ТЕНЗОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ЛЁТНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к тензометрии, и может быть использована в авиационной промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. для исследования прочности конструкций с помощью одиночного тензорезистора в частотном диапазоне 0÷300 Гц при повышенном уровне мешающих факторов - электромагнитных помех и термо эдс.
Известно тензометрическое устройство с одиночным тензорезистором, включенном по трехпроводной схеме, содержащее три пассивных плеча моста, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, аналоговый фильтр, аналого-цифровой преобразователь, цифровой фильтр и блок управления. Пассивные плечи моста выполнены на стабильных резисторах и расположены на плате измерительного канала. Питание тензомоста осуществляется от источника постоянного напряжения. - руководство по эксплуатации системы сбора данных КАМ-500 ACRA control ltd, 2012.
Недостатком устройства является влияние изменения сопротивления проводов линии связи и трех сопротивлений моста на погрешность измерения при изменении температурных условий эксплуатации и низкий уровень помехозащищенности устройства ввиду асимметрии измерительной линии.
Известны устройства с подключением одиночного тензорезистора по четырехпроводной схеме, в которых достигается более полная коррекция погрешностей, вызванных активным сопротивлением проводов соединительной линии. Наилучшие характеристики обеспечиваются при питании тензорезистора от источника постоянного тока. (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ле-нингр. отд-ние, 1988. стр. 78-80, рис. 2.12, 2.13). При использовании двух одинаковых источников тока (или одного взвешенного) и опорного резистора компенсируется начальное значение напряжения на тензорезисторе, но не компенсируются неинформативные составляющие сигнала, в том числе от внешних помех и термо эдс.
Известно тензометрическое устройство, содержащее рабочий тензорезистор и опорный резистор, включенные по четырехпроводной схеме, два двухполярных источника постоянного тока, коммутатор, два дифференциальных усилителя, схему вычитания, масштабный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, вторую схему вычитания, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и схему управления - MIC - 183. Комплекс тензоизмерительный, руководство по эксплуатации. НИИ «МЕРА», 2013.
В устройстве рабочий тензорезистор и опорный резистор возбуждаются каждый от своего источника постоянного тока. Предварительное усиление напряжения с тензорезистора и резистора также осуществляется по отдельным каналам. По единому каналу осуществляется дальнейшее усиление и преобразование только разности предварительно усиленных напряжений тензорезистора и резистора.
В данном устройстве устранено влияние проводов линии связи на точность измерения. Недостатком устройства является невысокая точность измерения при работе в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды из-за различия температурных характеристик источников тока, каналов предварительного усиления тензомоста и резистора и отсутствия средств подавления термо эдс.
Наиболее близким к полезной модели является устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, описанное в патенте RU №2473919 С1, 27.09.2011 г., содержащее тензорезистор, резистор, двухполярный источник тока прямоугольной формы, переключатель, дифференциальный усилитель и схему вычитания, при этом выходы источника тока через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые параллельно резистору, входы дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а выход дифференциального усилителя соединен со входом схемы вычитания, при этом выход схемы вычитания образует выход устройства.
Недостатком устройства является невысокая точность измерения при работе в широком диапазоне частот измеряемого сигнала из-за появления комбинационных искажений.
Недостатки известных тензометрических устройств не обеспечивают точность измерения при летных прочностных испытаниях конструкций из неметаллических и композиционных материалов.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая модель, заключается в повышении точности измерения при летных прочностных испытаниях конструкций из неметаллических и композиционных материалов в широком диапазоне частот измеряемых деформаций.
