Способ измерения механических величин

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения, обеспечение линейной зависимости между входной и выходной величинами. Способ измерения механических величин, заключающийся в том, что при проведении измерений механических величин с помощью сегнетоэластичного датчика выделяют характеристические интервалы времени, ограниченные моментами перехода управляющего сигнала треугольной или трапециевидной формы через сформированный опорный уровень с одной стороны и моментами появления импульсов на выходном сигнале датчика с другой стороны, причем характеристические интервалы выделяются без приложения к датчику нагрузки, при приложении к датчику эталонной нагрузки и при приложении к датчику измеряемой нагрузки или измеряемой нагрузки и эталонной одновременно, что определяет три такта измерений. По найденным интервалам определяют измеряемую нагрузку. 2 ил.

СО}03 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБ ЛИК

А1 (}9} (1!) (1) С 0 ?. 1/00 1 12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

r}0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4045188/24-10 (22) 03.03.86 (46) 15 ° 06.90. Бюл. N- 22 (71) Институт кибернетики им.В.М.Глушкова (72) B.È.Gêóðèõèí, В.Т.Кондратов и О.И.Левченко (53) 531.781(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 629508, кл. G 01 R 19/22, 1977.

Авторское свидетельство СССР

У 541094, кл. G 01 L 1/04, 1977. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения— повышение чувствительности и точности измерения, обеспечение линейной зависимости мЕжду входной и выходной величинами. Способ измерения механиИзобретение относится к измерению механических величин, в частности усилий, давлений, вибраций, деформаций и т.д., и может быть использовано при измерении как постоянных, так и переменных механических величин.

Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерения, а также обеспечение линейной зависимости выходной величины от входной при использовании в измерениях сегнетоэластичного преобразователя.

На фиг.l изображены эпюры напряжений; на фиг.2 — структурная схема варианта устройства, реализующего данный способ.

2 ческих величин, заключающийся в том, что при проведении измерений механических величин с помощью сегнетоэластичного датчика выделяют характеристические интервалы времени, ограниченные моментами перехода управляющего сигнала треугольной или трапециевидной формы через сформированный опорный уровень с одной стороны и моментами появления импульсов на выходном сигнале датчика с другой стороны, причем характеристические интервалы выделяются без приложения к датчику нагрузки, при приложении к датчику эталонной нагрузки и при приложении к датчику измеряемой нагрузки или измеряемой нагрузки и эталонной одновременно, что определяет три такта измерений ° По найденным интервалам определяют измеряемую нагрузку.2 ил.

Сущность способа заключается в том, что в процессе измерения, который состоит иэ трех тактов, на электрические входы сегнетоэластичного цатчика подают биполярный управляющий .сигнал треугольной или трапециевидной формы, формируют короткие импульсы вмоменты времени t„,t,,С,t,С

t z и t перехода управляющего CHAL нала через опорный уровень, нормируют по знаку, амплитуде и длительности выходные импульсы сегнетоэластичного датчика, затем в первом такте измерения в положительный и отрицательный полупериоды управляющего сигкала выделяют, измеряют и запомина1571436 ют соответственно временные интерва-! !

1 Н11 Н Н И а " 1 ограниченные сверху моментами време1 и с „ и t появления выходных им! 1 ! йульсов сегнетоэластичного датчика без приложения к нему внешней механической величины, Во втором такте и в по-. ложительный полупериод управляющего сигнала выделяют»измеряют и запомина- 10

t ют временной интервал h,t =tq

У ограниченный сверху моментом времени t появления выходных импульсов !

Я сегнетоэластичного датчика при приложении к нему нормированной механи- 15 ческой величины, в третьем такте в положительный полупериод управляющего сигнала выделяют, измеряют и запо минают временной интервал htq ( ограниченный сверху мо- 29 ментом времени t появления выходных импульсов сегнетоэластичного датчика при приложении исследуемой механической величины, причем выделенные интервалы времени снизу ограничивают 25 соответственно моментами времени и t4 перехода управляющего сигнала через опорный уровень: для первого такта — как в положительном, так и в отрицательном направлениях, 3р а для второго и третьего тактов только в положительном направлении, затем находят характеристические интервалы времени М g t g< 6 ни и

44 А 11» на основании торых определяют значение исследуемой механической величины по выраже, нию р Г (nt /Ь 1) (1) для случая, когда в третьем такте из- 4О мерения действие нормированной механической величины не исключают, а наоборот, слагают с действием исследуемой механической величины или по выражению 45

/ я () для случая, когда в третьем такте измерения действие нормированной механической величины на сегнетоэластичный датчик исключают. Один из вариантов устройства реализации данного способа представлен на фиг.2.

