Тензометрическое устройство

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для дистанционного экспрессного контроля качества наклеивания тензорезисторов (ТР) на объекты тензометрирования. Поверяемый и образцовый ТР образуют внешний полумост четырехплечего измерительного моста тензометрического устройства (ТУ), работающего на постоянном токе. Имеется также второй источник постоянного тока в виде батареи конденсаторов, электронного ключа и блока управления, образующих источник импульсного тока, который по команде генератора пускового импульса "Пуск" осуществляет одновременный импульсный нагрев обоих ТР. В случае плохого качества наклеивания проверяемого ТР его тестовый перегрев к моменту окончания тестового импульса будет больше тестового перегрева образцового ТР. Вызванный этим тестовый разбаланс измерительного моста обнаруживается амплитудным селектором совместно с датчиком тестового тока, блоком запирания амплитудного селектора и блоком логики и индицируется электрооптическими индикаторами как удовлетворительное или неудовлетворительное качество наклеивания. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим измерениям, и предназначено для дистанционного экспрессного контроля качества наклеивания тензорезисторов (ТР) на объекты тензометрирования. Под объектами тензометрирования понимаются любые объекты, в которых должны быть измерены неизвестные деформации, возникающие в этих объектах при силовом воздействии на них.

Известно устройство для измерения напряжения в частях машин, содержащее датчики деформаций в виде сельсинов, устанавливаемые на поверхности объектов тензометрирования, фазосдвигающие устройства, демодуляторы, фильтры низких частот, схемы сложения выходных сигналов датчиков деформации и демодуляторов и усилители выходных сигналов датчиков [1] Недостатком этого устройства является невозможность использования в нем датчиков деформации в виде ТР.

Наиболее близким к предлагаемому (прототипом) является тензостанция, содержащая четырехплечий измерительный мост (ИМ), выполненный на двух ТР измерительном и компенсационном и двух балансировочных резисторах, подключенный к одной его диагонали источник питания постоянного или переменного тока и подключенные к его второй диагонали и соединенные последовательно усилитель выходного сигнала ИМ и измеритель выходного напряжения [2] Недостатком этой тензостанции является то, что она не может контролировать качество наклеивания ТР на объекты тензометрирования.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей тензометрического устройства путем обеспечения экспрессного и точного объективного контроля качества наклеивания ТР на объекты тензометрирования.

Для этого тензометрическое устройство (ТУ), содержащее четырехплечий ИМ, выполненный на двух ТР измерительном и компенсационном, и двух балансировочных резисторах, подключенный к одной его диагонали источник питания постоянного тока и подключенные к его второй диагонали и соединенные последовательно усилитель постоянного тока и измеритель выходного напряжения, снабжено источником импульсного тока, включающим в себя второй источник питания постоянного тока, присоединенную к нему параллельно батарею конденсаторов и управляемый электронный ключ, нормально разомкнутые контакты которого включены в линию связи между одноименными полюсами обоих источников питания, другие полюса которых соединены между собой, генератором пускового импульса, присоединенным к его выходу блоком управления, первый выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа, амплитудным селектором, первый вход которого соединен с выходом усилителя постоянного тока, блоком запирания амплитудного селектора, первый вход которого соединен с вторым выходом блока управления, а выход с вторым входом амплитудного селектора, датчиком импульсного напряжения питания измерительного моста, вход которого подключен к диагонали питания измерительного моста, а выход соединен с вторым входом блока запирания амплитудного селектора, двумя электрооптическими индикаторами и блоком логики с двумя выходами, первый вход которого соединен с выходом амплитудного селектора, первый выход соединен с первым электрооптическим индикатором, а второй вход этого блока предназначен для подачи сигнала гашения второго электрооптического индикатора, причем компенсационный тензорезистор имеет образцовое качество наклеивания.

Данная совокупность отличительных признаков обеспечивает расширение функциональных возможностей тензометрического устройства, а именно обеспечивает экспрессный и точный объективный контроль качества наклеивания проверяемого ТР на объект тензометрирования.

На чертеже изображена фунциональная схема предлагаемого ТУ.

