Способ измерения механических величин с помощью сегнетоэластичного преобразователя
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении как постоянных во времени, так и переменных механических величин, в частности усилий, давлений, вибраций, крутящих моментов, деформаций и механических напряжений. Целью изобретения является повышение точности. Сущность способа заключается в том, что его осуществляют в течение трех последовательных тактов, в первом из которых преобразователь изолируют от действия внешних механических величин, во втором к преобразователю прикладывают нормированную механическую величину P<SB POS="POST">0</SB>, а в третьем - измеряемую механическую величину P<SB POS="POST">X</SB> или сумму P<SB POS="POST">X</SB> + P<SB POS="POST">0</SB>. К электродам кристалла преобразователя прикладывают управляющее напряжение треугольной формы, в положительные и отрицательные полупериоды которого регистрируют его амплитудные значения, соответствующие моментам переключения направления поляризации кристалла преобразователя, с учетом величин которых по определенным аналитическим выражениям рассчитывают измеряемую механическую величину P<SB POS="POST">X</SB>. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 1 1/04
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ЛБ0ВШ3 йй-. 7Ю- Ик ."",ЛНКМ сл, -., Е Д
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4158334/10 (22) 15.10,86 (46) 07.07.91. Бюл. М 25 (71) Институт кибернетики им, В.М.Глушкова (72) В.И.Скурихин, В.Т.Кондратов и
О.И.Левченко (53) 531.781 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 541094, кл, G 01 1. 1/04, 1977.
Авторское свидетельство СССР
М 1571436, кл. 6 01 1. 1/04, 03.03.86. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ПОМОЩЬЮ СЕГНЕТОЭЛАСТИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может бйть использовано при измерении как постоянных во времени, так . и переменных механических величин, в частности усилий, давлений, вибраций, крутя,щих моментов, деформаций и механических
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении как постоянных во времени, так и переменных механических величин, в частности усилий, давлений, вибраций, крутящих моментов, деформаций и механических напряжений.
Целью изобретения является повышение точности.
На фиг.1 представлены эпюры напряжений; на фиг.2 — структурная схема устройства, реализующего данный способ, вариант; а на фиг.3 и 4 — структурные схемы соответственно блока управления и мультиплексоЯХ, 1661593 А1 напряжений. Целью изобретения является повышение точйости. Сущность способа заключается в том, что его осуществляют в течение трех последовательных тактов, в первом из которых преобразователь изолируют от действия внешних механических величин, во втором к преобразователю прикладывают нормированную механическую величину Р0, а в третьем — измеряемую механическую величину Рх или сумму Рх+Р0.
К электродам кристалла преобразователя прикладывают управляющее напряжение треугольной формы, в положительные и отрицательные полупериоды которого регистрируют его амплитудные значения, соответствующие моментам переключения поляризации кристалла, преобразователя. с учетом величин которых по определенным аналитическим выражениям рассчитывают измеряемую механическую величину Рх. 1 з.п. ф-лы, 4 ил, ра, входящих в состав устройства для реализации способа.
Сущность способа измерения механических величин с помощью сегнетоэластичного преобразователя заключается в том, что его осуществляют в течение трех последовательных тактов, в первом из которых преобразователь изолируют от действия внешних механических величин, во втором к преобразователю прикладывают нормированную механическую величину Р, а в третьем к преобразователю прикладывают измеряемую механическую величину Рх или сумму Рх+Ро величин.
1661593
К электродам кристалла преобразователя прикладывают управляющее напряжение треугольной формы (фиг. 1д), в положительные или отрицательные полупериоды которого регистрируют его мгновенные значения (соответственно U>, Оз, Ug ! ! и Ог, 04, Оо ), соответствующие моментам ! ! (tt, тз, !ь и t!, тз, ts ) переключения направ-! ! пения поляризации у кристалла преобразователя. Под механическим воздействием а кристалл сегнетоэластичного преобразо, ателя петля гистерезиса, определяющая переполюсовку направления поляризации кристалла, смещается от своего нейтраль ного положения (фиг. 1г). Вследствие этого смещения происходит разбаланс величин ,мгновенных значений, зафиксированных в момент переполюсовки кристалла при положительных и отрицательных полупериодах управляющего напряжения.