Устройство содержит датчик 1, генератор 2 пилообразного напряжения, формирователь 3 импульсов, логический элемент И-НЕ 4, первый триггер 5, компаратбр 6, измеритель 7 временных интервалов, арифметическое устройство 8, отсчетно-регистрирующее устройство 9, входную клемму 10 сигналов автоматического управления АУ, управляемый делитель 11 напряжения, источник 12 опорного напряжения гене1 ратор 13 одиночных импульсов (с ручным управлением), логический элемент

И-НЕ-ИЛИ 14, триггер 15, счетчик 16 импульсов, первый дешифратор 17, индикатор 18 тактов измерения, цифроаналоговый преобразователь 19, первый одновибратор 20, дополнительный счетчик 21 импульсов, второй дешифратор 22, логический элемент ИЛИ 23, второй одновибратор 24, трехполюсный переключатель 25, первое и второе запоминающие устройства 26 и 27„ вычитающее устройство 28 и нуль-индикатор 29.

Арифметическое устройство 8 содержит три запоминающих устройства 30-32, три вычитающих устройства 33-35, блок 36 деления, блок 37 перемножения и задатчик 38 чисел.

Устройство работает следующим образом.

На управляющие входы сегнетоэластичного датчика поступает биполярный управляющий сигнал треугольной или трапециевидной формьГ с первого и второго выходов генератора 2 пилообразного напряжения (см.фиг.2 и 1).

Одновременно сигнал с первого выхода генератора 2 поступает на второй вход компаратора 6, на первый вход которого» как и на 11суммирующий11 вход генератора 2, поступает сигнал опорного уровня с выхода управляемого делителя 11 напряжения. Этот сигнал в начальный момент времени по своему значению может быть близким к нулю, Поп О.

С помощью компаратора.б формируются короткие импульсы (см.фиг.l,а) в моменты времени перехода управляющего сигнала датчика через опорный уро.вень Uo„, т.е. в моменты: времени

» 4 С 5 и Эти импульсы

Н» 1» 1!.» Ъ» 4». 5 предназначены для установки триггера 5 в единицу.

Поскольку чувствительный элемент сегнетоэластичного датчика 1 имеет прямоугольную петлю гистерезиса, то в моменты времени t»t„»t<,1з,1 и (см.фиг.l,б,в,г) на выходе сегнетоэластичного датчика 1 появляются разнополярные импульсы, которые поступают на входы формирователя 3. С помощью формирователя 3 формируются

1571436 однополярные выходные импульсы датчика 1 (см.фиг.2,б,в,г) °

Эти импульсы поступают на вход установки нуля триггера 5 в указанные моменты времени, устанавливая

его в нулевое (исходное) состояние.

Устройство готово к работе, Перед началом измерения исследуемой механической величины, когда на датчик 1 механическая величина не воздействует, устанавливают режим коррекции" измерительного устройства.

Это осуществляется путем .перевода трехполюсного переключателя 25 в положение, противоположное уыазанному .на фиг.2а. В этом положении трехполюсного переключателя 25 осуществляют установку опорного уровня, а следовательно, и смещение управляющего сигнала на «+Б „ путем изменения коэффициента передачи делителя напряжения 11, выполненного, например, в виде резистивного моста постоянного тока.

Установку опорного уровня U „ производят до момента равенства временных интервалов ht н„и Ь t<,, который контролируется по показанию нульиндикатора 29.

Процесс установки равенства вре— менных интервалов, а следовательно, и опорного уровня осуществляется следующим образом. С выхода. генератора 13 одиночных импульсов поступает одиночный импульс, соответствующий лог. 1", который разрешает прохождение выходного импульса компаратора 6 на вход установки единицы триггера 1 (см.фиг.2а). В результате триггер 15 переводится в состояние лог. ")" на выходе.