ТУ содержит внешний и внутренний полумосты 1 и 2, в совокупности образующие четырехплечий измерительный мост 3, первый источник питания постоянного тока 4, электронный ключ 5, батарею конденсаторов 6, второй источник питания постоянного тока 7, усилитель постоянного тока 8, измеритель выходного напряжения 9, генератор пускового импульса 10, блок управления 11, амплитудный селектор 12, блок запирания амплитудного селектора 13, датчик импульсного напряжения питания измерительного моста 14, блок логики 15 и первый и второй электрооптические индикаторы 16 и 17 соответственно.

Внешний полумост 1 состоит из двух последовательно соединенных ТР, взятых из одной партии ТР. Один ТР наклеен на объект тензометрирования для измерения его деформации, другой ТР является компенсационным. Измерительный ТР в дальнейшем будет называться проверяемым ТР (на чертеже R_пр), поскольку предлагаемое ТУ предназначено для контроля качества наклеивания именно этого ТР. Компенсационный ТР должен быть наклеен на испытательную балочку из того же материала, что и объект тензометрирования, тем же клеем и по той же технологии, что и проверяемый ТР; испытательная балочка подвергается механическим испытаниям для определения качества наклеивания на нее ТР. Тензорезистор, качество наклеивания которого на испытательную балочку признано удовлетворительным по результатам механических испытаний, в дальнейшем будет называться образцовым ТР (на чертеже Rобр).

Внутренний полумост 2 состоит из двух последовательно включенных балансировочных резисторов, сопротивление каждого из которых выбирается не менее чем в 50 раз больше сопротивлений ТР внешнего полумоста. Это необходимо для того, чтобы тестовый перегрев элементов внутреннего полумоста был бы пренебрежимо мал по сравнению с тестовым перегревом ТР внешнего полумоста.

Внешний и внутренний полумосты соединяются параллельно и в совокупности образуют четырехплечий ИМ 3.

Первый источник питания постоянного тока 4 подключен параллельно обоим полумостам и имеет свойства генератора ЭДС для обеспечения независимости выходного сигнала ИМ от значения начальных сопротивлений проверяемого и образцового ТР. Его напряжение может регулироваться в необходимых пределах. Оно выбирается таким, чтобы в цепи обоих ТР протекал измерительный ток, нормированный техническими условиями на ТР и не вызывающий заметного нагрева ТР, наклеенных на конкретный материал, обычно порядка 1,5-6. Эту регулировку выполняют при каждом переходе на другой тип ТР, клея и материала объекта тензометрирования. Источник питания 4 имеет защиту от тестового перенапряжения со стороны выходных зажимов.

Батарея конденсаторов постоянного тока 6 подключена параллельно второму источнику питания постоянного тока 7 и служит для накопления тестовой энергии. Емкость батареи назначается из соотношения, справедливого для случая R_пм ≥ 50R_пр, где Rпм сопротивление одного плеча внутреннего полумоста C ≥ , где τ_и длительность тестового импульса тока; R_пр номинальное сопротивление ТР; δ погрешность, обусловленная нестабильностью тестового напряжения на ИМ в течение тестового импульса, назначаемая экспериментально не более 0,1 (т. е. 10%).

Второй источник питания постоянного тока 7 имеет свойства генератора ЭДС. Его напряжение может регулироваться в необходимых пределах. Оно выбирается из условия достижения желаемого тестового перегрева образцового ТР к моменту окончания тестового импульса тока, но при этом тестовый перегрев не должен превышать температуры, допустимой одновременно и для самого ТР, и для клея, и для материала объекта тензометрирования. Это напряжение заранее подбирается экспериментально, обычно в пределах 15-120 В.

Электронный ключ 5 является нормально разомкнутым ключом и имеет один вход и один выход. В замкнутое состояние ключ переводится электрическим сигналом "Логическая 1", поступающим на его вход с первого выхода блока управления 11. Длительность замкнутого состояния равна длительности входного сигнала и в момент его окончания ключ 5 снова переходит в нормально-разомкнутое состояние. Выход ключа включен в разрыв линии связи между одноименными полюсами источников питания 4 и 7.

Батарея конденсаторов 6, второй источник питания постоянного тока 7 и ключ 5 в совокупности образуют источник импульсного тока, подключаемый к диагонали питания ИМ на время τ_и.

