Устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение
DEVICE FOR CONVERTING THE RESISTANCE CHANGES INTO VOLTAGE

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к электротензометрии, и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, строительстве для исследования прочности конструкций с помощью одиночного тензорезистора в частотном диапазоне от 0 до 5000 Гц и более при повышенном уровне мешающих факторов - электромагнитных помех и термоэ.д.с.
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.
Известно тензометрическое устройство с одиночным тензорезистором, включенным 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.
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.
Известно устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, описанное в Российском патенте на изобретение №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 низкочастотного полезного сигнала.
Недостатком устройства является низкая защищенность от внешних электромагнитных помех. 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 помеха по входу второго дифференциального усилителя. Поэтому необходимо располагать тензорезистор и резистор в непосредственной близости и обеспечивать идентичность параметров соединительных линий.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, патент 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 с входом схемы вычитания, при этом выход схемы вычитания образует выход устройства.
Устройство обеспечивает высокую точность измерения низкочастотных процессов на фоне низкочастотных помех.
Недостатком является невысокая точность измерения высокочастотных процессов - от десятков Гц до 5000 Гц и более.
Действительно, в процессе работы устройства с выхода схемы вычитания следуют положительная и отрицательная последовательности импульсов, полученных во 2-м и 4-м тактах работы (фиг. 3, в). Результирующей формулой преобразования является разность значений напряжений 2-го и 4-го тактов измерения. При этом полезные сигналы двух тактов суммируются, а сигналы помех вычитаются. Таким образом, на дальнейшую обработку поступает свободная от помех последовательность однополярных импульсов, амплитуда которых пропорциональна амплитуде измеряемого процесса лишь в случае статических процессов (фиг. 3, д). При измерении динамических процессов амплитуда результирующих импульсов резко падает с ростом частоты процесса.
Падение амплитуды связано с процессом вычисления разности разнесенных по времени 2-го и 4-го тактов измерения. Для вычисления, например, в аналоговом виде необходимо мгновенное значение напряжения 2-го такта расширить на 3-й-4-й такты. В результате амплитуда расширенных импульсов оказывается пропорциональной мгновенному значению измеряемого процесса и сохраняется постоянной во время действия импульса, что соответствует модуляции АИМ-2 (фиг. 2, г).
Амплитуда каждого импульса 4-го такта работы следует за изменениями измеряемого процесса в течение всего времени существования импульса согласно амплитудной импульсной модуляции АИМ-1 (фиг. 2, г).
Таким образом, вычислению разности подвергаются импульсы двух разнополярных последовательностей, одна из которых модулирована АИМ-1, а вторая - АИМ-2.
макс
Если измеряемый процесс (модулирующее напряжение) является синусоидальной функцией r(е)=r sin(Ωt+ϕ), то в составе спектра АИМ-1 он содержится в виде (Ю.П. Борисов, П.И. Пенин. Основы многоканальной передачи информации. М., Связь, 1967, стр. 223, рис. 5.12):
,
где В(Ω, t) - измеряемый процесс;
- коэффициент амплитудной импульсной модуляции;
АИМ
_
А постоянный коэффициент, определяющий крутизну модуляционной характеристики;
0
U - амплитуда смодулированных импульсов последовательности;
макс
_
r максимальная амплитуда измеряемого процесса
П
Т и τ - период и длительность импульсов последовательности;
Ω - угловая частота измеряемого процесса.
Тот же процесс в составе спектра АИМ-2 содержится в виде (Ю.П. Борисов, П.И. Пенин. «Основы многоканальной передачи информации». М., Связь, 1967, стр. 253,31,
рис. 2.4):
где q - коэффициент, характеризующий удлинение импульсов.
Нетрудно установить, что расширение импульсов приводит к появлению зависимости амплитуды полезной компоненты спектра от частоты модуляции Ω, причем с ростом частоты величина коэффициента  резко падает, и, как следствие, падает амплитуда полезной компоненты.
