Измерительный преобразователь на несущей частоте
Владельцы патента RU 2396511:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: преобразователь на несущей частоте, управляемый от компьютера через системную магистраль, содержит измерительный мост, программируемый задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты с автоматической стабилизацией амплитуды, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, предварительный усилитель несущей частоты, демодулятор, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, активный фильтр нижних частот с программно-изменяемыми частотами среза, программно-управляемые балансировочное устройство, устройство калибровки и устройство управления режимами работы преобразователя, выходной усилитель постоянного напряжения с программируемым коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь. Технический результат: автоматизированный выбор частоты и уровня синусоидального напряжения несущей частоты задающего генератора и частоты и уровня напряжения питания измерительного моста; автоматическая стабилизация амплитуды напряжения питания измерительного моста, расширение и автоматизированный выбор диапазона частот измеряемого сигнала; автоматизированная балансировка измерительного канала - компенсация сдвига сигнала за счет разброса активных и реактивных параметров измерительного моста и соединительных кабелей; автоматизированное управление режимами работы измерительного канала. 1 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения статических и динамических деформаций, сил, давлений, перемещений и других физических параметров с помощью тензорезисторных, индуктивных и других датчиков, собранных по мостовой схеме.
Известна тензометрическая аппаратура на несущей частоте для измерения статических и динамических деформаций с помощью тензорезисторов, включенных по мостовой схеме (см. Н.И. Морозов. Тензометрическая аппаратура для исследования авиационных конструкций. Труды ЦАГИ им. проф. Н.Е.Жуковского, 1961 г. Выпуск 837, с.42). Измерительный мост питается от генератора несущей частоты, в результате деформации тензодатчика на выходе измерительного моста появляется сигнал в виде модулированного напряжения несущей частоты. После усиления усилителем сигнал детектируется демодулятором, фильтруется фильтром и подается на устройство регистрации. Для предварительного уравновешивания измерительного моста предусмотрено балансировочное устройство, для калибровки измерительного канала - калибровочное устройство. Основные узлы аппаратуры питаются от блока питания. Аппаратура позволяет измерять динамические и статические сигналы, осуществлять омическую и фазовую балансировку и калибровку каждого измерительного моста.
К недостаткам известной аппаратуры на несущей частоте относятся:
- фиксированная несущая частота (8000 Гц);
- ограниченный частотный диапазон измеряемых сигналов (от 0 до 1000 Гц);
- аналоговый выход аппаратуры;
- значительная погрешность от изменения напряжения питания (±1,0%-±1,5%);
- значительная предельная погрешность измерения (2,5%-3,5%);
- ручное управление режимами работы и балансировкой измерительных каналов.
Наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению, принятому за прототип, является тензометрическая аппаратура на несущей частоте, предназначенная для измерения статических и динамических деформаций, сил, давлений и других физических величин, преобразованных с помощью датчиков в электрические сигналы (Ш.А.Галиаскаров, Б.И.Дмитриев, М.А.Носкова, Г.В.Родзевич, Г.И.Слепников, Н.И.Морозов. Тензометрическая аппаратура 8АНЧ-23. Приборы и системы управления. 1985, №9, с.25).
Аппаратура содержит задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты, усилитель мощности для питания измерительных мостов, усилитель несущей частоты УНЧ, включающий предварительный усилитель, демодулятор, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное для управления демодулятором, фильтр нижних частот, устройство выделения динамической составляющей УВД, выходной усилитель постоянного напряжения УПТ, балансировочные устройства, устройство контроля чувствительности (калибровки), аттенюатор входного сигнала. Питание измерительных мостов и напряжение на вход УНЧ подаются через трансформаторы. Балансировочные устройства включаются последовательно в цепь измерительной диагонали. Измеряемые сигналы через трансформатор, аттенюатор и предварительный усилитель подаются на демодулятор, на выходе которого включены фильтр и устройство выделения динамической составляющей. Узлы УВД и УПТ с аттенюаторами в цепях обратной связи обеспечивают дополнительное усиление сигнала в 2,5; 5 и 10 раз. В УНЧ применены двухзвенные П-образные LC-фильтры нижних частот, обеспечивающие на несущей частоте 8 кГц равномерную АЧХ и близкую к линейной ФЧХ до 1,5 кГц, а на несущей 20 кГц - до 5 кГц.
