ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В НАПРЯЖЕНИЕ
CONVERTER OF LINEAR MOVEMENTS INTO VOLTAGE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке различного рода автоматизированных систем контроля, в частности, при проектировании автоматизированного измерительного комплекса, используемого для определения физико-механических свойств материалов методом кинетического индентирования.
Известен преобразователь величины силы воздействия в напряжение [1]. Недостатком этого преобразователя является высокая погрешность измерений малых сигналов.
Известен также преобразователь механических величин в напряжение с автоматической балансировкой "нуля", представляющий собой наиболее близкое техническое решение к предлагаемому изобретению [2].
Недостатком этого преобразователя также является высокая погрешность измерений малых сигналов. Этот недостаток значительно ограничивает функциональные возможности преобразователя.
Технический результат предлагаемого изобретения выражается в расширении диапазона измерений электрических величин в области малых сигналов.
Технический результат достигается за счет того, что преобразователь линейных перемещений в напряжение (фиг.1) содержит измерительный мост, состоящий из первого и второго резисторов 3 и 7 соответственно, датчика 8 линейных перемещений и компенсирующего элемента 4, а также источник 5 питания, логический элемент 2И, инструментальный усилитель 18 с подключенным к нему резистором 10, генератор 2 импульсов, двоичный счетчик 26 и выходную шину 30, причем первые выходы источника 5 питания, первого и второго резисторов 3 и 7 соответственно объединены между собой, вторые выходы источника 5 питания, датчика 8 линейных перемещений, инструментального усилителя 18 и компенсирующего элемента 4 соединены между собой и подключены к общей шине, первый выход датчика 8 линейных перемещений и второй выход второго резистора 7 связаны между собой и соединены с первым входом инструментального усилителя 18, второй вход инструментального усилителя 18 подключен к объединенным между собой первому выходу компенсирующего элемента 4 и второму выходу первого резистора 3, дополнительно содержит генератор 1 шума, логический элемент 6 НЕ, семь дополнительных инструментальных усилителей 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно с подключенными к ним резисторами 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 соответственно. Преобразователь линейных перемещений в напряжение также дополнительно содержит буферный регистр 27, аналоговый коммутатор 28 с цифровым управлением, фильтр 29, причем первые входы дополнительных инструментальных усилителей 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно соединены между собой и подключены к связанным между собой первым выходом датчика 8 линейных перемещений, вторым выходом второго резистора 7 и первым входом инструментального усилителя 18, вторые входы дополнительных инструментальных усилителей 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно также соединены между собой и подключены к объединенным между собой первому выходу компенсирующего элемента 4, второму выходу первого резистора 3 и второму входу инструментального усилителя 18, вторые выходы дополнительных инструментальных усилителей 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно связаны с общей шиной, первые выходы инструментального усилителя 18 и дополнительных инструментальных усилителей 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно подключены к аналоговым входам аналогового коммутатора 28, цифровыми входами управления объединенного с выходом буферного регистра 27, первый вход которого соединен с выходом двоичного счетчика 26, а второй - со связанными между собой выходом генератора 2 импульсов и входом логического элемента 6 НЕ, выход которого подключен к первому входу логического элемента 9 2И. Второй вход логического элемента 9 2И объединен с выходом генератора 1 шума, а выход - с входом двоичного счетчика 26, выход аналогового коммутатора 28 с цифровым управлением соединен с входом фильтра 29, выход которого связан с выходной шиной 30.
Рассмотрим работу преобразователя линейных перемещений в напряжение (далее - преобразователь) на его конкретном применении в автоматизированном измерительном комплексе.
дифф
шум
шум
ус
вых
вых
дифф
ус
ус
шум
дифф
ус
ус
шум
При линейных перемещениях менее одного микрометра с выхода измерительного моста на первый и второй входы всех инструментальных усилителей 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно поступает дифференциальное напряжение (U), величина которого соизмерима с величиной собственных шумов (U18, U 19 и так далее) инструментальных усилителей. Коэффициенты усиления (К) инструментальных усилителей 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно устанавливаются равнозначными и необходимой величины, используя предназначенные для этого резисторы 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 соответственно. На выходах каждого из инструментальных усилителей 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно и соответствующих им аналоговых входах аналогового коммутатора 28 будет сформировано напряжение (U 18, U 19 и так далее). Выходное напряжение инструментального усилителя 18 будет равно алгебраической сумме произведений U∗К и К∗U 18. Выходное напряжение инструментального усилителя 19 убудет равно алгебраической сумме произведений U∗К и К∗U 19 и так далее. Характеристики шума каждого из инструментальных усилителей не зависимы друг от друга, т.е. их взаимная корреляционная функция равна нулю.
дифф
ус
ус
шум
С выхода генератора 2 импульсов на вход логического элемента 6 НЕ и второй вход буферного регистра 27 поступает последовательность импульсов с одинаковыми периодами следования. При наличии на выходе генератора 2 импульсов логического "нуля" на первом входе логического элемента 9 2И будет установлена логическая "единица", разрешающая прохождение импульсов с выхода генератора 1 шума через логический элемент 9 2И на вход двоичного счетчика 26. Эти импульсы суммируются двоичным счетчиком 26. Код с выхода двоичного счетчика 26 (трехразрядный) поступает на первый вход буферного регистра 27. Следующая за логическим "нулем" логическая "единица" на выходе генератора 2 импульсов установит логический "ноль" на первом входе логического элемента 9 2И, который запретит прохождение импульсов с выхода генератора 1 шума на вход двоичного счетчика 26. Эта же логическая "единица", поступив на второй вход буферного регистра 27, запишет выходной код двоичного счетчика 26 в буферный регистр 27. Выходной код буферного регистра 27 поступает на цифровые входы управления аналогового коммутатора 28 с цифровым управлением и в соответствии с величиной этого кода аналоговый коммутатор 28 с цифровым управлением подключит на свой выход и соответственно вход фильтра 29 сигнал с выхода одного из восьми инструментальных усилителей 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно. Далее с приходом очередного импульса с выхода генератора 2 импульсов процесс подключения сигнала с выхода одного из восьми инструментальных усилителей 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно будет аналогичен вышеописанному. Генератор 1 шума, генератор 2 импульсов, логический элемент 6 НЕ, логический элемент 9 2И, двоичный счетчик 26 и буферный регистр 27 применительно к данному преобразователю представляют собой с некоторым допущением генератор случайных кодов. С каждым импульсом генератора 2 импульсов на вход фильтра 29 будет поступать сигнал с выходов инструментальных усилителей 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно в случайном порядке. Частота генератора 2 импульсов в данном преобразователе установлена на три порядка выше предельной частоты с первого выхода датчика 8 линейных перемещений, а коэффициент ослабления сигнала фильтром 29 на частоте генератора 2 импульсов выбран не менее 40 дБ. Таким образом, в процессе работы на выходе фильтра 29 и соответственно выходной шине 30 будет сформировано напряжение, равное алгебраической сумме U∗К и уменьшенное на 40 дБ К∗U. Величина сигнала инструментальных усилителей 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 25 соответственно может значительно превышать уровень сигнала с первого выхода датчика 8 линейных перемещений, т.е. расширяется диапазон усиления в области малых сигналов.
Источники информации
[1] Патент РФ №2304283 от 16.12.2005 г.
[2] Патент РФ №2304284 от 21.10.2005 г.