Частотный преобразователь для тензодатчиков

 

Изобретение может быть использовано в измерительных устройствах для измерения силы и давления. Преобразователь содержит опорный генератор 1, два тензорезисторных моста 2 и 3, фильтр 4 верхних частот, сумматор 5, однополюсные смесители 7, 8, II и 13, перестраиваемый генератор 9, частотозависимый фазовращатель 10, резонансный усилитель 12, фазовый детектор 14 и блок 15 управления частотой перестраиваемого генератора. Введение тензорезисторного моста 3, сумматора 6 и образование новых функциональных связей повышают точность измерения путем повьЕиения крутизны и линейности характеристики преобразования. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК!

511 4 G ÎI R -7/02

ВСЕ! . iåú )ч 1.Я

13,", ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

НЫ1!

° 3

СР

С5

CO

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4078843/24-21 (22) 2!.04.86 (46) 30.01.88. Бюл. М- 4 (72) В.Н.Борщев, Ф.И.Веников)

Е.С.Колесник и Ю.М.Спалек (53) 621.317.757 (088.8) (56) Дмитриев В.А., Лукичев А.В.

ГИС частотного преобразователя для тензодатчиков ° — Приборы и системы управления, 1983, М 9, с.24.

Авторское свидетельствî СССР !! 1330469, кл. G R 27/02, 1986. (54) ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ

ТЕНЗОДАТЧИКОВ (57) Изобретение может быть использовано в измерительных устройствах

„„SU„„13?0608 А1 лля измерения силы и давления. Преобразователь содержит опорный генератор I, два тензорезисторных моста

2 и 3, фильтр 4 верхних частот, сумматор 5, однополюсные смесители 7, 8, !! и !3, псрестраиваемый генератор 9, частотозависимый фазовращатель 10, резонансный усилитель 12, фазовый детектор 14 и блок 15 управления частотой перестраиваемого генератора. Введение тензорезисторного моста 3, сумматора 6 и образование новых функциональных связей повышают точность измерения путем повыщения крутизны и линейности характеристики преобразования. 1 ил.

1370608

1

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к частотным преобразователям для тензодатчиков, и может быть использовано в измерительных устройствах для измерения силы или давления.

Цель изобретения - повьппение точности измерения путем повыщения крутизны и линейности характеристики преобразования.

На чертеже представлена блок-схема преобразователя. устройство содержит опорный генератор 1, два тензорезисторных моста

2 и 3, фильтр 4 верхних частот, два сумматора 5 и 6, первый 7 и второй 8 однополюсные смесители, перестраиваемый генератор 9, частотоэависимый фа- 20 эовращатель 10, третий однополюсный смеситель 11, резонансный усилитель !

2, четвертый однополюсный смеситель

13, а также фазовый детектор 14 и блок 15 управления частотой перестра- 25 иваемого генератора. При этом вход опорного генератора 1 соединен с входами тензореэисторных мостов 2 и

3, выходы которых подключены к первым входам сумматоров 5 и 6 соответ- 30 ственно, и с входом фильтра 4 верх— них частот, подключенного выходом к вторым входам сумматоров 5 и 6, выходы которых соединены с первыми входами первого 7 и второго 8 одно- 35 полосных смесителей соответственно, выход первого однополосного смесителя 7 подключен к входу четвертого однополосного смесителя 13. Второй 8 и третий 11 однополосные смесители 40

11, резонансный усилитель 12 и четвертый однополосный смеситель 13, выход которого соединен с вторым входом третьего однополосного смесителя 11, включены последовательно. 45

Кроме того, выходы опорного генератора 1 и резонансного усилителя 12 соединены соответственно с первым и вторым входами фазового детектора 14, выход перестраиваемого генератора 9 подключен к второму входу второго однополосного смесителя 8, а фазовый детектор 14, блок 15 управления частотой перестраиваемого генератора, перестраиваемый генератор 9 и частотоэависимый фазовращатель 10, выход которого подключен к второму входу первого однополосного смесителя 7, соединены последовательно.