Очевидно, что амплитуда полезной компоненты спектра результирующей последовательности также будет падать с ростом частоты измеряемого процесса. Уменьшить падение амплитуды полезной компоненты возможно за счет увеличения тактовой частоты устройства, но в реальных условиях бортовых измерений тактовая частота ограничена длительностью переходных процессов в линии связи «тензорезистор - устройство». При длине линии связи 40-50 метров тактовая частота не выходит за пределы 16÷20 кГц, иначе погрешность измерения от переходных процессов достигнет недопустимой величины.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности измерения в расширенном диапазоне частот измеряемых процессов до 5000 Гц и более на фоне мешающих факторов - электромагнитных помех и термоэ.д.с. при тактовой частоте, не превышающей 16 кГц.
Для достижения технического результата в устройстве для преобразования изменения сопротивления в напряжение, включающем тензорезистор, резистор, переключатель, дифференциальный усилитель, двухполярный источник тока прямоугольной формы и схему вычитания, 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, выход дифференциального усилителя соединен с входом схемы вычитания, источник тока выполнен двухполярным с тактовой частотой, не превышающей 16кГц, дополнительно введены последовательно связанные синхронный инвертирующий усилитель, фильтр нижних частот и выходной усилитель, причем выход схемы вычитания соединен с входом синхронного инвертирующего усилителя, а выход выходного усилителя образует выход устройства.
Предлагаемое устройство иллюстрируется и поясняется чертежами:
на фиг. 1 – блок-схема предлагаемого устройства;
на фиг. 2 - (а, б, в, г, д) - диаграмма работы прототипа;
на фиг. 3 - (а, б, в, г, д, е, ж) - диаграмма работы предлагаемого устройства.
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства для преобразования изменения сопротивления в напряжение.
Устройство содержит тензорезистор Rтр, резистор Ro, переключатель 1, двухполярный источник тока прямоугольной формы 7, дифференциальный усилитель 2, соединенные последовательно схему вычитания 3, синхронный инвертирующий усилитель 4, фильтр нижних частот 5 и выходной усилитель 6, выходы источника тока 7 и входы дифференциального усилителя 2 подключают параллельно Rтp и Ro через переключатель, выход дифференциального усилителя 2 соединен со входом схемы вычитания 3, выход выходного усилителя 6 является выходом устройства для преобразования изменения сопротивления в напряжение.
Устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение работает следующим образом.
При первом состоянии переключателя (замкнуты К5÷К8, К1÷К4 разомкнуты) входы дифференциального усилителя 2 и выходы источника тока7 подключены параллельно Ro. При втором состоянии (замкнуты К1÷К4, К5÷К8 разомкнуты) входы дифференциального усилителя 2 и выходы источника тока 7 подключены параллельно Rтp.
Процесс измерения состоит из четырех тактов. Первые два такта проводятся при положительном значении тока источника 7, третий и четвертый такты - при отрицательном (фиг. 3, а, б). При этом напряжения на Ro и Rтp 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 К5÷К8, контакты К1÷К4 разомкнуты. При этом резистор Ro подключен к источнику тока и входам дифференциального усилителя 2, напряжение на выходе дифференциального усилителя 2 равно:
Uвых1=Кy⋅I⋅Ro,
где Ку - коэффициент усиления дифференциального усилителя 2; I - величина тока источника тока. Ro величина постоянная, выходное напряжение Uвых1 также постоянно и положительно в течение первого такта измерения. Uвых1 запоминается схемой вычитания 3 до конца второго такта измерения.
Во втором такте замыкаются контакты К1÷К4, контакты К5÷К8 разомкнуты. При этом резистор Rтp подключен к источнику тока 7 и входам дифференциального усилителя 2. Напряжение на выходе дифференциального усилителя 2 равно:
2
2
Uвых=Кy⋅I⋅ (Rтp+Δ Rтp),
2
2
где Rтp=Ro - начальное сопротивление тензорезистора; Δ Rтp - величина, характеризующая непрерывное приращение сопротивления тензорезистора под действием измеряемой нагрузки в течение второго такта измерения. Напряжение Uвых положительно, и меняет свою величину согласно изменениям измеряемой нагрузки.
Выходное напряжение схемы вычитания 3 во втором такте:
2
2
1
2.