По зарегистрированным мгновенным значениям Ui в каждом такте измерения ,нормируют измерительные сигналы Причем в положительный полупериод управляющего напряжения в первом такте ф! =
О!, во втором такте = Оз . а в третьем ! рз = Us в отрицательный полупериод соот-! ветственно р! = Ог, рг = О4, фз = О в . При этом каждое мгновенное значение Ui может определяться как среднее за несколько периодов управляющегонапряжения в соответствующем такте, Измеряемую механическую величину
Рх находят по аналитическому выражению
„, и — (1)
Ю У! если в третьем такте к преобразователю прикладывают только механическую величину Рх, или по аналитическому выражению
Px = Р - - -, если в третьем такте к р2 rp! преобразователю прикладывают сумму механических величин Рх+Ро
Измерительные сигналы р могут формироваться и по другому алгоритму, если мгновенные значения О! регистрируют в и положительных и и отрицательных полупериодах управляющего напряжения. В этом случае измерительные сигналы р формируются как разность усредненных мгновенных значений, зарегистрированных в положительные (Ut, Оз, Us ) и отрицатель-! ные (Ог!, О4т, Ое!) полупериоды соответствующих периодов управляющего напряжения. В этом случае р! = (U! — Uz ); ф2 (ОЗ О4 ); Щ3 (О5 О6 ), Устройство для реализации предложенного способа (фиг.2) содержит сегнетоэластичный преобразователь 1, генератор 2 треугольного напряжения, формирователь 3 импульсов, делитель 4 напряжения, логический элемент И вЂ” НЕ 5, аналого-цифровой преобразователь 6, кнопки 7 и Я "Изм" (из5 мерение) и "Уст.0". (установка нуля), нуль-орган 9, триггер 10, блок 11 управления, мультиплексор 12, микропроцессор 13, отсчетно-регистрирующее устройство 14, общую шину 15.
10 Блок 11 управления (фиг.3) состоит из одновибратора 16, двух счетных триггеров
17 и 18 и дешифратора 19, а мультиплексор
12 (фиг,4) включает в себя первый и второй коммутаторы 20 и 21, первый, второй и тре15 тий регистры 22, 23. и 24, одновибратор 25 и три логических элемента ИЛИ 26, 27 и 28.
Электрический вход сегнетоэластичного преобразователя 1 соединен с парафазными выходами генератора 2 треугольного
20 напряжения, первый выход которого подключен также через делитель 4 нрапряжения, к входу аналого-цифрового преобразователя 6. Управляющий вход последнего соединен с выходом логического
25 элемента И-НЕ 5, чей первый вход подключен к выходу формирователя 3 импульсов.
Второй вход логического элемента И вЂ” НЕ 5 соединен с выходом триггера 10, вход установки единицы которого подключен через
30 кнопку 7 "Изм." к выходу нуль-органа 9.
Вход нуль-органа соединен с выходом делителя. 4 напряжения. Вход установки нуля триггера 10 соединен с выходом логического элемента И вЂ” НЕ 5, к которому подключен
35 и первый вход блока 11 управления, чей второй вход соединен через кнопку 8 "Уст,0" с выходом нуль-органа 9. Выходы блока 11 управления, соединены с одноименными входами мультиплексора 12, входы которого
40 подключены к выходам аналого-цифрового преобразователя 6, Выходы мультиплексора 12 подключены к общей шине 15, с которой соединены микропроцессор 13 и отсчетно-регистрирующее устройс гво 14, 45 Первый вход блока 11 управления соединен через одновибратор 16 со счетным входом первого триггера 17, вход установки нуля которого. соединен с вторым входом блока 11 управления и с входом установки
50 нуля второго триггера 18. Счетный вход триггера 18 соединен с вторым входом дешифратора 19 и подключен к выходу первого триггера 17. Первый вход дешифратора
19 соединен с выходом второго триггера 18, 55 а выходы дешифратора 19 являются выходами блока 11 управления.