Тензорезясторные мосты состоят иэ резисторов, включенных по мостовой схеме (так называемые четырехполюсники с перекрестными связями ), причем один или несколько резисторов являются датчиками измеряемой физической величины, например давле— ния. Тензореэисторные мосты выполнены таким образом, что воздействие. измеряемой физической величины дифференциально изменяет их коэффициенты передачи, т.е. одно и то же измеряемое воздействие (например, давление) приводит к равным по абсолютной величине, но противоположным по знаку изменениям их коэффициентов передачи, причем в стационарном состоянии один иэ тензорезисторных мостов сбалансирован, а другой раэбалансирован или оба тензорезисторных моста сбалансированы.

Однополосные смесители 7, 8 ll и !3 выполнены по фильтровой или фаэокомпенсационной схеме. В первом случае для выделения колебаний либо с суммарной, либо с разностной частотой используется фильтр, установленный на выходе перемножителя (смесителя ) сигналов . Во втором случае выделение одной боковой полосы осуществляется благодаря соответствующему включению двух или трех перемножителей и двух или трех фазовращателей в однополосном смесителе.

Кроме того, частотоэависимый фаэовращатель выполнен таким образом, что фазовый сдвиг в нем прямо пропорционален частоте входных колебаний.

В качестве частотозависимого фазовращателя может быть установлена, например, линия задержки.

Устройство работает следующим образом.

С выхода опорного генератора 1 колебание с частотой ы, поступает на входы первого 2 и второго 3 тензорезисторных мостов и одновременно на вход фильтра 4 верхних частот.

С выходов тенэорезисторных мостов 2 и 3 колебания поступают соответственно на первые входы первого 5 и второго 6 сумматоров, на вторые входы которых поступает колебание с выхода фильтра 4 верхних частот. Тензорезисторные мосты 2 и 3 и фильтр

4 верхних частот, входы которых сое1370608 динены, и сумматоры 5 и 6, подключен ные первыми sxодами к выходам первого 2 и второго 3 тензорезисторных мостов соответственно, а вторыми входами — к выходу фильтра 4 верхних частот, образуют частотоэанисимый фаэовращатель, величины фаэоньм сдни гов на ньмодах ксторого относительно входного колебания определяются значениями коэффициентов передачи тензорезисторных мостов. В стационарном состоянии при отсутствии измеряемого воздействия первый тенэорезисторный мост 2 сбалансирован и его коэффициент передачи равен нулю, при этом фазовый сдвиг колебания на выходе первого сумматора 5 по отношению к колебанию на входе фазовращателя „ = arctg 1/ и.,., где постоянная времени филь- ра 4 верхних частот (прп условии использования фильтра верхних частот первого порядка ). В то же время второй тензорезисторный мост 3 находится н состоянии, напрж ер, максимального разбаланса и его коэффициент передачи равен некоторому максимальному значению, при этом фазовый сдвиг колебания на выходе второго сумматора 6 по отношению к колебанию на входе фазовращателя

15

25

sin (arctic

1р = arctg — — -- — --"

Фт К 7, +Icos

К, !

ol (arctg где К

I7 коэффициент передачи второго тензорезисторнаго моста 3; макси7альное значение

40 коэффициента передачи нторого тенэорезисторного

К

f7 m моста; — модуль коэффициента передачи фильтра 4 верхних час- 45 тот.

К„

С ныходов первого 5 и второго 6 сумматоров колебания поступают на входы первого 7 и второго 8 однополосньм смесителей. На второй вход второго однополосного смесителя 8 поступает колебание с выхода перестраинаемого генератора 9. Одновременно колебание с выхода перестраиваемого генератора 9 через частотозависимый фазовращгтель 10 поступает на второй вход первого однополасного смесителя 7. Колебания с выходов второго 8 и первого 7 однополосных смесителей поступают на входы третьего ll и чет"cðòîão 13 однаполосных смесителей соответственно. Выход третьего однополосного смесителя

I1 подключен к входу резонансного усилителя 12, выход которого соединен с нторьи входом четвертого однопоffocного смесителя 13. подключенного выходом к второму входу третьего однополосного смесителя 1!. Выход резонансного усилителя 12 подключен к второму входу четвертого однополосного смесигеля 13 и к входу фазового детектора 14. Включенные в кольцевое соединение третий однаполосный смеситель 11, резонансный усилитель 12 и четвертый однополосный смеситель

i3, ныход которого соединен с вторым входом третьего однопалосного смесителя 11, образуют автоколебательную систему, н которой в стационарном состоянии при выполнении условий баланса фаз и амплитуд существуют устойчивые колебания с частотой, равной частоте, опорного генератора.