Если в начальный момент времени триггер 5 находился в состоянии нуля на его выходе, то первый же импульс, прошедщий логический элемент И-НЕ 4 с выхода компаратора 6, установит триггер 5 в состояние лог."1" на его выходе. Согласно способу за этим импульсом последует выходной импульс датчика 1, соответствующий моменту времени равенства мгновенного значения управляющего сигнала и коэрцитивного напряжения. В результате с помощью триггера 5 формируется прямоугольный импульс. длительностью, например, gt„„ = t „ - t>, который поступает на вход измерителя 7 временных интервалов и на вход первого

55 одновибратора 20 ° С помощью измерителя 7 временных интервалов измеряется длительность этого импульса. Ре .1 зультат измерения в вице, например, 1 цифрового кода поступает на первые входы арифметического устройства 8, первого и второго запоминающих устройств 26 и 27.

Выходной импульс триггера 5 (длительностью М ц„) запускает одновибратор 20 (cM.фиг.2). Последний формирует счетные импульсы постоянной длительности и крутизны фронтов, которые подсчитываются счетчиком 21 импульсов. На выходе счетчика 21 установлен дешифратор 22, преобразующий выходной код счетчика 21 в позиционный код на четыре направления, При поступлении первого импульса (g t„„) на первом выходе дешифратора 22 появляется сигнал, разрешающий запись результата измерения N„„ в запоминающие устройства 26 и 31 (см.фиг.2а,б).

Как видно из эпюр напряжений, представленных на фиг ° 1,а,б, в момент времени t„ очередной импульс с выхода компаратора 6 поступает через логический элемент И-НЕ 4 на вход установки единицы триггера 5.

Запрета на его прохождение нет, так как триггер 15 по-прежнему находится в состоянии лог. "1" на его выходе.

На выходе триггера 5 устанавливается уровень, соответствующий лог."1".

Затем в момент времени t с вы1 хода формирователя 3 на вход установки нуля триггера 5 поступает новый импульс, который устанавливает триггер 5 в состояние лог."1 на его выходе.

B результате на выходе триггера 5 формируется второй прямоугольный имI пульс длительностью h. t« = (см.фиг.1 д).

Прямоугольный импульс длительностью Qt() поступает, как и предыдущий импульс длительностью 11С я„, на измеритель временных интервалов 7 и на одновибратор 20. При поступлении на вход счетчика 21 через одновибратор 20 второго импульса на втором выходе дешифратора 22 появляется сигнал, разрешающий запись результата измерения Нц временного интервала

М „ в запоминающее устройство 27 (см.фиг.2а) и сбрасывающий счетчик 21 °

С помощью вычитающего устройства 28 определяется разность чисел, запи1571436 санных в запоминающие устройства 26 и 27. Результат вычитания Бд= Нн„—

- Мц с помощью цифроаналогового преобразователя 19 преобразуется в анало5 говый сигнал U, который поступает йа нуль-индикатор 29, обеспечивая контроль за моментом времени достижеНия равенства временных интервалов

Ь и Д ц . Причем в каждый период

Нн управляющего сигнала в запоминающие устройства 26 и 27 записываются коды

1 1 чисел N>u и N«, отличные от первоначальньгх, полученных до изменения коэффициента передачи управляемого делителя 11 напряжения при формировании опорного уровня. При достижении нулевого показания нуль-индикато,ра 29 (U q =О) трехполюсный переключатель 25 устанавливается в положе- 20 ние, указанное на фиг.2а. Прибор roтов к измерению.

Формирование опорного уровня необходимо для достижения высокой чув- 2S ствительности и точности измерения механических величин, расширения динамического диапазона измеряемьгх величин и исключения влияния усилия, создаваемого силовводящим элементом 3р сегнетоэластичного датчика. Действие последнего в некоторых сегнетоэластичных датчиках компенсируется конструктивным решением. В этом случае чувствительный элемент датчика имеетт 3 симметричную петлю гистерезиса относительно осей координат. Тогда временные интервалы Д1 „„ и Дй „ формируются равными по длительности, а в качестве опорного уровня используют ну- 40 левой уровень, Если конструкция датчика не обеспечивает компенсацию укаэанного усилия, то формируют опорный уровень, при котором gtя„= 5t << . Причем равен- 5 ство временных интервалов Д и„и htq при формировании опорного уровня достигается за счет смещения управляющего сигнала на постоянный уровень, который используют в качестве опорного уровня. Направление смещения зависит от знака разности временных рвалов Дt нн и Дt«, Сам процесс измерения состоит иэ трех тактов. Причем в первый, второй

55 и третий такты получают результаты измерения: 1) без приложения к датчику механической величины; 2) с приложением нормированной механической величины и 3) с приложением к датчику исследуемой механической величины.