Информационные входы мультиплексора 12 (фиг,4) являются первыми входами первого коммутатора 20, вторые входы которого подключены к земляной шине, Выходы
1661593
50
55 первого коммутатора 20 соединены с одноименными входами первого, второго и третьего регистров 22, 23 и 24, чьи выходы подключены соответственно к первым, вторым и третьим входам второго коммутатора
21, выходы которого являются выходами мультиплексора 12, Управляющий вход первого коммутатора 20 соединен с первым входом мультиплексора 12 и с входом одновибратора 25, выход которого подключен к вторым входам логических элементов ИЛИ
26, 27 и 28, чьи первые входы являются соответственно вторым, тьретьим и четвертым входами мультиплексора 12, Выходы логических элементов ИЛИ 26, 27 и 28 соединены с управляющими входами соответственно первого, второго и третьего регистров 22, 23 и 24.
Работа устройства заключается в следующем.
При включении устройства на электрические входы сегнетоэластичного преобразователя 1 поступает управляющий сигнал треугольной формы с выходов генератора 2, Выходной сигнал сегнетоэластичного преобразователя поступает на входы формирователя 3 импульсов, с помощью которого в положительные полупериоды управляющего сигнала формируются короткие импульсы в моменты времени t1, 1з, z5 (фиг.1 а, б, в), соответствующие моменту времени скачкообразного изменения направления поляризации кристалла преобразователя 1, Одновременно выходной сигнал генератора 2 поступает через делитель 4 напряжения на вход аналого-цифрового преобразователя 6. Коэффициент деления
Kg делителя 4 напряжения выбирается таким, чтобы его выходной сигнал не превышал динамический диапазон Одцп аналого-цифрового преобразователя 6, т,е, О " а 0Ацп, (2)
Оптовых где Umex u U mesix — амплитудные значения входного и выходного сигналов делителя напряжения.
Перед началом измерения нажимают кнопку 8 "Уст,0", В результате на второй вход блока 11 управления поступает серия импульсов (соответствующих логическому "0"), формируемых в моменты времени перехода через ноль управляющего сигнала преобразователя 1. С второго входа блока 11 управления эти импульсы поступают на входы установки нуля первого и второго триггеров
17 и 18, В результате на первом выходе дешифратора 19 (или блока 11 управления) появляется сигнал, устанавливающий первый коммутатор 20 мультиплексора 12 в состояI
40 ние, при котором код нуля через вторые входы коммутатора 20 поступают на входы регистров 22, 23 и 24 мультиплексора 12.
Через время г код нуля записывается в регистры 22, 23 и 24. Это достигается эа счет импул ьса, формируемого одновибратором
25 с задержкой т и поступающего через логические элементы ИЛИ 26, 27 и 28 на управляющие входы регистров 22, 23 и 24 соответственно.
Процесс измерения проводится в три такта, В первом такте воздействие внешней механической величины на сегнетоэластичный преобразователь 1 отсутствует, Оператор нажимает кнопку 7 "Изм.", устанавливая тем самым триггер 10 в состояние логической "1" на его выходе, разрешающей прохождение короткого импульса с выхода формирователя,3 через логический элемент
И вЂ” НЕ 5 на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя 6. В момент времени (фиг. Ia), соответствующий появлению короткого импульса в первом такте измерения, в выходной регистр аналого-цифрового преобразователя 6 записывается код числа й1=- р К, i (1+ y)+ h,N=N> (1+ y)+ ЛN,(3) где p — крутизна преобразователя 6;
h, N= p К Л U — аддитивная составляющая погрешности измерения;
N> =К р 01 — истинное мгновенное
1 значенИе управляющего сигнала в момент времени t<.
Одновременно выходной импульс логического элемента И вЂ” НЕ 5 поступает на вход установки нуля триггера 10, переводя его в состояние логического "0" на выходе, и тем самым запрещает прохождение следующих коротких импульсов через логический элемент И вЂ” НЕ 5 в первом такте измерения.
Кроме того, выходной импульс логического элемента И вЂ” НЕ 5 поступает на первый вход блока 11 управления. С помощью одновибратора 16 с некоторой задержкой тг формируется импульс, устанавливающий триггер 17 в состояние логической "1" на его выходе. Это ведет к исчезновению сигнала на первом и появлению сигнала на втором выходе дешифратора 19.