0
0
0
Для достижения этого технического результата в тензоизмерительную аппаратуру для летных прочностных испытаний конструкций из неметаллических и композиционных материалов, содержащую одиночный тензорезистор Rтр, резистор R, переключатель, дифференциальный усилитель, схему вычитания, двухполярный источник тока прямоугольной формы с выходами, подключенными через нормально замкнутые контакты К1, К4 переключателя параллельно тензорезистору Rтр и через нормально разомкнутые К5, К8 - параллельно резистору R, входами дифференциального усилителя, подключенными через нормально замкнутые контакты К2, К3 параллельно тензорезистору Rтр и через нормально разомкнутые К6, К7 - параллельно резистору R, и выходом дифференциального усилителя соединенным со входом схемы вычитания, дополнительно введены устройство управления, внешний пульт управления, а также последовательно соединенные масштабный усилитель, демодулятор, аналоговый и переключаемый фильтры нижних частот, при этом выход схемы вычитания соединен с первым входом масштабного усилителя, выход переключаемого фильтра нижних частот соединен с первым входом устройство управления, второй вход устройства управления соединен с выходом внешнего пульта управления, аналоговый выход устройства управления соединен со вторым входом масштабного усилителя, цифровые выходы устройства управления соединены с управляющими входами переключателя, входом источника тока, входами внешнего пульта управления, схемы вычитания, масштабного усилителя, демодулятора и переключаемого фильтра нижних частот, причем выход переключаемого фильтра нижних частот является также выходом устройства.
На фиг. 1 показана блок-схема измерительного канала заявляемой 16-ти канальной тензоизмерительной аппаратуры для летных прочностных испытаний конструкций из неметаллических и композиционных материалов.
Блок-схема измерительного канала содержит одиночный тензорезистор Rтр, резистор Ro, двухполярный источник тока прямоугольной формы (10), переключатель (1), дифференциальный усилитель (2), схему вычитания (3). Выходы источника тока через нормально замкнутые контакты К1, К4 переключателя (1) подключены параллельно тензорезистору Rтр и через нормально разомкнутые контакты К5, К8 переключателя (1) подключены параллельно резистору Ro, а входы дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты К2, К3 переключателя (1) параллельно Rтр и через нормально разомкнутые контакты К6, К7 - параллельно резистору Ro переключателя (1).
Кроме того, аппаратура снабжена устройством управления (9), внешним пультом управления (8), а также последовательно соединенными дифференциальным усилителем (2), схемой вычитания (3), масштабным усилителем (4), демодулятором (5), аналоговым (6) и переключаемым (7) фильтрами нижних частот. Первый вход устройства управления (9) соединен с выходом переключаемого фильтра нижних частот (7), второй вход - с выходом внешнего пульта управления (8). Первый цифровой выход устройства управления (9) соединен с управляющими входами переключателя (1), второй выход - со схемой вычитания (3), четвертый выход - с цифровым входом масштабного усилителя (4), пятый выход - с демодулятором (5), шестой выход - с переключаемым фильтром нижних частот (7), седьмой выход - с внешним пультом управления (8), восьмой выход - с двухполярным источником тока прямоугольной формы (10). Третий аналоговый выход устройства управления (9) соединен с инверсным входом масштабного усилителя (4). Выход переключаемого фильтра нижних частот (7) является также выходом тензоизмерительной аппаратуры.
Тензоизмерительная аппаратура работает следующим образом. В процессе летных испытаний тензорезистор Rтр преобразует механические усилия в электрический сигнал, который поочередно измеряется совместно с электрическим сигналом, снимаемым с опорного резистора Ro, по величине равном сопротивлению Rтp и размещаемым на плате измерительного канала. Процесс измерения состоит из четырех тактов. Первый и второй такты проводятся при положительном значении тока источника, третий и четвертый такты - при его отрицательном значении. В первом и третьем тактах входы дифференциального усилителя (2) и выходы источника тока (10) через переключатель (1) (контакты К1-К4 замкнуты, контакты К5-К8 разомкнуты) подключены параллельно тензорезистору Rтp, во втором и четвертом тактах (контакты К5-К8 замкнуты, контакты К1-К4 разомкнуты) - параллельно опорному резистору Ro.
В конце первого такта измерения при положительном значении напряжения источника тока (10) напряжение с тензорезистора Rтр, представляющее собой аддитивную смесь напряжения полезного сигнала, напряжения помехи и термо эдс, усиливается дифференциальным усилителем (2) и запоминается схемой вычитания (3). Во втором такте напряжение с опорного резистора Ro усиливается дифференциальным усилителем (2) и вычитается из напряжения, запомненного схемой вычитания (3) в первом такте работы. Результат вычитания поступает на положительный вход масштабного усилителя (4), усиливается и в конце второго такта запоминается схемой демодулятора (5).