Управление режимами работы аппаратуры ручное. Предусмотрена возможность управления от компьютера через дополнительный интерфейсный блок.
Существенными признаками, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются: наличие задающего генератора синусоидального напряжения несущей частоты, усилителя мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, предварительного усилителя несущей частоты, демодулятора, преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное для управления демодулятором, фильтра нижних частот, усилителя постоянного напряжения, балансировочного устройства, устройства контроля чувствительности (калибровки), устройства управления режимами работы измерительного канала.
К недостаткам прототипа относятся:
- фиксированные частоты задающего генератора синусоидального напряжения несущей частоты и напряжения питания измерительного моста (10 кГц или 20 кГц);
- отсутствие стабилизации напряжения питания измерительного моста;
- фиксированные диапазоны частот измеряемых сигналов (1,5 кГц или 5 кГц);
- ручная балансировка и ручное управление режимами работы измерительного канала;
- отсутствие преобразования аналогового сигнала в кодовый эквивалент;
- отсутствие связи с управляющим компьютером.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения являются:
- автоматизированный выбор частоты и уровня синусоидального напряжения несущей частоты задающего генератора и соответственно частоты и уровня напряжения питания измерительного моста;
- автоматическая стабилизация амплитуды напряжения питания измерительного моста;
- расширение и автоматизированный выбор диапазона частот измеряемого сигнала;
- автоматизированная балансировка измерительного канала;
- автоматизированное управление режимами работы измерительного канала;
- преобразование аналогового сигнала в кодовый эквивалент;
- наличие связи измерительного канала с управляющим компьютером.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в измерительном преобразователе на несущей частоте, содержащем измерительный мост, задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, предварительный усилитель несущей частоты, демодулятор, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, фильтр нижних частот, усилитель постоянного напряжения, балансировочное устройство, устройство калибровки и устройство управления режимами работы преобразователя, балансировочное устройство содержит два цифровых потенциометра фазовой и омической балансировки сигнала, выполненных программно-управляемыми, делитель напряжения и буферный усилитель, дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь для получения кодового эквивалента аналогового сигнала, дешифратор команд управления, системная магистраль, компьютер, источник опорного эталонного напряжения и устройство стабилизации и переключения уровня напряжения питания измерительного моста, содержащее буферный усилитель, детектор, сумматор и переключатель уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения, при этом выход задающего генератора синусоидального напряжения несущей частоты, выполненного программно-управляемым, соединен с усилителем мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, а также с преобразователем синусоидального напряжения в прямоугольное, выход усилителя мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением соединен с диагональю питания измерительного моста, аналоговый управляющий вход задающего генератора синусоидального напряжения несущей частоты соединен с выходом сумматора, один из входов которого соединен с переключателем уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения, второй вход сумматора соединен с диагональю напряжения питания измерительного моста через детектор и буферный усилитель, вход предварительного усилителя несущей частоты соединен с измерительной диагональю моста через устройство управления режимами работы преобразователя, измерительный вход которого соединен с измерительной диагональю моста, калибровочный вход устройства управления режимами работы преобразователя соединен через устройство калибровки с диагональю питания измерительного моста, нулевой вход устройства управления режимами работы преобразователя соединен с общей шиной преобразователя, вход опорного напряжения предварительного усилителя несущей частоты соединен с выходом цифрового потенциометра фазовой балансировки сигнала, вход которого соединен с выходом цифрового потенциометра омической балансировки сигнала, вход которого соединен с диагональю питания измерительного моста через делитель напряжения и буферный усилитель, выход предварительного усилителя несущей частоты соединен с входом демодулятора, выход которого соединен с входом активного фильтра нижних частот с программно-переключаемыми частотами среза, выход фильтра соединен с усилителем постоянного напряжения с программно-переключаемым коэффициентом усиления, выход усилителя постоянного напряжения соединен с аналого-цифровым преобразователем, вход опорного напряжения которого соединен с источником опорного эталонного напряжения, при этом выход преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное, управляющие цифровые входы задающего генератора синусоидального напряжения несущей частоты, устройства управления режимами работы преобразователя, переключателя уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения, цифровых потенциометров фазовой и омической балансировки сигнала, демодулятора, активного фильтра нижних частот, усилителя постоянного напряжения, а также цифровые входы и выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с системной магистралью и компьютером через дешифратор команд управления.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом.
