УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ В НАПРЯЖЕНИЕ
DEVICE TO CONVERT RESISTANCE VARIATION INTO VOLTAGE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. для исследования прочности конструкций с помощью одиночных тензорезисторов без применения компенсационных тензорезисторов.
Известны преобразователи изменения сопротивления в напряжение с подключением одиночного тензорезистора по трехпроводной схеме в одно из плеч моста, к питающей диагонали моста подключен источник питания, выходной сигнал снимают с выходной диагонали моста (М.Л.Дайчик, Н.И.Пригоровский, Г.Х.Хуршудов. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник Основы проектирования машин. - М.: Машиностроение, 1989, стр.51, рис.6). Применение трехпроводного включения тензорезистора с равными сопротивлениями проводов линии связи в мост устраняет влияние начальных сопротивлений проводов, но остаются погрешности от разницы их сопротивлений, что в наибольшей степени сказывается при работе в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. Кроме того, такие преобразователи незащищены от влияния внешних помех ввиду несимметричности схемы включения тензорезистора.
Существуют различные схемы преобразователей с тензорезистором, подсоединенным по трехпроводной схеме, в которых решаются задачи по снижению погрешности от влияния сопротивления проводов линии связи, коррекции погрешности от нелинейности, вычитанию постоянного значения напряжения, соответствующего начальному значению напряжения на тензорезисторе, и др., но не устраняется погрешность от влияния внешних помех на результат измерения.(Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - стр.76, рис.2.11).
Известны преобразователи изменения сопротивления в напряжение 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 тока. (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - стр.78 -80, рис.2.12, 2.13). При использование 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 и погрешность от внешних помех.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, описанное в патенте 2366966 G01R 27/02,2006 г. Устройство содержит тензорезистор, резистор и источник тока, соединенные последовательно, 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.
При отсутствии внешних помех устройство не содержит неинформативных составляющих и обеспечивает высокую точность измерения при изменении температуры окружающей среды
Недостатком устройства является низкая помехозащищенность, что существенно ограничивает области расположения тензорезистора и резистора.
При аддитивной смеси полезного сигнала и помехи напряжение помехи на выходе устройства в первом такте измерения:
1
1
1
2
2
1
2
1
2
Uвых=Ку·Uпом-Ку·Uпом, где Ку и Ку - коэффициенты усиления усилителей, Uпом и Uпом - напряжение помех на входе первого и второго усилителей.
Во втором такте измерения:
2
1
2
2
2
1
1
Uвых=Ку·(Uпом+ΔUпом)-Ку·(Uпом-ΔUпом),
1
2
где ΔUпом и ΔUпом - приращение напряжения помех во втором такте измерения.
В результате двух тактов;
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
Uвых-Uвых=(Ку+Ку)·(Uпом-Uпом)+Ку·ΔUпом-Ку·ΔUпом.
1
2
При Ку и Ку=Ку, что практически всегда выполняется:
1
2
1
2
1
2
Uвых-Uвых=2·Ку·(Uпом-Uпом)+Ку·(ΔUпом-ΔUпом)
Напряжение помехи на выходе устройства отсутствует лишь при равенстве уровня напряжений помех на входах дифференциальных усилителей. При отсутствии помехи по входу одного из дифференциальных усилителей на выходе устройства присутствует усиленная в два Ку раз помеха по входу второго дифференциального усилителя. Поэтому необходимо располагать тензорезистор и резистор в непосредственной близости и обеспечивать идентичность параметров соединительных линий.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение помехозащищенности устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования сопротивления в напряжение, содержащем тензорезистор, резистор, дифференциальный усилитель и переключатель, введены двухполярный источник тока прямоугольной формы и схема 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.
На фиг.1 приведена блок-схема устройства для преобразования изменения сопротивления в напряжение. Устройство содержит тензорезистор Rтр, резистор Ro, двухполярный источник тока прямоугольной формы 1, дифференциальный усилитель 3, выходы источника тока и входы дифференциального усилителя подключаются параллельно Rтр и Ro через переключатель 4, выход дифференциального усилителя соединен со входом схемы вычитания 2, выход схемы вычитания является выходом преобразователя.
Работа предлагаемого устройства
При одном состоянии переключателя 4 (контакты К1÷К4 замкнуты, К5÷К8 разомкнуты), входы дифференциального усилителя 3 и выходы источника тока 1 подключены параллельно Rтр. При втором состоянии (контакты К5÷К8 замкнуты, К1÷К4 разомкнуты) входы дифференциального усилителя 3 и выходы источника тока 1 подключены параллельно Ro.