В конце третьего такта измерения при отрицательном значении напряжения источника тока (10) напряжение с тензорезистора Rтр усиливается дифференциальным усилителем (2) и запоминается схемой вычитания (3). В четвертом такте работы напряжение с опорного резистора Ro усиливается дифференциальным усилителем (2) и вычитается из напряжения тензорезистора Rтр, запомненного схемой вычитания (3) в третьем такте. Результат усиливается масштабным усилителем (4) и в конце четвертого такта вычитается из напряжения разности, запомненного схемой демодулятора (5) в конце второго такта измерения.
Сигнал на выходе схемы вычитания (3) представляет собой периодическую последовательность двухполярных прямоугольных импульсов, модулированную по амплитуде полезным сигналом и мешающими факторами. В процессе демодуляции мешающие факторы - синфазные и дифференциальные низкочастотные помехи и термо э.д.с. из полезного сигнала вычитаются. На выходе демодулятора (5) организуется периодическая последовательность однополярных импульсов, модулированная по амплитуде только полезным сигналом с тензорезистора.
С выхода демодулятора (5) модулированная последовательность поступает на вход аналогового фильтра (6) и далее на переключаемый фильтр нижних частот (7). Аналоговый фильтр (6) восстанавливает полезный сигнал и ограничивает спектр сигнала частотой, обеспечивающей устранение комбинационных составляющих на выходе переключаемого фильтра (7). Выход переключаемого фильтра (7) является выходом аппаратуры, сигнал с выхода переключаемого фильтра поступает также на первый вход устройства управления (9).
Устройство управления (9) в непрерывном режиме вырабатывает цифровые сигналы управления вых. 1, вых. 2, вых. 4, вых. 5, вых. 6, и вых. 8, необходимые для нормальной работы переключателя (1), схемы вычитания (3), масштабного усилителя (4), демодулятора (5), переключаемого фильтра нижних частот (7) и источника тока (10) соответственно.
По командам внешнего пульта управления (8), поступающим на второй вход устройства управления (9), устройство управления переводится в режимы балансировки, установки параметров и контроля. Необходимые информационные сигналы с устройства управления на пульт управления поступают по выходу вых. 7 устройства управления.
В режиме балансировки устройство управления вырабатывает напряжение компенсации начального разбаланса сопротивлений тензорезистора и опорного резистора, поступающее с вых. 3 устройства управления (9) на инверсный вход масштабного усилителя (4). Напряжение компенсации присутствует на выходе 3 устройства управления до момента следующего процесса балансировки.
В режиме установки параметров на вых. 4 устройства управления устанавливается код требуемого коэффициента усиления масштабного усилителя (4). На выходе 5 устройства управления устанавливается код необходимой величины выходного тока возбуждения источника тока (10), а на выходе 6 - тактовая частота переключаемого фильтра нижних частот (7), определяющая требуемую частоту среза фильтра. Данные установки сохраняют свое значение до следующего процесса установки параметров.
В режиме контроля по внешнему пульту управления (8) проверяются установленные ранее коэффициент усиления масштабного усилителя (4), ток возбуждения источника тока (10), частота среза переключаемого фильтра нижних частот (7) и текущее значение выходного напряжения аппаратуры.
Рассматриваемая схема эффективно подавляет неинформативные составляющие сигнала - напряжения низкочастотных помех, напряжения смещения нуля усилителя и термо эдс. Напряжение помехи, смещения нуля усилителя и термо эдс не зависят от полярности питания тензорезистора и за период импульса питания не меняют своего знака, так как период следования импульсов питания выбран намного меньше периода полезного сигнала и напряжения помехи. Наоборот, полезный сигнал с тензорезистора, несущий информацию об измеряемой деформации, меняет свою полярность при смене полярности источника тока, причем сама деформация при этом знака может не менять. Именно поэтому в результате вычитания на демодуляторе (5) напряжения полезного сигнала тензорезистора суммируются, а напряжения помехи и термо эдс вычитаются.
Рассмотрим процесс подавления неинформативных составляющих сигнала.
