устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение

Формула изобретения

Устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, содержащее тензорезистор, резистор, двухполярный источник тока прямоугольной формы, переключатель и дифференциальный усилитель, отличающееся тем, что в него введена схема вычитания, при этом выходы источника тока через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые параллельно резистору, входы дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а выход дифференциального усилителя соединен со входом схемы вычитания, при этом выход схемы вычитания образует выход устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. для исследования прочности конструкций с помощью одиночных тензорезисторов без применения компенсационных тензорезисторов.

Известны преобразователи изменения сопротивления в напряжение с подключением одиночного тензорезистора по трехпроводной схеме в одно из плеч моста, к питающей диагонали моста подключен источник питания, выходной сигнал снимают с выходной диагонали моста (М.Л.Дайчик, Н.И.Пригоровский, Г.Х.Хуршудов. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник Основы проектирования машин. - М.: Машиностроение, 1989, стр.51, рис.6). Применение трехпроводного включения тензорезистора с равными сопротивлениями проводов линии связи в мост устраняет влияние начальных сопротивлений проводов, но остаются погрешности от разницы их сопротивлений, что в наибольшей степени сказывается при работе в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. Кроме того, такие преобразователи незащищены от влияния внешних помех ввиду несимметричности схемы включения тензорезистора.

Существуют различные схемы преобразователей с тензорезистором, подсоединенным по трехпроводной схеме, в которых решаются задачи по снижению погрешности от влияния сопротивления проводов линии связи, коррекции погрешности от нелинейности, вычитанию постоянного значения напряжения, соответствующего начальному значению напряжения на тензорезисторе, и др., но не устраняется погрешность от влияния внешних помех на результат измерения.(Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - стр.76, рис.2.11).

Известны преобразователи изменения сопротивления в напряжение с подключением одиночного тензорезистора по четырехпроводной схеме, в которых достигается более полная коррекция погрешностей, вызванных активным сопротивлением проводов соединительной линии. Наилучшие характеристики обеспечиваются при питании тензорезистора от источника тока. (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - стр.78 -80, рис.2.12, 2.13). При использование двух одинаковых источников тока (или одного взвешенного) и опорного резистора компенсируется начальное значение напряжения на тензорезисторе, но не компенсируются неинформативные составляющие сигнала, в том числе и погрешность от внешних помех.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, описанное в патенте 2366966 G01R 27/02,2006 г. Устройство содержит тензорезистор, резистор и источник тока, соединенные последовательно, два дифференциальных усилителя и переключатель, при этом входы одного дифференциального усилителя через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а входы второго дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно резистору и через нормально разомкнутые - параллельно тензорезистору, при этом выходы дифференциальных усилителей являются выходом устройства.

При отсутствии внешних помех устройство не содержит неинформативных составляющих и обеспечивает высокую точность измерения при изменении температуры окружающей среды

Недостатком устройства является низкая помехозащищенность, что существенно ограничивает области расположения тензорезистора и резистора.

При аддитивной смеси полезного сигнала и помехи напряжение помехи на выходе устройства в первом такте измерения:

Uвых₁=Ку₁·Uпом ₁-Ку₂·Uпом₂, где Ку₁ и Ку₂ - коэффициенты усиления усилителей, Uпом ₁ и Uпом₂ - напряжение помех на входе первого и второго усилителей.

Во втором такте измерения:

Uвых₂=Ку₁·(Uпом₂ + Uпом₂)-Ку₂·(Uпом₁ - Uпом₁),

где Uпом₁ и Uпом₂ - приращение напряжения помех во втором такте измерения.

В результате двух тактов;

Uвых₁-Uвых₂=(Ку₁ +Ку₂)·(Uпом₁-Uпом₂)+Ку ₂· Uпом₁-Ку₁· Uпом₂.

При Ку₁ и Ку ₂=Ку, что практически всегда выполняется:

Uвых₁-Uвых₂=2·Ку·(Uпом₁ -Uпом₂)+Ку·( Uпом₁- Uпом₂)

Напряжение помехи на выходе устройства отсутствует лишь при равенстве уровня напряжений помех на входах дифференциальных усилителей. При отсутствии помехи по входу одного из дифференциальных усилителей на выходе устройства присутствует усиленная в два Ку раз помеха по входу второго дифференциального усилителя. Поэтому необходимо располагать тензорезистор и резистор в непосредственной близости и обеспечивать идентичность параметров соединительных линий.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение помехозащищенности устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования сопротивления в напряжение, содержащем тензорезистор, резистор, дифференциальный усилитель и переключатель, введены двухполярный источник тока прямоугольной формы и схема вычитания, при этом выходы источника тока через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, входы дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а выход дифференциального усилителя соединен со входом схемы вычитания, при этом выход схемы вычитания образует выход устройства.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для преобразования изменения сопротивления в напряжение. Устройство содержит тензорезистор Rтр, резистор Ro, двухполярный источник тока прямоугольной формы 1, дифференциальный усилитель 3, выходы источника тока и входы дифференциального усилителя подключаются параллельно Rтр и Ro через переключатель 4, выход дифференциального усилителя соединен со входом схемы вычитания 2, выход схемы вычитания является выходом преобразователя.