С второго выхода дешифратора 19 этот сигнал поступает через логический элемент
ИЛИ 26 на управляющий вход первого регистра 22. При отсутствии сигнала на первом, выходе дешифратора 19 первый коммутатор
20 устанавливается в состояние, при котором выходной код числа (3) через первые входы коммутатора 20 поступает на входы регистра 22.
Наличие разрешающего сигнала на управляющем входе первого регистра 22 обес1661593 печивает запись кода числа (3) в этот регистр.
Во втором такте на сегнетоэластичный преобразователь 1 воздействуют нормированной механической величиной Рр, а затем нажимают кнопку 7 "Изм", В момент времени tz(gvr, 1б) появляется короткий импульс, разрешающий измерение мгновенного значения управляющего сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя 6.
Затем результат измерения
N3= р KgU3 (1+ y)+ Л Й = Йз (1+ 3 )+ АИ,(4)
1де Из = р KqUa — истинное мгновенное
1 1 значение управляющего сигнала в момент бремени tq,записывается во второй регистр
23 мультиплексора, поскольку выходной имПульс логического элемента И вЂ” НЕ 5 устанавливает первый триггер 1? в состояние логического "0" на его выходе, э второй триггер 18 — в состояние логической "1". Это едет к тому, что на третьем выходе дешифатора 19 появляется сигнал, разрешающий запись кода числа в регистр 23.
В третьем такте процесс измерения уже
Исследуемой механической величины Р> аналогично повторяется. В третьем такте
Измерения в регистр 24 записывается код числа
М5 = p QU5 (1+ y)+ Л N = N5 (1+ y )+ Л N, (5) где N5 - p K ВРЕМЕНИ t5. Разрешающий сигнал на управляющий вход регистра 24 поступает через логический элемент ИЛИ 28 с четвертого выхода дешифратора 19, формируемого при состояниях логической "1" на выходах триггеров 1?и 18,. С выходов регистров 22, 23 и 24 коды чисел (3), (4), (5) поступают соответственно нэ первые, вторые и третьи входы второго кОммутатора. 21, . Последний управляется микропроцессором 13, с помощью которого осуществляется обработка результатов промежуточных измерений в соответствии с выражением N5 — N1 Nx= No з— где No=(Po),т,е. число No равно значению нормированной механической величины при приложении к сегнетоэластичному преобразователю.1 в третьем такте измерения только исследуемой механической величины Рх, или в соответствии с выражением К5 — Мз N3- 1 5 — при приложении как исследуемой Рх, так и нормированной Ро механических величин, т,е. сумм ы P x+P o, Формула изобретения 1. Способ измерения механических ве10 личин с помощью сегнетоэластичного преобразователя., заключающийся в том, что его осуществляют в течение трех последовательных тактов, в первом из которых преобразователь изолируют от действия внешних 15 механических величин, ао втором к преобразователю прикладыBici нормализованную механическую величину Рр, а в третьем к преобразователю прикладывают измеряемую механическую величину Рх или сумму 20 Рх+Ро величин, при этом к электродам сегнетоэластичного преобразователя прикладывают управляющее нап ряжение треугольной формы, а измеряемую механическую величину Р> вычисляют по определен25 ному аналитическому выражению, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности, в положительных или отрицательных полупериодах управляющего напряжения регистрируют его мгновенные значения, 30 соответствующие моментам переключения направления поляризации кристалла сегнетоэлектрическо о преобразователя, по величине которых в каждый такт измерения формируют измерительные сигналы Р;, затем определяют измеряемую механическую величину Р„по аналитическому выражению Р, =- Р.- — Ю Р1 или 4G Р Р ЯЪ Я2 pz p1 в случае прикладывания ", преобразователю в третьем такте соответственно "."=-ханической величины Р„или суммы мехэническиХ величин Px+ Po, где р1, р2, рз — измерительные сигналы, сформированные соответственно впервом,,втором и третьем тактах, 2. Способ по п.1. отличающийся тем, что измерительные сигналы р формируют как разность мгHQBGHHblx значений, зарегистрированных а положительные и отрицательные полупериоды соответствующих периодов управляющего напряжения. 1661593 1661593 . Чанг.4 Составитель .А. Амаханов Редактор Т, Юрчикова ТехредM.Ìîðãåíòàë Корректор О. Кравцова Заказ 2116 Тираж 355 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101
