Тензометрическое устройство

 

Изобретение относится к тензометрии и может быть использовано для измерения деформации материалов. Целью изобретения является повышение точности контроля предельных значений деформации за счет использования иммитаторов измерительного преобразователя. Последние подключаются к измерительному блоку коммутаторами и выполнены каждый из пяти резисторов по звездообразной схеме, эквивалентный четырехполюсник которой аналогичен измерительному преобразователю. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения различных механических величин, например, давления или силы, по вызванным ими деформациям.

Известно тензометрическое устройство, содержащее два тензорезистора, источник питания, два операционных усилителя, масштабные делители, масштабные усилители, сумматоры и резисторы [ 1 ] . Устройство не сохраняет точностные характеристики при изменении параметров электрорадиоэлементов (ЭРИ), например, из-за старения, или других дестабилизирующих факторов.

Известны устройства для измерения давления [ 2, 3 ] , содержащие тензорезисторные мостовые датчики давления, источники питания и измерительные блоки. Однако эти устройства также не обеспечивают сохранение точностных характеристик при изменении параметров ЭРИ источников питания и измерительных блоков в условиях воздействия различных дестабилизирующих факторов, в том числе, например, старения ЭРИ.

Известно также устройство [4] , содержащее тензорезисторный измерительный преобразователь, блок питания и измерительный блок с дифференциальными входами, в котором для учета изменений параметров цепей связи блок питания чувствительного элемента выполнен в виде стабилизатора тока. И это устройство не свободно от недостатка, заключающегося в понижении точности из-за изменения параметров ЭРИ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, например, температуры окружающей среды, или старения ЭРИ в течение срока службы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство [5] , содержащее тензометрические преобразователи, измерительный блок, включенные между ними коммутаторы и связанный с ними блок управляющих сигналов. Но и это устройство не сохраняет точностные характеристики в условиях воздействия различных дестабилизирующих факторов из-за изменения параметров ЭРИ измерительного блока.

Цель изобретения - повышение точности контроля.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем тензометрические преобразователи, измерительный блок, включенные между ними коммутаторы и связанный с ними блок управляющих сигналов, по крайней мере два из указанных преобразователей выполнены в виде имитаторов сигналов с параметрами эквивалентного четырехполюсника, аналогичными измерительному преобразователю. При этом выходной сигнал одного из имитаторов устанавливается равным выходному сигналу тензорезисторного измерительного преобразователя при первом опорном значении измеряемой физической величины, а выходной сигнал второго имитатора устанавливается равным выходному сигналу тензорезисторного измерительного преобразователя при втором опорном значении измеряемой физической величины, первое и второе опорные значения могут быть выбраны любыми, не совпадающими между собой значениями из диапазона возможных изменений измеряемой физической величины.

Кроме того, с целью упрощения схемы и повышения технологичности, каждый имитатор мостового измерительного преобразователя может быть выполнен на пяти резисторах, один из которых общий, с каждым из выводов этого резистора соединены попарно последовательно остальные резисторы, вторые выводы которых из разных пар являются входами питания и сигнальными выходами.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема имитатора мостового измерительного преобразователя.

Устройство содержит тензорезисторный измерительный преобразователь 1, выполненный по мостовой схеме, измерительный блок 2 с дифференциальными входами, блок 3 питания, выполненный в виде стабилизатора тока, имитаторы 4 и 5 тензорезисторного измерительного преобразователя, коммутаторы 6,7,8, блок 9 управляющих сигналов и общую шину 10.

Каждый из имитаторов 4 и 5 может быть собран по схеме фиг. 2 на резисторах 11-15. Параметры резисторов определяются параметрами тензорезисторного мостового измерительного преобразователя, при этом сопротивление резистора 11 определяет уровень выходного сигнала, сумма сопротивлений резисторов 11,12,14 должна быть равна сопротивлению мостового измерительного преобразователя по диагонали питания, а сумма сопротивлений резисторов 11,13,15 должна быть равна сопротивлению мостового измерительного преобразователя по диагонали выходного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Тензорезисторный измерительный преобразователь 1 и имитаторы 4,5 поочередно подключаются к блоку 3 питания коммутатором 6 и к дифференциальным входам измерительного блока 2 коммутаторами 7 и 8. Одновременность и последовательность срабатывания коммутаторов 6,7,8 определяется блоком 9 управляющих сигналов.