На входы фазового детектора 14 поступают колебания одинаковой частаты. вследствие чего управляющее напряжение на его ныходе равно нулю и блок 15 управления удерживает значение частоты перестраиваемого генератора 9 равным номинальному fdnro

При этом на выходах первого 7 и второго 8 однополосных смесителей ныде» ляются колебания с частотой оз, + ы„,, равной сумме (или разности LJc ю„, и, — ы, на выходах смесителей 7 и

8 соответственно ) частот колебаний, поступающих на их входы.

В последовательно соединенных однополосных смесителях 13 и 11 происходит возвратное гетеродиниронание колебаний. На выходе смесителя Il выделяется колебание с частотой 2 fg, +

+ы„,, равной сумме (или разности

2 с> — ы, ) частот колебаний, посту— пающих на его входы. На выходе смесителя 12 вь7деляется колебание с частотой ы,, равной разности (или сумме ) частот колебаний, поступающих на его входы. В результате возвратного гетеродинирования на вЪмоде однополосного смесителя ll выделяется колебание, сдвинутое по фазе относительно колебания на выходе резонансного усилителя 12 на величину

1 370608

6 групповое время запаз-, дывания сигнала в чагтотозависимом фаэовращателе 10. или где

1

sin (arctg ††)

n„„ о г 1 — — + cos (arctg —; )

К1 а

" ПГО " + 1 Р1

sin (arctg

,„, „,- 7,, + arctg --- — — arctg о"

--- — + cos (К

arctg

ПГо " 4 ру Kiiå

sin(arctg

arctg

Ф К1

+ сов (2

arctg --у) о

sin (arctg (p arctg фг

+ cos(К1

К1

arctg — . 1 о

Уо -V c 1,r,t3 eel ф ф1 ого с +Ц -(/ - Ь1 л см1,,4$ 1 смв ф 1 о о — суммарный фазовый сдвиг колебания в цепях фильтрации смесителей 7,11 и 13; — фазовый сдвиг колебасм 6 ния в цепях фильтрации смесителя 8;

+ arctg -- — — arctg

\ "1о " где К = О, 1, 2, — фазовый набег колебания в ру резонансном усилителе.

В стационарном режиме на выходе перестраиваемого генератора 9 существует колебание с номинальной частотой о>„го, соответствующей нулевому коэффициенту передачи первого тензореэисторного моста 2 и максимальному значению коэффициента передачи второго тенэорезисторного моста 3 в отсутствие измеряемого воздействия, В динамическом режиме при наличии измеряемого воздействия первый тенэорезисторный мост 2 раэбалансирован и его коэффициент передачи отличен от нуля, второй тензореэисторный мост 3 также раэбалансирован и значение его коэффициента передачи несколько меньше максимального. При этом на первые входы сумматоров 5 и 6 подаются колебания, прошедшие с выхода опорного генератора 1 через тензореэисторные мосты 2 и 3 сооТ ветственно.

Колебания на вторых входах сумматоров 5 и 6 формируются так же, как и при отсутствии измеряемого воэС учетом укаэанных фазовых соотношений условие баланса фаэ для автоколебательной системы, образованной включенными в кольцевое соединение третьим однополосным смесителем 11, резонансным усилителем 12 и четвертым однополосным смесителем

13, можно представить в виде действия. Суммарные колебания на выходах сумматоров 5 и 6 приобретают фазовые сдвиги по отношению к колебанию на выходе опорного генератора равные: где иф, ц,— фазовые сдвиги на выф1 ходах сумматоров 5 и

6 соответственно;

К, — коэффициент передачи первого тензореэисторного моста 2;

К, — коэффициент передачи второго тенэореэисторного моста 3;

К1 — модуль коэффициента передачи фильтра 4 верхних частот.

