ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ДАТЧИК Советский патент 1972 года по МПК G01D5/20 

1 ;

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для преобразования измеряемой механической или физической величины в частоту следования импульсов.

Известные устройства аналогичного назначения выполняются обычно на базе автоколебательных мультивибраторов, управляемых выходным сигналом с первичного генераторного или параметрического датчика, запитываемого от источника постоянного напряжения.

Однако эти устройства имеют низкую чувствительность (рабочий диапазон напряжения на входе составляет 2 в, тока 1 ма). Это объясняется тем, что усиление сигнала в тракте от датчика до мультивибратора производится при постоянном токе. При этом имеет место дрейф нуля усилителя как с течением времени, так и нри изменении температурного режима работы схемы. Это ограничивает возможности применения указанных устройств, -.поскольку многие типы датчиков выдают сигналы низкого уровня (порядка 10 мв).

Предлагаемый датчик имеет более высокую чувствительность .преобразования сигналов от первичных параметрических датчиков тина тензоэлементо.в, фоторезисторов и т. д. Это достигается тем, что входной мост с параметрическим датчиком подключается попеременно к двум разнополярным источникам питания одинакового ио величине напряжения с номощью двух ключевых схем, управляемых с соответствующих выходов автоколебатель.ного мультивибратора, оба входа которого, в

свою очередь, соединены с ВЫХОДОАМ параметрического моста через дифференциальный усилитель и разделительные конденсаторы.

Благодаря такой структуре реализуются нринципы импульсного двухиолупериодиого

питания датчика, усиления сигнала и упра.вления мультивибратором яа переменном токе с непосредственным фазочувствительным преобразованием амплитудно-импульсной модуляции в частотно-имиульсную. Все это обеспечивает не только высокую чувствительность, но и компактность устройства в целом.

На чертеже представлена схема частотноимпульсного датчика. Устройство содержит входной мост 1, включающий первичный датчик 2 и дополнительные элементы 3-6. Мост питается от разнополярных источников 7 и 8, напряжение с которых ноочередно поступает на питающую диагональ моста через две ключевые схемы 9

и 10, имеющие уиравляющие входы 11 и 12 соответственно. Измерительная диагональ моста непосредственно или через разделительные коиденсаторы (или через согласующий трансформатор) соединена с первым и

3,

ля 13, первый и второй выходы которого через разделительные цепи 14 и 15 соединены соответствепно с первым и вторым аналоговыми входами автоколебательного управляемого напряжением мультивибратора 16, частота которого линейно зависит от амплитуды входного сигнала.

Разделительные цепи содержат конденсаторы 17 и 18 последовательной ветви и резисторы 19 и 20 -в .параллельной ветви. В качестве резисторов могут быть использованы входные резисторы схемы мультивибратора.

Выходы мультивибратора соединены соответственно с выходными клеммами 21 н 22 и одновременно с управляющими входами 11 и 12 ключевых схем. Вследствие подсоединения их к разным выходам мультивибратора ключи 5 и /О работают в нротивофазе: в течение одного полупериода один из них замкнут, а другой разомкнут, в течение же следующего полунериода состояния ключей меняются на противоположные.

Соединение входов и выходов составных звеньев преобразователя осуществлено таким образом, что положительному приращению параметра датчика 2 соответствует увеличение частоты мультивибратора. При перемене зажимов только в одной паре модуляционная характеристика меняет знак на противоположный.

В исходном полон ении, когда на датчик не поступает измеряемого воздействия, мост 1 находится в равновесии, баланс которого достигается регулировкой переменного элемента 6. При этом на выходе моста имеются лищь весьма узкие экспоненциальные импульсы нанряжения, соответствующие моментам переключения ключей 9 и 10, амплитуда же прямоугольных импульсов на входе и выходе дифференциального усилителя равна нулю, и поэтому частота мультивибратора имеет номинальное значение.

При действии измеряемой механической или физической величины параметр датчика 2 получает приращение, вследствие чего мост 1 выходит из состояния равновесия и на измерительной его диагонали появляются прямоугольные импульсы напряжения положительной и отрицательной полярности, фаза которых определяется знаком приращения входной величины. Эти импульсы усиливаются и проходят через разделительные цепи 14 и 15 на управляющие входы мультивибратора 16.

Поскольку постоянное или медленно изменяющееся напряжение с каждого выхода усилителя не пропускается разделительной цепью 14 или 15, то на первом и втором входах мультивибратора двуполярные прямоугольные импульсы имеют одинаковую амнлнтуду, но находятся в противофазе относительно друг друга.

но, временем закрытого состояния транзистора (лампы) мультивибратора. На второе плечо мультивибратора с открытым транзистором в этот полунериод импульсы на унравляющем входе влияния не оказывают. Зато в следующий полупериод импульсное напряжение на этом входе мультивибратора управляет разрядом конденсатора второй хронирующей цепи, а импульсы на нервом входе не оказывают влияния на процессы восстановления открытого плеча.