Измерительный преобразователь на несущей частоте включает измерительный мост 1, задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты 2, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением 3, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное 4, сумматор 5, источник опорного эталонного напряжения 6, переключатель уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения 7, детектор 8, буферный усилитель 9, предварительный усилитель несущей частоты 10, устройства управления режимами работы преобразователя 11, устройство калибровки 12, балансировочное устройство, выведенное из цепи измерительного моста и состоящее из цифрового потенциометра фазовой балансировки сигнала 13, цифрового потенциометра омической балансировки сигнала 14, делителя напряжения питания измерительного моста 15, буферного усилителя 16, демодулятор 17, активный фильтр нижних частот с программно-переключаемыми частотами среза 18, усилитель постоянного напряжения с программно-переключаемым коэффициентом усиления 19, аналого-цифровой преобразователь для получения кодового эквивалента аналогового сигнала 20, дешифратор команд управления 21, системную магистраль 22, компьютер 23. Буферный усилитель 9, детектор 8, сумматор 5, переключатель уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения 7 образуют устройство стабилизации и переключения уровня напряжения питания измерительного моста.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.
Напряжение несущей частоты синусоидальной формы устанавливается в задающем генераторе (синтезаторе) частоты 2 кодом, поступающим на управляющий вход генератора от компьютера 23 через системную магистраль 22 и дешифратор команд управления 21. Диапазон устанавливаемых частот от 1000 Гц до 10000 Гц. Выходное напряжение задающего генератора 2 подается на усилитель мощности 3, который формирует парафазное напряжение для питания измерительного моста 1. Напряжение питания измерительного моста устанавливается на один из двух уровней 10 В или 5 В подачей соответствующего напряжения на аналоговый вход генератора 2 от источника опорного эталонного напряжения 6 через переключатель уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения 7 и сумматор 5.
Для стабилизации амплитуды напряжения питания измерительного моста синусоидальное напряжение с диагонали питания измерительного моста после буферного усилителя 9 выпрямляется детектором 8 и через сумматор 5 поступает на аналоговый вход генератора 2.
В результате, при изменении амплитуды напряжения питания измерительного моста изменяется выходное напряжение задающего генератора 2 и компенсирует отклонение амплитуды напряжения питания измерительного моста.
Измеряемый сигнал UX на несущей частоте с измерительного моста 1 поступает на устройство управления режимами работы 11 преобразователя, усиливается предварительным усилителем несущей частоты 10 и подвергается синхронному детектированию в демодуляторе 17. С помощью устройства управления режимами работы 11 осуществляется выбор между измеряемым сигналом UX, калибровочным сигналом UK и нулевым сигналом общей шины преобразователя U0. Калибровочный сигнал UK формируется из напряжения, поступающего с диагонали питания измерительного моста 1 на устройство калибровки 12. После демодулятора 17 сигнал фильтруется активным фильтром нижних частот 18, передаточная характеристика которого аппроксимирована полиномом Баттерворта 4-го порядка, с программно-переключаемыми от компьютера 23 частотами среза (250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2500 Гц). После фильтра 18 сигнал усиливается усилителем постоянного напряжения 19 с программируемым от компьютера 23 коэффициентом усиления. Усиленный сигнал оцифровывается 16-разрядным аналого-цифровым преобразователем 20, работающим от источника опорного эталонного напряжения 6.