Усилитель постоянного тока 8 имеет один вход, подключенный к измерительной диагонали ИМ 3, и один выход, а так же органы балансировки нуля. Выход усилителя связан с измерителем выходного напряжения 9 и с первым входом амплитудного селектора 12. Усилитель служит для повышения уровня выходного сигнала ИМ до уровня селекции амплитудного селектора 12. Усилитель имеет высокоомный вход для того, чтобы ИМ работал в режиме холостого хода, так как это есть одно из условий обеспечения независимости выходного сигнала ИМ от величины сопротивления ТР. Коэффициент усиления может регулироваться в необходимых пределах и подбирается экспериментально для каждого типа ТР, клея, материала объекта тензометрирования и тестового напряжения. Балансировку нуля усилителя выполняют по мере надобности.

Измеритель выходного напряжения 9 связан с выходом усилителя 8. Он индицирует состояние баланса ИМ, а так же знак (направление) и величину его разбаланса при использовании ТУ по своему обычному значению для измерения деформационных изменений сопротивлений ТР.

Генератор пускового импульса 10 имеет один вход и один выход. На вход подается сигнал "Пуск". Выход соединен с входом блока управления 11. Генератор 10 вырабатывает одиночный прямоугольный импульс напряжения уровня "Логическая 1" длительностью τ_и, выбираемой по авт.св. СССР N 1293475, кл. G 01 B 7/18, которая и определяет длительность тестового импульса тока в ТР внешнего полумоста 1. Регулировку длительности тестового тока, порядка 3-15 мс, выполняют при первоначальной регулировке тензометрического устройства.

Блок управления 11 имеет один вход и два выхода. К входу подается сигнал "Логическая 1" длительностью τ_и с выхода генератора 10. При этом на обоих выходах блока 11 формируются прямоугольные импульсы напряжения уровня "Логическая 1" длительностью также τ_и. Первый выход блока 11 гальванически разделен с его входом и с вторым выходом и связан с входом электронного ключа 5. Второй выход блока 11 соединен с первым входом блока запирания амплитудного селектора 13. Время срабатывания блока 11 по первому выходу больше времени срабатывания по второму выходу. Это необходимо для того, чтобы амплитудный селектор 12 запирался раньше, чем замыкался бы электронный ключ 5. До и после окончания входного сигнала блока 11 на его выходах сигналы "Логический 0".

Амплитудный селектор 12 имеет два входа и один выход. Первый вход (сигнальный) связан с выходом усилителя 8, второй вход (управляющий) связан с выходом блока запирания амплитудного селектора 13. Выход соединен с первым входом блока логики 15. Уровень селекции задается конструктивно. Амплитудный селектор наряду с выполнением функции амплитудной селекции преобразует аналоговый сигнал, подаваемый на первый вход, в дискретные сигналы напряжения уровня "Логическая 1" или "Логический 0".

Алгоритм работы селектора следующий.

Когда на управляющий вход подан сигнал "Логическая 1", селектор заперт по сигнальному входу и формирует на своем выходе сигнал напряжения уровня "Логическая 1" независимо от величины сигнала на сигнальном входе. Когда на управляющий вход подан сигнал "Логический 0", то если аналоговый сигнал на первом входе меньше уровня селекции, на выходе селектора сигнал "Логическая 1" а если аналоговый сигнал на первом входе равен или больше уровня селекции, то на выходе селектора сигнал "Логический 0".

Блок запирания амплитудного селектора 13 имеет два входа и один выход. Первый вход связан с вторым выходом блока управления 11, второй вход связан с выходом датчика импульсного напряжения питания ИМ 14, выход связан с вторым входом амплитудного селектора 12. Блок 13 вырабатывает выходной сигнал напряжения уровня "Логическая 1" с момента начала переднего фронта выходного сигнала второго выхода блока 11 до момента окончания выходного сигнала датчика 14. В остальное время на выходе блока 13 сигнал "Логический 0".

Датчик импульсного напряжения питания ИМ 14 имеет один вход и один выход. Вход датчика высокоомный, он включен в диагональ питания ИМ, выход соединен с вторым входом блока запирания амплитудного селектора 13. Вход и выход датчика 14 гальванически разделены. Датчик вырабатывает прямоугольный выходной сигнал напряжения уровня "Логическая 1", начиная с момента поступления в диагональ питания ИМ тестового напряжения до момента его реального исчезновения. В остальное время на выходе датчика "Логический 0".

Блок логики 15 имеет два входа и два выхода. Первый вход связан с выходом амплитудного селектора 12. Первый и второй выходы связаны соответственно с первым 16 и вторым 17 электрооптическими индикаторами. На второй вход блока логики 15 подается сигнал "Гашение".