Таким образом, при наличии постоянного по величине входного воздействия нолупериоды мультивибратора получают одинаковое по

величине и по зпаку приращение. Несмотря на импульсную запнтку датчика благодаря использованию двух выходов дифференциального усилителя, получаем двухполупериодное управление мультивибратором, совершенно

аналогичное управлению непрерывным входным напряжением. Следовательно, в данной схеме нет необходимости в нрнменении фнльтра ннжпих частот для выделения медленно изменяющегося снгнала - аналога входного

воздействия. Кроме того, устранен также и

фазочувствительный демодулятор АМ-импульсов, что упрощает схему н повышает точность

ее работы.

Теоретнческнй анализ показывает, что нримепение двух источников ннтания 7 и 8 с выходным разнополярным и одинаковым но величине нанряжепием нрн указанной схеме включения звеньев нозволяет наиболее полно осуществить двухполупериодный принцип работы и повысить помехоустойчивость датчика к высокочастотным наразитным составляющим в спектре входного воздействия.

Остановимся на практических вопросах реализации схемы. Мост 1 является частотно независимым и образуется пассивными элементами электрической ценн, сходными с первичным датчиком. В частности, если датчиком является тензоэлемент или фотосопротивление, то элементами 3-6 служат резисторы,

если датчик 2 является фотоконденсатором, то элементы 3-6 должны быть конденсаторами и т. д.

Общая точка источников ннтания 7 и 5 обычно соединяется с щиной заземления.

Ключевые схемы 9 и 10 могут иметь ключевые элементы как в носледовательной ветви, так и в параллельной. Последний случай более предпочтителен для управления ключами, так как управляющее напряжение здесь прикладывается относительно общей корпусной щины.

В качестве ключевых элементов удобно использовать транзисторы. При этом, если выполнить ключи 9 и 10 на транзисторах различного типа проводимости, то управляющие входы 11 и 12 достаточно присоединить лищь к одному выходу мультивибратора.

Это имеет место в случаях запптки мультивибратора от двух разнополярных источников питания одинакового по величине напряжения при ключевых режимах работы элементов мультивибратора и при достаточно хорошей прямоугольности импульсного напряжения на его выходах. Тогда питающая диагональ моста подключается непосредственно к выходам мультивибратора, что еще более упрощает схему датчика.

При питании мультивибратора от одного источника напряжения двухполуиериодный режим работы входного моста достигается за счет использова-ния переходного трансформатора, первичная обмотка которого подключается к выходам мультивибратора, а вторичная обмотка соединяется с питающей диагональю моста. В этом случае при заземлении средней точки вторичной обмотки трансформатора возможно применение входного полумоста вместо полного параметрического, а также возможность заземления второго входа дифференциального усилителя, соедн-пеннем выхода полумоста с первым входом усилителя.

В представленной на чертеже схеме частотно-импульсного датчика может использоваться дифференциальный усилитель как постоянного, так и переменного тока. В случае соединения общей точки источников питания 7 и 8 с корпусом (землей) усилителя необходимо, чтобы дифференциальный усилитель имел высокий коэффициент режекции (порядка 80 дб), что является легко достижимым для усилителей переменного тока.

Подключение измерительной диагонали моста / к входам дифференциального усилителя может быть Выполнено как путем непосредственной связи, так и через разделительные конденсаторы или переходной трансформатор. Последний выполняет также функции согласующего и разностного каскада, позволяя использовать усилитель с педифференциальным входом. В этом смысле применение переходного трансформатора эквивалентно включению

питающего трансформатора к выходам мультивибратора. В обоих случаях коэффициент режекции усилителя может быть значительно уменьшен по сравнению с указанным выше.

Управляемый напряжением мультивибратор 16 выполнен по симметричной схеме с двумя хронирующими цепями. Для достижения высокой линейности модуляционной характернстикн в качестве разрядных цепей используются управляемые токозадающие нсточннки тока, в частности управляемые коллекторноэмиттерные цепи дополнительных транзисторов.

Проведенное макетирование представленной схемы датчика па транзисторах показало его работоспособность и высокую температурную стабильность. Нелпнейпость сквозной модуляционной характеристики не превышает 1%, что является приемлемым во многнх практических случаях. Девиации частоты на -1-50% соответствовало изменение параметра датчика па +1 %.

Датчик найти применение в высокочувствительных системах измерення, регистрации и передачи механ 1ческих и физических величин, например в телеметрии и измерительной магнитной записи аналоговой информации.

Предмет изобретения

Частотно-импульсный датчик, содержащий мост с параметрическим датчиком, дифференциальный усилитель, разделительные цепи, мультивибратор, ключевые схемы и источники питания, отличающийся тем, что, с целью иовыщения чувствительности частотно-импульсного датчика, питающая диагональ моста соединена через две ключевые схемы с двумя разнополярными источниками иитапия одинакового по величине напряженпя, а пзмерительпая диагональ через дифференциальный усилитель и разделительные цепи - с управляющими входами мультпвпбратора, выходы которого, соедииеиы с управляющими входами соответствующих ключевых схем.

ail