В положении трехполюсного переключателя 25, укаэанном на фиг.2а, триггер 5 переводится в состояние лог."0" на его выходе: в первый такт измерения — после прохождения первого и второго прямоугольных импульсов на счетчик 21, а во второй и третий такты — после прохождения третьего и четвертого импульсов (см.фиг.1д).

Для получения результатов измере" ния временных интервалов Дtuu и Дt« при установленном значении опорного уровня в первом такте измерения вручную з апуск ают ге не рато р 1 3 одиночных импульсов. Процесс формирования и измерения временных интервалов h t и 4t вновь повторяется. В первый такт измерения в запоминающее устрой-, ство 31 запишется код числа N;>Ä= N<<, соответствующий установленному опорному уровню U

После окончания первого такта измерения вручную или автоматически к сегнетоэластичному датчику 1 прикладывают нормированную механическую величину Р о, цифровой эквивалент N> которой устанавливают на втором выходе задатчика чисел 38.

После приложения нормированной механической величины Pr вновь запускают генератор 13 одиночных импуль-. сов и процесс измерения повторяется аналогичным образом. Во втором такте измерения формируют и измеряют временной интервал gt (см.фиг.1,д), ограниченный моментами времени t< и t (см.фиг.1,а,в).

Результат измерения Nä записывается в запоминающее устройство 30, цоскольку при поступлении третьегб импульса на счетчик 21, разрешающий потенциал появится на третьем выходе дешифратора 22, а следовательно, и на управляющем входе запоминающего устройства 30.

С помощью первого вычитающего устройства 33 результаты измерения временных интервалов, записанные в запоминающих устройствах 30 и 31 вычитаются. Код числа N = Н вЂ” NuÄc выхода вычитающего устройства 33 поступает на вход "Делитель" блока 36 деления °

Во втором такте измерения триггер 15 устанавливается в состояние лог. "1 » íà его выходе только на вреФормула и з о б р е т е н и я

9 15 мя формирования с помощью триггера 5одного прямоугольного импульса длительностью gt .(см.фиг.1,д).

По окончании второго такта измерения вручную или автоматически к сегнетоэластичному датчику прикладывается исследуемая механическая величина Р>

Нормированная механическая величина

Р в рассматриваемом случае. не снимается. Процесс измерения в третьем такте измерения повторяется аналогичным образом, как и во втором такте.

Результат измерения М44временного ин-! тервала K г44 г.4 — нн поступает В запоминающее устройство 32, так как четвертый импульс, поступивший на счетчик 21, обеспечивает появление импульса разрешения записи на четвертом выходе дешифратора 22, соединенном с управляющим входом запоминающего устройства 32.

Код числа И44поступает с выхода запоминающего устройства 32 на вход

"Уменьшаемое" второго вычитающего устройства 34. С выхода последнего код числа N< = N44 - Я11япоступает на вход "Делимое" блока 36 деления.

В результате деления двух чисел (N и М„) на вход НУменьшаемое1 третьего вычитающегб устройства 35 поступит код числа N<,= Н /N1, а на вход "Вычитаемое" — код единички.

С выхода тпетьего устройства 35 вычитающего на вход "Множимое" блока 37 перемножения поступит код числа

Ng = N 1 — 1. На вход "Множитель" блока 37 поступает код числа Nz, эквивалентный нормированной механической величине .

С помощью блока 36 перемножения обеспечивается получение результата измерения в тех же единицах, что и измеряемые механические величины.

С выхода блока 37 перемножения код числа N x = Ns -NH поступает наотсчетно-регистрирующее устройство 9, которое отображает результат измерения исследуемой механической величины в цифровом виде.

Подставим значения N> и И,1 в выражение для NII через N< и N1. Тогда получим

Np

N (- — — 1) N х Н (3)

1 что соответствует выражению (1) .