Процесс измерения состоит из трех тактов. В первом такте к блоку 3 питания и к измерительному блоку 2 подключается имитатор 4, вырабатывающий сигнал, равный выходному сигналу тензорезисторного измерительного преобразователя при первом опорном значении измеряемой физической величины, во втором - имитатор 5, вырабатывающий сигнал, равный выходному сигналу тензорезисторного измерительного преобразователя при втором опорном значении измеряют физической величины, в третьем - тензорезисторный измерительный преобразователь 1, при этом сигналы на выходе измерительной цепи имеют соответственно следующие значения: U₁= KI Δ R₁; U₂= KI Δ R₂; U_g= KI Δ R_g, где U₁, U₂, U_g - сигналы на выходе измерительной цепи в первом, во втором и третьем тактах измерения, соответственно; К - коэффициент передачи измерительной цепи; I - ток питания, обеспечивается блоком 3 питания (стабилизатором тока) неизменным в течение этих тактов измерения (в течение одного цикла измерения); Δ R₁, Δ R₂ - абсолютные изменения сопротивления тензорезисторного измерительного преобразователя при первом и втором опорных значениях измеряемой физической величины, устанавливаемые резисторами 11 на имитаторах 4 и 5, соответственно. Обеспечиваются неизменными в течение всего срока службы устройства применением прецизионных термостабильных резисторов. Опорные значения измеряемой физической величины выбираются не совпадающими между собой любыми из диапазона изменений этой физической величины; Δ R_g - абсолютное изменение сопротивления тензорезисторного измерительного преобразователя, по которому определяется значение измеряемой физической величины.

Учитывая, что в течение одного цикла измерения ток питания I и коэффициент К передачи измерительной цепи устройства остаются неизменными, результат измерения абсолютного изменения сопротивления тензорезисторного измерительного преобразователя подсчитывается по формуле ΔR_g= ΔR₂+ (U_g-U₂).

Если для измерений используется линейный участок характеристики тензорезисторного измерительного преобразователя, то результат измерения подсчитывается по формуле
P_g= P₂+ (U_g-U₂),
где P_g - измеряемая физическая величина,
Р₁, Р₂ - первое и второе опорные значения измеряемой физической величины, на которые проведена настройка имитаторов 4 и 5 тензорезисторного измерительного преобразователя.

Таким образом, результат измерения не имеет составляющей, содержащей значение тока 1 питания и коэффициента К передачи измерительной цепи, снижающей его точность, которая имеет место в известном устройстве.

В предложенной схеме имитатора выходной сигнал определяется сопротивлением только резистора 11, а не разностью всех резисторов, как в мостовой схеме, и, следовательно, исключается необходимость применения сверхпрецизионных резисторов и кропотливой настройки их, что повышает технологичность устройства и обеспечивает сохранение точностных характеристик в течение всего срока службы.

(56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1610328, кл. G 01 L 9/04, G 01 B 7/18.

2. Виглеб Г. Датчики Пер. с нем. -М. : Мир, 1989. рис. 3.2.1, 3.3.1.

3. Ильинская Л. С. , Подмарьков А. Н. Полупроводниковые тензодатчики. -М. -Л. : Энергия, 1966, (Библиотека по автоматике, вып. 189). Рис. 38.

4. Комплекс полупроводниковых тензорезисторных измерительных преобразователей "Сапфир" (В. Л. Кенигсберг, В. М. Стучебников, В. И. Сердюков и др. - Измерительная техника, 1978, N 10, с. 84-86.

5. Эрлер В. , Вальтер Л. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами, Пер. с нем. -М. : Мир, 1974, стр. 208-214.

Формула изобретения

1. ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее тензометрические преобразователи, измерительный блок, включенные между ними коммутаторы и связанный с ними блок управляющих сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля деформаций, по крайней мере два из указанных преобразователей выполнены в виде имитаторов сигналов с параметрами эквивалентного четырехполюсника, аналогичными измерительному преобразователю.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый имитатор выполнен на пяти резисторах, один из которых общий, с выводами которого остальные резисторы соединены попарно последовательно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2