Компенсация сдвига измеряемого сигнала, возникающего за счет разброса активных и реактивных параметров измерительного моста 1 и соединительных кабелей, осуществляется подачей напряжения смещения на вход опорного напряжения предварительного усилителя несущей частоты 10, что позволяет устранить его перегрузку (нелинейный режим работы) при больших уровнях сдвига. Напряжение смещения формируется из напряжения питания измерительного моста 1, поступающего с диагонали питания на буферный усилитель 16, делитель напряжения 15 и далее на два последовательно соединенных цифровых потенциометра, программно-управляемых от компьютера 23. Один из потенциометров 14 компенсирует омический сдвиг сигнала, возникающий из-за разброса активных сопротивлений измерительного моста, другой потенциометр 13 с конденсатором на выходе компенсирует фазовый сдвиг сигнала, возникающий за счет реактивных параметров измерительного моста 1 и соединительных кабелей. Точная компенсация фазового сдвига измерительного тракта преобразователя осуществляется программно смещением фазы сигнала управления (DEL CARR), поступающего на демодулятор 17 от компьютера 23, по отношению к фазе сигнала (CARR), поступающего в компьютер от преобразователя напряжения 4 и сформированного в прямоугольное из синусоидального напряжения задающего генератора 2.
Предлагаемое техническое решение может найти применение в различных областях техники. Таким образом, изобретение соответствует критерию охраноспособности «промышленное применение».
Измерительный преобразователь на несущей частоте, содержащий измерительный мост, задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, предварительный усилитель несущей частоты, демодулятор, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, фильтр нижних частот, усилитель постоянного напряжения, балансировочное устройство, устройство калибровки и устройство управления режимами работы преобразователя, отличающийся тем, что балансировочное устройство содержит два цифровых потенциометра фазовой и омической балансировки сигнала, выполненных программно-управляемыми, делитель напряжения и буферный усилитель, дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь для получения кодового эквивалента аналогового сигнала, дешифратор команд управления, системная магистраль, компьютер, источник опорного эталонного напряжения и устройство стабилизации и переключения уровня напряжения питания измерительного моста, содержащее буферный усилитель, детектор, сумматор и переключатель уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения, при этом выход задающего генератора синусоидального напряжения несущей частоты, выполненного программно-управляемым, соединен с усилителем мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, а также с преобразователем синусоидального напряжения в прямоугольное, выход усилителя мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением соединен с диагональю питания измерительного моста, аналоговый управляющий вход задающего генератора синусоидального напряжения несущей частоты соединен с выходом сумматора, один из входов которого соединен с переключателем уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения, второй вход сумматора соединен с диагональю напряжения питания измерительного моста через детектор и буферный усилитель, вход предварительного усилителя несущей частоты соединен с измерительной диагональю моста через устройство управления режимами работы преобразователя, измерительный вход которого соединен с измерительной диагональю моста, калибровочный вход устройства управления режимами работы преобразователя соединен через устройство калибровки с диагональю питания измерительного моста, нулевой вход устройства управления режимами работы преобразователя соединен с общей шиной преобразователя, вход опорного напряжения предварительного усилителя несущей частоты соединен с выходом цифрового потенциометра фазовой балансировки сигнала, вход которого соединен с выходом цифрового потенциометра омической балансировки сигнала, вход которого соединен с диагональю питания измерительного моста через делитель напряжения и буферный усилитель, выход предварительного усилителя несущей частоты соединен с входом демодулятора, выход которого соединен с входом активного фильтра нижних частот с программно-переключаемыми частотами среза, выход фильтра соединен с усилителем постоянного напряжения с программно-переключаемым коэффициентом усиления, выход усилителя постоянного напряжения соединен с аналого-цифровым преобразователем, вход опорного напряжения которого соединен с источником опорного эталонного напряжения, при этом выход преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное, управляющие цифровые входы задающего генератора синусоидального напряжения несущей частоты, устройства управления режимами работы преобразователя, переключателя уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения, цифровых потенциометров фазовой и омической балансировки сигнала, демодулятора, активного фильтра нижних частот, усилителя постоянного напряжения, а также цифровые входы и выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с системной магистралью и компьютером через дешифратор команд управления.