Индик а то р 1 8 т ак то в из ме р ения представляет собой схему с тремя светодиодами, соответственно числу так71436 10 тов измерения, которые поочередно загораются после окончания каждого из трех тактов измерения. Это необходимо для визуального контроля оконча5 ния каждого такта измерения, готовности прибора к последующему такту измерения и принятия решения по установке на датчик 1 нормированной или исследуемой механических величин. Управление индикацией осуществляют посредством счетчика 16 и дешифратора 17. Следует отметить, что сформированная указанным образом первая па15 р2 временных интервалов содержит себе информацию Об отсутствии воздействия на сегнетоэластичный датчик внешней механической величины, а также информацию о степени асимметрии петли гистерезиса, вызванной, например, усилием силовводящего элемента датчика или асимметрией -управляющего сигнала, т.е. информацию о систематической погрешности измерения. Временной интервал gt содержит информацию как о степени асимметрии петли гистерезиса и управляющего сигнала, так и о значении нормированной механической величины Р . В целом временной интерВал 1 1 содержит информацию как О нормированной механической величине, так и о систематической погрешности измерения. Временной интервал 5Е44, сформированный в третий такт измерения, содержит информацию как О систематической погрешности измерения, так и о значении исследуемой механи ческой величины Р .

Способ измерения механических величин, заключающийся впоочередном приложении к чувствительному элементу

45 сегнетОэластичнОГО датчика нОрмирО ванной и исследуемой механических величин, предварительно преобразованных в сосредоточенное усилие, в измерении временных параметров выходного

50 электрическогo сигнала pатчика ределении измеряемой механической величины по определенному алгоритму, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и

55 точности измерения, а также Обеспечения линейной зависимости выходной величины от входной, при измерении временных параметров сначала на электри ческие входы сегнетоэластичного дат—

11

15 чика подают биполярный управляющий сигнал треугольной или трапециевидной, фЬрмы, формируют короткие импульсы в моменты времени t>,t<,t<,«.,«,tz и,, t< перехода управляющего сигнала через опорный уровень, нормируют по зеваку, (мплитуде и длительности выходные импульсы сегнетоэластичного д атчика, затем в режиме настройки в цоложительный и отрицательный полупериоды управляющего сигнала выделяют, ! змеряют и добиваются равенства вре( енных интервалов ht((((= «((«и и (I ограниченных сверху

Э ( оментами времени t>e t< появления

ыходных импульсов сегнетоэластичноо датчика без приложения к нему внешней механической величины, затем в (впервом такте измерения в положитель( ный полупериод управляющего сигнала йьщеляют,-измеряют и запоминают временной интервал Ь «((„, во втором такте в положительный полугериод управляющего сигнала выделяют, измеряют и запоминают временной интервал Qt2z ограниченный сверху мо( ментом времени t< появления выходных импульсов сегнетоэластичного датчика

Ори приложении к нему нормированной

Механической величины Рр>33 третьем

7143б

12 такте в положительный полупериод управляющего сигнала выделяют, измеряют и запоминают временной интервал (t 4 t 4 ° ограниченный сверху

5 моментом времени t4 появления выходных импульсов сегнетоэластичного датчика при приложении исследуемой механической величины Р(, причем выделенные интервалы времени снизу ограничивают соответственно моментами времени «„,t((,t и «4 перехода управляющего сигнала через опорный уровень для первого такта в положительном и отрицательном направлениях, а для второго и третьего тактов положительном направлении, затем находят характеристические интервалы времени dt u = й« вЂ” dt((((u ht., — gt44 («я(„ Определяют значение ис следуемой механической величины по выражению P x = Pa (gati /Ь«((— 1), для случая, когда в третьем такте измерения действие нормированной механи2 ческой величины слагают с действием исследуемой механической величины, по выражению P((= Р ht (/ ht(( когда в третьем такте измерения действие нормированной механической величины на сегнетоэластичный датчик ,исключают.

I йм 3V led 1571436

1571436

Составитель А,Кокарев

Техред И.Дидык Корректор С.йевкун

Редактор А.Долинин

Заказ 1505 Тираж 484 Подписное

ЯИИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Ф1 Tl

Производственно-издате..н.ский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101