Алгоритм работы блока логики следующий.

Когда на первом входе сигнал "Логическая 1", на первом выходе сигнал "Логическая 1", на втором "Логический 0". Когда на первом входе хотя бы на мгновение появляется сигнал "Логический 0", на первом выходе сигнал "Логический 0", а на втором "Логическая 1", причем такое распределение состояний обоих выходов сохраняется неограниченно долго и после того, как на первом входе сигнал "Логический 0" сменится сигналом "Логическая 1".

После того как на первом входе снова появится сигнал "Логическая 1", изменение состояний обоих выходов блока логики на противоположное, которое соответствует и режиму подготовки тензометрического устройства к осуществлению контроля качества наклеивания, и удовлетворительному качеству наклеивания, осуществляется подачей сигнала "Гашение" на второй вход блока логики. По этому сигналу, если на первом входе "Логическая 1", на первом выходе будет "Логическая 1", на втором выходе будет "Логический 0"; если на первом входе "Логический 0", то сигнал "Гашение" не изменит состояний обоих выходов блока логики.

Электрооптические индикаторы 16 и 17 имеют по одному входу и по одному выходу. Вход каждого индикатора соединен с соответствующим выходом блока логики 15. Выходы индикаторов оптические, разного цвета, например, зеленого цвета у индикатора 16 и красного у индикатора 17. Высвечивание зеленого индикатора после подачи сигнала "Пуск" на вход блока 10 означает удовлетворительное качество наклеивания проверяемого ТР. Высвечивание красного индикатора после подачи сигнала "Пуск" на вход блока 10 означает неудовлетворительное качество наклеивания проверяемого ТР, причем высвечивание вспыхнувшего красного индикатора осуществляется неограниченно долго, чтобы оператор не мог бы не заметить отрицательный результат проверки качества наклеивания. Красный индикатор гасится подачей сигнала "Гашение" на второй вход блока логики.

ТУ в режиме контроля качества наклеивания ТР работает следующим образом.

Помещают испытательную балочку с образцовым ТР в те же температурные условия, в которых находится проверяемый ТР на объекте тензометрирования, и выдерживают ее в этих условиях в течение времени, необходимого для выравнивания температур обоих ТР.

Соединяют проверяемый и образцовый ТР с внутренним полумостом и образуют четырехплечий ИМ.

Балансируют ИМ, состояние баланса определяют по измерителю выходного напряжения 9.

Если после выполнения операции балансировки ИМ горит красный индикатор 17, он гасится подачей сигнала "Гашение", при этом загорается зеленый индикатор 16.

Подается сигнал "Пуск". По этому сигналу генератор 10 вырабатывает одиночный прямоугольный импульс длительностью τ_и. Передний фронт этого импульса через блоки 11 и 13 запирает амплитудный селектор 12, а уже затем переводит ключ 5 в замкнутое состояние, вследствие чего к ИМ прикладывается тестовый импульс напряжения длительностью τ_и, а батарея конденсаторов 6 разряжается на ИМ. По последовательно соединенным проверяемому ТР и образцовому ТР протекает один и тот же тестовый ток, нагревающий оба ТР. Хотя тестовый ток и одинаков в обоих ТР, тестовый перегрев каждого из них будет, в общем случае, различен, так как он еще зависит от контактного термического сопротивления системы ТР клей поверхность объекта тензометрирования. Наименьшее контактное термическое сопротивление обычно характерно для образцового ТР, поэтому его тестовый нагрев будет меньше. Дефекты наклейки большая толщина слоя клея, наличие в нем пузырьков воздуха и посторонних включений, наличие непроклеенных участков и т.п. затрудняют отток тестовой теплоты от ТР, поэтому тестовый перегрев недостаточно доброкачественно наклеенного проверяемого ТР будет больше, чем образцового ТР. К моменту окончания тестового нагрева тестовый перегрев каждого ТР будет максимален, соответственно изменятся и их сопротивления, вследствие чего разбаланс ИМ будет максимальным.

В течение всего времени, пока на ИМ подается тестовое напряжение, датчик 14 вырабатывает на своем выходе сигнал "Логическая 1", который поддерживает амплитудный селектор 12 в запертом состоянии.

