторым входом генератора пилообразного напряжения, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход сумматора соединен с входом третьего компаратора и первым входом генератора, управляемого напряжением, первый выход которого связан с выводом первичной обмотки трансформатора, второй вход и второй выход подключены к первому выходу и входу фазосдвигающей цепи соответственно, второй выход фазосдвигающей цепи соединен с вторым входом фазового детектора, выход которого подключен к входу генератора импульсов и через первый инвертор к индикатору функционирования, выход первого делителя подсоединен к управляющему входу первого коммутатора и через второй инвертор к входу цифроаналогового преобразователя, выход второго источника постоянного напряжения подключен к второму входу схемы сравнения, выход которой соединен с третьим входом схемы ИЛИ, выход схемы ИЛИ подключен к индикатору отказа и второму входу генератора импульсов, первый вход схемы ИЛИ соединен с выходом третьего компаратора, второй вход с выходом счетчика периодов, вход которого подключен к выходу одного из разрядов первого делителя, а вход разрешения цифроаналогового преобразователя подключен к управляющему входу электронного ключа.