В первом такте измерения напряжение на выходе дифференциального усилителя (2):
1
2
2
1
1
02
U=К·I·(Rтр+ΔRтрε)+К·(Uп+Uэ)+U,
2
02
1
1
где К - коэффициент усиления дифференциального усилителя, I - ток источника тока, ΔRтрε - приращение сопротивления тензорезистора от деформации, U - напряжение смещение нуля усилителя (2), Uп и Uэ - напряжения помехи и термо э.д.с. соответственно.
1
В конце первого такта измерения выходное напряжение U запоминается схемой вычитания (3). Во втором такте измерения ко входу усилителя подключается опорный резистор Ro, напряжение на выходе усилителя (2):
2
2
2
2
2
02
U=К·I·Ro+К·(Uп+·Uэ)+U.
2
1
В процессе второго такта работы также проводится вычитание из напряжения U напряжения U. Выходное напряжение схемы вычитания:
1
2
1
03
03
Uвых=U-U+U, где U - напряжение смещения схемы вычитания.
При равенстве начальных сопротивлений тензорезистора и опорного резистора
1
2
2
2
1
2
2
1
03
Uвых=-К·I·ΔRтрε+К·(Uп-Uп)+К·(Uэ-Uэ)+U.
1
Напряжение Uвых далее усиливается масштабным усилителем (4) и запоминается демодулятором (5) в виде:
15
2
4
2
4
2
1
2
4
2
1
4
03
04
4
04
Uвых=-КК·I·ΔRтрε+КК·(Uп-Uп)+K·К(Uэ-Uэ)+К·U+U, где К - коэффициент усиления масштабного усилителя (4), U - напряжение смещения масштабного усилителя (4).
В третьем такте измерения напряжение на выходе дифференциального усилителя имеет вид:
3
2
2
1
1
2
1
1
02
U=-К·I·(Rтp+ΔRтpε)+К·(Uп+·ΔUп)+К·(Uэ+ΔUэ)+U.
3
В конце третьего такта измерения выходное напряжение U также запоминается схемой вычитания (3).
В четвертом такте измерения напряжение на выходе дифференциального усилителя:
4
2
2
2
2
2
2
2
02
U=-К·I·Ro+К·(Uп+·ΔUп)+К·(Uэ+ΔUэ)+U.
2
4
3
03
На выходе схемы вычитания в четвертом такте Uвых=U-U+U
2
2
2
2
1
2
2
1
2
2
1
2
2
1
03
Uвых=К·I·ΔRтpε+К·(Uп-Uп)+К·(ΔUп-ΔUп)+К·(Uэ-Uэ)+К·(ΔUэ-ΔUэ)+U.
2
Напряжение Uвых далее усиливается масштабным усилителем (4) и поступает на вход демодулятора (5) в виде:
25
2
4
2
4
2
1
2
4
2
1
2
4
2
1
2
4
2
1
4
03
04
Uвых=К·К·I·ΔRтpε+К·К·(Uп-Uп)+К·К·(ΔUп-ΔUп)+К·К·(Uэ-Uэ)+К·К·(ΔUэ-ΔUэ)+КU+U
25
15
В демодуляторе (5) из Uвых вычитается запомненное напряжение Uвых, полученная разность:
5
2
4
2
4
2
1
2
4
2
1
05
Uвых=2К·К·I·ΔRтpε+К·К(ΔUп-ΔUп)+К·К(ΔUэ-ΔUэ)+U.
05
2
1
2
1
05
Выходной сигнал демодулятора (5) кроме информативной составляющей ΔRтpε содержит неинформативные - разницу приращений помех и разницу приращений термо эдс за два такта измерения, а также напряжение смещения U демодулятора (5). Погрешность измерения от неинформативной составляющей (ΔUпом-ΔUпом) пренебрежимо мала, неинформативная составляющая (ΔUэ-ΔUэ) близка к нулю, поскольку помеха, как правило, является низкочастотным процессом с периодом в тысячи и десятки тысяч микросекунд, изменение напряжения термо эдс - процесс еще более медленный, а два такта измерения составляют лишь десятки микросекунд. Напряжение смещения U демодулятора (5) незначительно, т.к. коэффициент усиления демодулятора не превышает единицы. Поэтому можем принять:
2
4
2
4
2
1
Uвых=2К·К·I·ΔRтpε+К·К(ΔUп-ΔUп).