В момент окончания прямоугольного пускового импульса длительность τ_и на выходе генератора 10 в первую очередь спадет до нуля выходной сигнал на первом выходе блока 11, запиравший амплитудный селектор, но амплитудный селектор не отпирается, потому что датчик 14 поддерживает амплитудный селектор в запертом состоянии; затем ключ 5 переходит в нормально-разомкнутое состояние, тестовое напряжение на ИМ пропадает, тестовый ток в обоих ТР прекращается, батарея конденсаторов 6 начинает подзаряжаться от источника питания 7. В тот момент времени, когда на ИМ реально исчезнет тестовое напряжение, датчик 14 через блок 13 отпирает амплитудный селектор 12.

Если в этот момент, т.е. сразу после окончания тестового тока, тестовый перегрев проверяемого ТР равен тестовому перегреву образцового ТР, то ИМ останется сбалансированным, а если тестовый перегрев проверяемого ТР больше тестового перегрева образцового ТР, то баланс ИМ нарушится и на выходе усилителя 8 появится усиленный сигнал разбаланса ИМ.

Когда сигнал на выходе усилителя 8 равен нулю или меньше уровня селекции амплитудного селектора, на выходе отпертого амплитудного селектора будет сигнал "Логическая 1", вследствие чего продолжает гореть зеленый индикатор 16, что означает удовлетворительное качество наклеивания проверяемого ТР.

Когда сигнал на выходе усилителя 8 равен или превышает уровень селекции, на выходе отпертого амплитудного селектора появляется сигнал "Логический 0", вследствие чего гасится зеленый индикатор 16 и вспыхивает красный индикатор 17, что означает неудовлетворительное качество наклеивания проверяемого ТР.

Вспыхнувший красный индикатор 17 будет гореть до тех пор, пока он не будет принудительно погашен сигналом "Гашение". После этого ТУ может использоваться для проверки таким же образом качества наклеивания следующего проверяемого ТР.

В предлагаемом ТУ тестовый нагрев проверяемого ТР одновременно с тестовым нагревом образцового ТР и одинаковым тестовым током обеспечивается батареей конденсаторов, вторым источником питания постоянного тока, заряжающим батарею конденсаторов, электронным ключом, генератором пускового импульса, выполнением компенсационного ТР в виде образцового ТР, последовательным соединением обоих ТР, а констатация факта доброкачественности наклеивания проверяемого ТР обеспечивается амплитудным селектором, блоком логики и электрооптическими индикаторами.

Экспрессность контроля качества наклеивания обеспечивается электронным ключом, батареей конденсаторов, генератором пускового импульса, амплитудным селектором, блоком логики и электрооптическими индикаторами.

Точность и объективность контроля качества наклеивания обеспечивается генератором пускового импульса, блоком управления, датчиком импульсного напряжения питания ИМ, амплитудным селектором, блоком запирания амплитудного селектора и выполнением компенсационного ТР в виде образцового ТР.

Формула изобретения

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее четырехплечий измерительный мост, выполненный на двух тензорезисторах, измерительном и компенсационном, и двух балансировочных резисторах, подключенный к одной его диагонали источник питания постоянного тока и подключенные к его второй диагонали и соединенные последовательно усилитель постоянного тока и измеритель выходного напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено источником импульсного тока, включающим в себя второй источник питания постоянного тока, присоединенную к нему параллельно батарею конденсаторов и управляемый электронный ключ, нормально разомкнутые контакты которого включены в линию связи между одноименными полюсами обоих источников, другие полюса которых соединены между собой, генератором пускового импульса, присоединенным к его выходу блоком управления, первый выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа, амплитудным селектором, первый вход которого соединен с выходом усилителя постоянного тока, блоком запирания амплитудного селектора, первый вход которого соединен с вторым выходом блока управления, а выход с вторым входом амплитудного селектора, датчиком импульсного напряжения питания измерительного моста, вход которого подключен к диагонали питания измерительного моста, а выход соединен с вторым входом блока запирания амплитудного селектора, двумя электрооптическими индикаторами и блоком логики с двумя входами и двумя выходами, первый вход которого соединен с выходом амплитудного селектора, первый выход с первым электрооптическим индикатором, второй выход с вторым электрооптическим индикатором, а второй вход блока предназначен для подачи сигнала гашения второго электрооптического индикатора, причем компенсационный тензорезистор имеет образцовое качество наклеивания.

РИСУНКИ

Рисунок 1