Процесс измерения состоит из четырех тактов. Первые два такта проводятся при положительном значении тока источника, третий и четвертый такты - при отрицательном. При этом напряжения на Rтp и Ro меняют свой знак на обратный, а напряжение низкочастотной помехи не зависит от величины тока и его полярности и не меняет своего знака.
В течение первого такта замыкаются контакты К1÷К4, а контакты К5-К8 разомкнуты. При этом напряжение на выходе усилителя 3 определяется как;
1
1
03
1
03
Uвых=Ky·I·Rтp+Ky·Uпом+U, где I - ток источника тока 1, Ку - коэффициент усиления дифференциального усилителя, Uпом - напряжение помехи на входе усилителя в первом такте, U - собственное смещение нуля усилителя 3.
1
В конце первого такта выходное напряжение Uвых запоминается схемой вычитания 2.
Во втором такте контакты К5÷К8 замыкаются, а контакты К1÷К4 разомкнуты. При этом напряжение на выходе усилителя:
2
2
03
Uвых=Ky·I·R0+Ky·Uпом+U,
2
где Uпом- напряжение помехи на входе усилителя 3 во втором такте. Выходное напряжение схемы вычитания во втором такте:
2
2
1
0
2
1
02
Ucx=Uвых-Uвых=Ky·I·(R-Rтp)+Ky·(Uпом+Uпом)+U,
02
где U - напряжение смещения нуля схемы вычитания 2.
Процесс измерения в тактах 3 и 4 проводится при отрицательном значении тока I и аналогичен работе в тактах 1 и 2.
Напряжение на выходе усилителя в третьем такте:
3
1
1
03
Uвых= -Ку·I·(Rтр+ΔRтр)+Ky·(Uпом+ΔUпом)+U,
1
где ΔUпом - приращение напряжения помехи за второй и третий такты измерения, ΔRтр - приращение сопротивления тензорезистора от нагрузки за второй и третий такты.
3
В конце третьего такта выходное напряжение Uвых запоминается схемой вычитания.
Напряжение на выходе усилителя в четвертом такте:
4
2
2
03
Uвых= -Ky·I·R0+Ky·(Uпом+ΔUпом)+U,
2
2
где ΔUпом - приращение напряжения помехи Uпом за третий и четвертый такты измерения.
Выходное напряжение схемы вычитания в четвертом такте:
4
4
3
2
1
2
1
Ucx=Uвых-Uвых=Ку·I·ΔRтр-Ky·I·(R0-Rтр)+Ky·(Uпом-Uпом)+Ky· (ΔUпом-ΔUпом).
Разность значений
4
2
2
1
0
Ucx-Ucx=Ку·I·ΔRтр-2 Ky·I·(R0-Rтp)+Ky·(ΔUпом-ΔUпом) является результирующей формулой преобразования. При равенстве сопротивлений тензорезистора и резистора Rтp и R.
4
2
2
1
Ucx-Ucx=Ky·I·ΔRтp+Ky·(ΔUпом-ΔUпом).
Выходной сигнал кроме информативной составляющей содержит только разницу приращений напряжений помех за два такта измерения.
2
1
4
3
4
2
Вычитание сигналов (Uвых-Uвых) и (Uвых-Uвых) осуществлялось в аналоговом виде. Вычитание сигналов (Ucx-Ucx) может осуществляться после соответствующего усиления в аналоговом виде или после аналого-цифрового преобразования - в цифровом.
2
1
Погрешность измерения от неинформативной составляющей (ΔUпом-ΔUпом) пренебрежимо мала, поскольку помеха, как правило, является низкочастотным процессом с периодом в тысячи и десятки тысяч микросекунд, а два такта измерения составляют лишь десятки микросекунд.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает намного большую степень помехозащищенности измерения, а резистор может находиться не только в зоне тензорезистора, но и в любом другом месте, в т.ч. и в аппаратуре. В этом случае при вычислении деформации вносится поправка на температурную характеристику тензорезистора.
Предлагаемое изобретение будет использоваться при создании бортовой многоканальной тензоизмерительной аппаратуры с одиночным тензорезистором для исследования прочностных характеристик элементов конструкции летательных аппаратов в полете.