Ucx=Uвых-Uвых=Кy⋅I⋅Δ Rтp
2
Выходное напряжение схемы вычитания во втором такте работы Ucx представляет собой положительный импульс, модулированный по амплитуде по закону измеряемого процесса, и с длительностью, равной длительности второго такта измерения (фиг. 3, в). Импульс далее поступает на вход синхронного инвертирующего усилителя.
Процесс измерения в тактах 3 и 4 проводится при отрицательном значении тока и аналогичен работе в тактах первом и втором.
Выходное напряжение схемы вычитания в четвертом такте:
4
4
Ucx=-Ky⋅I⋅ΔRтp,
4
где ΔRтp - величина, характеризующая непрерывное приращение сопротивления тензорезистора под действием измеряемой нагрузки в течение четвертого такта измерения.
4
Выходное напряжение схемы вычитания 3 в четвертом такте работы Ucx представляет собой отрицательный импульс, модулированный по амплитуде по закону измеряемого процесса, и с длительностью, равной длительности четвертого такта измерения (фиг. 3, в). Импульс далее поступает на вход синхронного инвертирующего усилителя 4.
В процессе измерения на вход синхронного инвертирующего усилителя 4 непрерывно поступают положительная и отрицательная последовательности импульсов, полученных во втором Ucx2 и четвертом Ucx4 тактах работы и модулированных по амплитуде модулирующей функцией - измеряемым процессом. Амплитуда каждого импульса последовательностей следует за изменениями измеряемого процесса в течение всего времени существования импульса. Синхронный инвертирующий усилитель 4 пропускает на вход фильтра нижних частот импульсы, полученные во втором такте работы Ucx2 преобразователя без изменений, а импульсы четвертого такта Ucx4 - инвертирует. В результате на вход фильтра нижних частот 5 поступает однополярная последовательность импульсов, модулированная по амплитуде согласно амплитудной импульсной модуляции первого рода АИМ-1 (фиг. 3, г). Фильтр нижних частот 5 выделяет из спектра последовательности сигнал измеряемого процесса, амплитуда которого не зависит от его частоты. Выходной усилитель 6 усиливает сигнал до требуемого уровня (фиг. 3, д). При выполнении условий теоремы Котельникова частота измеряемого процесса в предлагаемом устройстве может быть близка к частоте возбуждения источника тока 8 кГц (тактовая частота 16 кГц) и в реальных условиях бортовых измерений достигать величин 5 кГц и более. Дальнейшая обработка сигнала не лимитируется частотой возбуждения источника тока, частота выборок сигнала определяется требуемой точностью.
Сигнал помехи Uп не зависит от измеряемого процесса и на выходе схемы вычитания 3 не меняет своего знака (фиг. 3, е). Синхронный инвертирующий усилитель 4, согласно работе во втором такте, пропускает сигнал помехи Uп без изменений, а в четвертом такте работы его инвертирует (фиг. 3, ж). При этом на вход фильтра нижних частот 5 поступают последовательности разнополярных импульсов, модулированных сигналом помехи Uп. Фильтр нижних частот 5 усредняет поступающие импульсы и уменьшает уровень низкочастотной помехи Uп до пренебрежимо малой величины.
Фактически, на вход фильтра нижних частот 5 поступает аддитивная смесь однополярной последовательности импульсов, модулированных полезным сигналом согласно АИМ-1, и двухполярной последовательности импульсов, модулированных сигналом помехи. Фильтр нижних частот выделяет спектр полезного сигнала и эффективно компенсирует импульсы помехи в широком диапазоне частот, при этом амплитуда полезного сигнала на выходе фильтра не зависит от частоты сигнала.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает намного большее повышение точности измерения в расширенном диапазоне частот измеряемых процессов на фоне мешающих факторов - электромагнитных помех и термоэ.д.с.
Предлагаемое устройство будет использоваться при создании бортовой многоканальной тензоизмерительной аппаратуры с одиночным тензорезистором для исследования прочностных характеристик элементов конструкции летательных аппаратов в полете в диапазоне частот от 0 до 5000 Гц.