Работа предлагаемого устройства

При одном состоянии переключателя 4 (контакты К1÷К4 замкнуты, К5÷К8 разомкнуты), входы дифференциального усилителя 3 и выходы источника тока 1 подключены параллельно Rтр. При втором состоянии (контакты К5÷К8 замкнуты, К1÷К4 разомкнуты) входы дифференциального усилителя 3 и выходы источника тока 1 подключены параллельно Ro.

Процесс измерения состоит из четырех тактов. Первые два такта проводятся при положительном значении тока источника, третий и четвертый такты - при отрицательном. При этом напряжения на Rтp и Ro меняют свой знак на обратный, а напряжение низкочастотной помехи не зависит от величины тока и его полярности и не меняет своего знака.

В течение первого такта замыкаются контакты К1÷К4, а контакты К5-К8 разомкнуты. При этом напряжение на выходе усилителя 3 определяется как;

Uвых₁=Ky·I·Rтp+Ky·Uпом ₁+U₀₃, где I - ток источника тока 1, Ку - коэффициент усиления дифференциального усилителя, Uпом₁ - напряжение помехи на входе усилителя в первом такте, U₀₃ - собственное смещение нуля усилителя 3.

В конце первого такта выходное напряжение Uвых₁ запоминается схемой вычитания 2.

Во втором такте контакты К5÷К8 замыкаются, а контакты К1÷К4 разомкнуты. При этом напряжение на выходе усилителя:

Uвых₂=Ky·I·R0+Ky·Uпом ₂+U₀₃,

где Uпом₂- напряжение помехи на входе усилителя 3 во втором такте. Выходное напряжение схемы вычитания во втором такте:

Ucx ₂=Uвых₂-Uвых₁=Ky·I·(R ₀-Rтp)+Ky·(Uпом₂+Uпом₁)+U ₀₂,

где U₀₂ - напряжение смещения нуля схемы вычитания 2.

Процесс измерения в тактах 3 и 4 проводится при отрицательном значении тока I и аналогичен работе в тактах 1 и 2.

Напряжение на выходе усилителя в третьем такте:

Uвых₃= -Ку·I·(Rтр+ Rтр)+Ky·(Uпом₁+ Uпом₁)+U₀₃,

где Uпом₁ - приращение напряжения помехи за второй и третий такты измерения, Rтр - приращение сопротивления тензорезистора от нагрузки за второй и третий такты.

В конце третьего такта выходное напряжение Uвых₃ запоминается схемой вычитания.

Напряжение на выходе усилителя в четвертом такте:

Uвых₄= -Ky·I·R0+Ky·(Uпом ₂+ Uпом₂)+U₀₃,

где Uпом₂ - приращение напряжения помехи Uпом ₂ за третий и четвертый такты измерения.

Выходное напряжение схемы вычитания в четвертом такте:

Ucx₄=Uвых₄-Uвых₃=Ку·I· Rтр-Ky·I·(R0-Rтр)+Ky·(Uпом₂-Uпом ₁)+Ky· ( Uпом₂- Uпом₁).

Разность значений

Ucx₄-Ucx₂=Ку·I· Rтр-2 Ky·I·(R0-Rтp)+Ky·( Uпом₂- Uпом₁) является результирующей формулой преобразования. При равенстве сопротивлений тензорезистора и резистора Rтp и R₀.

Ucx₄-Ucx₂ =Ky·I· Rтp+Ky·( Uпом₂- Uпом₁).

Выходной сигнал кроме информативной составляющей содержит только разницу приращений напряжений помех за два такта измерения.

Вычитание сигналов (Uвых₂-Uвых₁) и (Uвых₄ -Uвых₃) осуществлялось в аналоговом виде. Вычитание сигналов (Ucx₄-Ucx₂) может осуществляться после соответствующего усиления в аналоговом виде или после аналого-цифрового преобразования - в цифровом.

Погрешность измерения от неинформативной составляющей ( Uпом₂- Uпом₁) пренебрежимо мала, поскольку помеха, как правило, является низкочастотным процессом с периодом в тысячи и десятки тысяч микросекунд, а два такта измерения составляют лишь десятки микросекунд.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает намного большую степень помехозащищенности измерения, а резистор может находиться не только в зоне тензорезистора, но и в любом другом месте, в т.ч. и в аппаратуре. В этом случае при вычислении деформации вносится поправка на температурную характеристику тензорезистора.

Предлагаемое изобретение будет использоваться при создании бортовой многоканальной тензоизмерительной аппаратуры с одиночным тензорезистором для исследования прочностных характеристик элементов конструкции летательных аппаратов в полете.