2
Если расположить опорный резистор непосредственно в корпусе аппаратуры, то очевидно, что помеха Un и ее приращение будут равны нулю и результирующая формула преобразования примет вид:
2
4
2
4
1
Uвых=2К·К·I·ΔRтpε-К·К·ΔUп.
Таким образом, рассматриваемая схема обеспечивает высокую степень помехозащищенности измерения независимо от места расположения опорного резистора и устраняет напряжения смещения усилительного тракта канала измерения.
Точность измерения зависит также и от способа восстановления (интерполяции) полезного сигнала из модулированной последовательности импульсов. Особенно существенен фактор восстановления при измерении процессов в широком частотном диапазоне - сотни Гц и единицы кГц. Частотный спектр модулированной последовательности импульсов прямоугольной формы содержит кроме компонент спектра измеряемого сигнала также и бесконечную сумму составляющих, кратных тактовой частоте последовательности Fn с семейством боковых, расположенных по обе стороны от каждой кратной гармоники на расстоянии fв - верхней частоты спектра измеряемого сигнала. Для выделения спектра полезного сигнала и подавления до приемлемого уровня всех паразитных составляющих импульсной последовательности необходимо правильно выбрать соотношение тактовой частоты последовательности и верхней частоты спектра полезного сигнала, также метод интерполяции.
В качестве интерполятора обычно используется фильтр нижних частот, в предлагаемой тензоизмерительной аппаратуре установлен фильтр Баттерворта четвертого порядка. При верхней частоте спектра полезного сигнала fв=300 Гц для восстановления сигнала с максимальной погрешностью не более 0,2% соотношение должно быть не менее 26, а с максимальной погрешностью не более 5%-5,5 - Маркюс Ж. Дискретизация и квантование. Перевод с французского З.Л. Персица под ред. А.В. Шилейко. М., «Энергия», 1969.
Восстановление полезного сигнала из модулированной последовательности импульсов в предлагаемой полезной модели осуществляется фильтром нижних частот, который ограничивает спектр последовательности спектром полезного сигнала частотой 300 Гц. Частоты среза переключаемого фильтра 7 16, 32, 64, 128 и 256 Гц. Частоту среза выбирает экспериментатор в каждом конкретном эксперименте.
Источник тока двухполярный, самобалансирующйся. Форма тока - двухполярный меандр, частота - 8 кГц. Входной переключатель управляется частотой 16 кГц. Частоты выбраны с таким расчетом, чтобы в реальных условиях работы на борту летательного аппарата в измерительной линии успевали закончиться переходные процессы и соблюдалось условие . Длина измерительной линии при сопротивлении тензорезистора 200 Ом может достигать 70 м, что позволяет устанавливать аппаратуру на все типы летательных аппаратов.
Дифференциальный усилитель (2) малошумящий, выполнен по схеме тройка с единичным коэффициентом усиления. Схема вычитания разработана на основе схемы выборки- хранения с дифференциальным усилителем на входе. Масштабный усилитель (4) с переключаемым коэффициентом усиления 1, 2, 4, 8. На положительный вход усилителя подается полезный сигнал, на инверсный подается напряжение балансировки, снимаемое с устройства управления (9). Демодулятор (5) по своему построению повторяет схему вычитания (3). Аналоговый фильтр (6) - фильтр Баттерворта четвертого порядка, антиэлайзинговый, восстанавливает сигнал и снижает влияние комбинационных составляющих сигнала на результат измерения, частота среза - 300 Гц. Переключаемый фильтр нижних частот (7) имеет пять частот среза - 16, 32, 64 128 и 256 Гц.
Таким образом, данная тензоизмерительная аппаратура позволяет устранить влияние электрических помех и термо эдс на результат измерения и повысить точность измерения при летных прочностных испытаниях конструкций из неметаллических и композиционных материалов при повышенном уровне мешающих факторов.