Изменение измеряемой физической величины приводит к изменению вели1 37 0608 чин коэффициентов передачи тензорезисторных мостов 2 и 3. Это вызывает изменение фазовых сдвигов на выходах сумматоров 5 и 6. Частота автоколебаний в автоколебательйой системе, образованной включенными в кольцевое соединение блоками 1l — 13, отклоняется относительно номинального значения, так как условие баланса фаэ вы- 10 полняется на другой частоте °

91п (arctg

arctg

К1 — --+ cos(К7

arctg — — -)

n„ о

- / + см 7, 11, 13 clvl o

arctg

1 и о

sin (+ < ) +Ч ого fit y py — arctg

К 11

+ cos (arctg — — „— j

sin (arctg

arctg

1 — — + cos(К2

I (are tg — -„-1

141 ь

СМ 7,«,1> СМ Е

arc tg — — „- t и

s1n (w„+ "„, ) +p = Ки (2)

+ cos (arctg — — — -) п

arctg

К1

К7

Иэ выражений (1 1 и (2) следует, что приращение частоты перестраиваемого генератора 9, вызванное измеряе35 мым воздействием:

sin (arctg — -„- j

W0 !

tg — — + arctg и

К10 . 1 о — + cos (arctg — -„-)

К2 о

sin (arctg - — „ oo" — arctg

К11в

+ сов (arctg ††-) --- + сов (arctg

4)о nl К2!

dw = — — -(arc

IlC n

О

arctg †;-„- 7

В1П (— arctg

Формула изобретения

Частотный преобразователь для тенэодатчиков, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, тенэореэисторный мост и сумматор, а также фильтр верхних частот, вход которого соединен с входом тензоре55 знсторного моста, а выход - с вторым входом сумматора, первый однополосный смеситель, последовательно соединенные второй и третий одногде К = О, 1, 2,....

При этом величины фазовых сдвиСМ 7,1313 См В гов Ч и остаются прак—

РУ тически неизменными.

Иэ выражения (3) следует, что изменение частоты перестраиваемого генератора зависит от величин коэффициентов передачи К, и К, тензорезисторных мостов, а следовательно, от измеряемого воздействия, например силы или давления.

Аналогичное соотношение можно получить для случая, когда оба тензорезисторных моста сбалансированы в стационарном состоянии.

На выходе фазового детектора 14 при этом появляется управляющий сигнал, который поступает на блок 15

1 управления. Блок 15 управления перестраивает генератор 9 на величину

Ь| так что условие баланса фаэ в пг автокопебательной системе, образованной блоками 11 — 13, снова выполняется на частоте г,, . Условие баланса фаз в этом случае принимает вид

1 370608

Составитель Н.Михалев

Редактор А.Огар Техред М.Дидык Корректор М. 1цароши

Заказ 417/47 Тира;к 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.у кгород, ул. Проектная, 4 полосные смесители, последовательно соединенный фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом опорного генератора, блок управления частотой перестраиваемого генератора, перестраиваемый генератор и частотозависимый фазовращатель, а также четвертый однополосный смеситель и резонансный усилитель, выход )p которого соединен с вторым входом фазового детектора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены последователь- 15 но соединенные второй тензорезисторный мост и второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот, а выход соединен с первым входом второго одно- 20 полосного смесителя, причем вход второго тензорезисторного моста подключен к входу фильтра верхних частот, первый и второй входы первого однополосного смесителя соединены с выходами первого сумматора и частотозависимого фазовращателя соответственно, а выход подключен к первому входу четвертого однополосного смесителя, выход перестраиваемого генератора соединен с вторым входом второго однополосного смесителя, выход четвертого однополосного смесителя, второй вход которого подключен к выходу резонансного усилителя, соединен с вторым входом третьего однополосного смесителя, подключенного выходом к входу резонансного усилителя.