УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ В НАПРЯЖЕНИЕ
DEVICE FOR CONVERSION OF RESISTANCE VARIATION INTO VOLTAGE

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. для исследования прочности конструкций с помощью тензорезисторов.
Известен преобразователь изменения сопротивления в напряжение, содержащий тензорезистор, резистор и источник переменного тока, соединенные последовательно, а также два трансформатора, первичная обмотка одного из них подключена параллельно тензорезистору, первичная обмотка второго - параллельно резистору, при этом вторичные обмотки трансформаторов включены последовательно-встречно, а выходы трансформаторов образуют выход устройства.
При коэффициенте передачи трансформаторов, равном 1, выходной сигнал
вых
тр
0
U=I(R-R),
где I - ток в цепи тензорезистор-резистор,
тр
0
R и R - сопротивления тензорезистора и резистора соответственно.
тр
трн
0
трн
вых
тр
При изменении сопротивления тензорезистора, вызванном деформацией, на величину ±ΔR и равенстве сопротивлений R=R, где R - начальное сопротивление тензорезистора, напряжение на выходе преобразователя U=±IΔR, т.е. осуществляется преобразование изменения сопротивления тензорезистора в напряжение. Такая схема преобразования приведена в статье «Аппаратура для измерения деформаций и температур», Труды ЦАГИ, 1974 г., вып.1599, стр.105-118, авторы А.И.Беклемищев, B.C.Волобуев.
Недостатком приведенного устройства является существенное влияние нестабильности коэффициентов передачи трансформаторов на результат преобразования. Как легко показать, относительная погрешность δ выходного сигнала определяется выражением:
1
2
где К и К - коэффициенты передачи трансформаторов.
трн
тр
тр
тр
0
Для металлических тензорезисторов R/ΔR≥200. Такое увеличение погрешности является следствием определения малой разности (IΔR) больших величин (IR и IR).
1
1
2
Коэффициент передачи трансформатора К, соединенного с тензорезистором, зависит от величины и температурной нестабильности распределенных параметров (С, R, L) проводов, соединяющих тензорезистор с преобразователем, которое осуществляется обычно через коммутатор. От температуры также изменяются и коэффициенты передачи трансформаторов K и К.
трн
0
Техническим решением, устраняющим указанную погрешность и наиболее близким к предлагаемому изобретению, является преобразователь, входящий в состав устройства для измерения сигналов параметрических преобразователей, описанный в а.с. 381875, МПК G01B 7/18, 1973 г. Собственно преобразователь, как и рассмотренный выше, содержит тензорезистор, резистор и источник тока прямоугольной формы, соединенные последовательно, а также два трансформатора, первичные обмотки которых присоединены параллельно тензорезистору и резистору соответственно, а вторичные включены последовательно-встречно. Для повышения точности измерений в цепь между тензорезистором и резистором включен второй резистор, параллельно которому подключена первичная обмотка третьего трансформатора, вторичные обмотки которого включены последовательно-встречно к первичным обмоткам трансформаторов, соединенных с тензорезистором и резистором. Дополнительный трансформатор компенсирует постоянную составляющую сигнала IR=IR, практически исключая погрешность δ, чем и обеспечивается положительный эффект.
Недостатком устройства является реализация вычитания сигналов на трансформаторах, что существенно усложняет его изготовление, увеличивает габариты и стоимость. Кроме того, индуктивность трансформатора, шунтирующего тензорезистор и соединительные кабели, увеличивает переходные процессы при коммутации датчиков и, соответственно, время измерения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение технологичности, уменьшение габаритов и стоимости устройства, а также сокращение времени измерения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования сопротивления в напряжение, содержащем тензорезистор, резистор и источник тока, соединенные последовательно, введены два дифференциальных усилителя и переключатель, при этом входы одного дифференциального усилителя через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а входы второго дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно резистору и через нормально разомкнутые - параллельно тензорезистору, при этом выходы дифференциальных усилителей являются выходом устройства.
тр
0
тр
0
На фиг.1 приведена блок-схема устройства для преобразования приращения сопротивления в напряжение. Устройство содержит тензорезистор R, резистор R и источник тока 1, соединенные последовательно, а также дифференциальные усилители 2 и 3, входы которых подключаются параллельно R и R через переключатель 4, а выходы усилителей являются выходами преобразователя.
тр
0
5
8
1
4
0
тр
При одном состоянии переключателя (нормально замкнутые контакты) входы усилителя 2 подключены параллельно R, входы усилителя 3 - параллельно R. При втором состоянии (замкнуты К÷К, К÷К разомкнуты) входы усилителя 2 подключаются параллельно R, усилителя 3 - параллельно R.
Процесс измерения состоит из двух тактов.
1
4
5
8
В течение 1-го такта замыкаются контакты К÷К, контакты К÷K - разомкнуты.
вых
При этом напряжение U на выходе преобразователя определяется как:
вых1
у1
тр
01
у2
0
02
у1
тр
у1
трн
у2
0
01
02
U=К IR+U-К IR-U=К IΔR+I(КR-КR)+(U=U),
у1
у2
где К и К - коэффициенты усиления усилителей 2 и 3,
01
02
вых1
вых2
вх
U, U - «нули» усилителей, т.е. U и U при U=0.
тр
Первый член - формула преобразования ΔR в напряжение, второй и третий - неинформативные составляющие, изменения которых приводят к погрешности.
5
8
1
4
Во втором такте замыкаются контакты К÷К, контакты К÷К - разомкнуты и
выхII
у2
тр
y1
0
у2
трн
01
02
U=-К IΔR+I(KR-КR)+(U-U).
вых1
выхII
у1
y2
тр
Разность двух значений U-U=(К+K)IΔR не содержит неинформативных составляющих и является результирующей формулой преобразования.
0
трн
у1
у2
В практической реализации R=R и К=К=1, т.е. информативный сигнал удваивается при вычитании. Вычитание сигналов при двухтактных измерениях может осуществляться как в аналоговом виде, так и преобразованием сигналов в цифровой эквивалент и последующим вычитанием в ЭВМ.
у1
у2
Поскольку изменения К и К во времени и от изменения температуры окружающей среды являются низкочастотным процессом, а время измерения (такт) составляет десятки микросекунд, погрешность, представляющая собой в рассматриваемом случае изменения неинформативных составляющих за время измерения, пренебрежимо мала. При необходимости и она может быть уменьшена увеличением числа тактов (измерений) и обработкой информации по известным алгоритмам.
Таким образом, предлагаемое устройство, не содержащее трансформаторов и выполненное на интегральных микросхемах, обеспечивает его технологичность, снижает габариты и стоимость, а также сокращает время измерения по сравнению с прототипами.
Предлагаемое изобретение будет использоваться при создании многоканальных тензометрических систем для исследования прочности конструкций, в том числе - натурных конструкций самолетов.