Измерительный преобразователь на несущей частоте
CARRIER FREQUENCY MEASURING TRANSDUCER

Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения различных физических величин.
Известны усилители-нормализаторы сигналов на несущей частоте в составе многоканальной тензометрической аппаратуры для измерения деформаций, усилий, давлений и других физических величин с помощью тензорезисторных и других датчиков, собранных в измерительный мост (см. Тензометрическая аппаратура 8АНЧ-23 // Приборы и системы управления - 1985, №9. - С. 25-26. Тензометрическая аппаратура 8-АНЧ/25 // Приборы и системы управления - 1988, №2. - С. 20-21).
К недостаткам известных усилителей-нормализаторов на несущей частоте относятся:
- фиксированные частоты задающего генератора напряжений несущей частоты для питания измерительного моста датчика (5, 10, 20 кГц);
- фиксированные диапазоны частот измеряемого сигнала (1,5 кГц или 5 кГц - 8АНЧ-23, 1; 2,5; 5 кГц - 8АНЧ-25);
- погрешности от изменения напряжения питания измерительного моста датчика;
- не автоматизированы выбор режима работы и балансировка измерительного канала (8АНЧ-23 - ручной выбор, 8АНЧ-25 - ручной и с помощью внешних устройств);
- аналоговый (не цифровой) выходной сигнал.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятым за прототип, является цифровой тензометрический преобразователь на несущей частоте, предназначенный для измерения статических и динамических сигналов тензорезисторных и других мостовых датчиков различных физических величин (см. Измерительный преобразователь на несущей частоте. Патент на изобретение №2396511 РФ. 2010. БИ, №22).
Измерительный преобразователь на несущей частоте, принятый за прототип, включает измерительный мост, задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное; устройство стабилизации и переключения уровня напряжения питания измерительного моста, включающее источник опорного эталонного напряжения, переключатель уровня выходного напряжения источника опорного эталонного напряжения, буферный операционный усилитель напряжения питания моста, детектор, сумматор напряжения детектора и переключателя уровня напряжения питания моста, выходное напряжение которого поступает на вход опорного напряжения задающего генератора; устройство статической калибровки, состоящее из буферного операционного усилителя напряжения питания моста и делителя напряжения; балансировочного устройства, состоящее из буферного операционного усилителя напряжения питания моста, делителя напряжения и двух цифровых потенциометров омической и фазовой балансировки; устройство управления режимами работы преобразователя; предварительный инструментальный усилитель сигнала измерительного моста, демодулятор, активный фильтр нижних частот с программно-управляемой частотой среза; усилитель постоянного напряжения с программно-управляемым коэффициентом усиления; аналого-цифровой преобразователь; дешифратор команд управления преобразователем; системную магистраль; компьютер.
К недостаткам прототипа относится:
- сложность схемы стабилизации напряжения питания измерительного датчика;
- недостаточная точность и значительная трудоемкость фазо-омической балансировки измерительного канала при подготовке преобразователя к эксперименту;
- влияние нестабильности во времени емкостей измерительного моста и соединительных кабелей на точность измерений в процессе эксперимента;
- недостаточная точность и значительная трудоемкость динамической калибровки измерительного канала косвенным методом.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности и точности измерения статических и динамических сигналов измерительного преобразователя на несущей частоте, увеличение значения несущей частоты напряжения питания измерительного моста и расширение частотного диапазона измеряемых сигналов.
Решение поставленной задачи и технический результат достигается тем, что в измерительном преобразователе на несущей частоте, содержащем измерительный мост, задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты, переключатель уровня напряжения питания измерительного моста, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, устройство выбора режима работы преобразователя, предварительный усилитель несущей частоты, синхронный детектор измеряемого сигнала, фильтр нижних частот с программно-управляемой частотой среза, усилитель постоянного напряжения с программно-управляемым коэффициентом усиления, балансировочное устройство, состоящее из буферного операционного усилителя напряжения питания измерительного моста, делителя напряжения питания измерительного моста, цифрового потенциометра омической балансировки сигнала и цифрового потенциометра фазовой балансировки сигнала, устройство калибровки измерительного канала, состоящее из буферного операционного усилителя напряжения питания измерительного моста, делителя напряжения питания измерительного моста, в измерительные цепи преобразователя введены: устройство автоматической компенсации емкостного небаланса измерительного моста с соединительным кабелем, состоящее из фазовращателя напряжения питания измерительного моста, дополнительного синхронного детектора реактивной составляющей измеряемого сигнала, формирователя сигнала управления дополнительным синхронным детектором реактивной составляющей измеряемого сигнала, фильтра нижних частот и перемножителя аналоговых сигналов фильтра и фазовращателя, суммирующий усилитель измеряемого сигнала и выходного сигнала перемножителя аналоговых сигналов, буферный прецизионный усилитель измеряемого сигнала, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, формирователь опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, включающий синхронный детектор напряжения питания измерительного моста, фильтр нижних частот, буферный прецизионный усилитель опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, устройство динамической калибровки преобразователя на несущей частоте, включающее программно-управляемый генератор звуковой частоты и аналоговый перемножитель сигналов звукового генератора и задающего генератора несущей частоты, микроконтроллер, компьютер, при этом выход буферного прецизионного усилителя измеряемого сигнала соединен с одним из измерительных входов аналого-цифрового преобразователя, выход усилителя мощности напряжения питания измерительного моста соединен с фазовращателем напряжения питания измерительного моста, выход фазовращателя соединен с формирователем сигнала управления дополнительным синхронным детектором реактивной составляющей измеряемого сигнала и одним из входов перемножителя аналоговых сигналов, выход дополнительного синхронного детектора через фильтр нижних частот соединен с другим входом перемножителя аналоговых сигналов, выход перемножителя аналоговых сигналов соединен с входом суммирующего усилителя измеряемых сигналов, а вход дополнительного синхронного детектора реактивной составляющей измеряемых сигналов соединен с выходом суммирующего усилителя, выход буферного операционного усилителя напряжения питания измерительного моста устройства калибровки измерительного канала соединен с входом синхронного детектора напряжения питания измерительного моста, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход фильтра нижних частот соединен с входом буферного прецизионного усилителя, выход которого соединен с входом опорного напряжения и вторым измерительным входом аналого-цифрового преобразователя, один из входов аналогового перемножителя устройства динамической калибровки преобразователя на несущей частоте соединен с выходом генератора звуковой частоты, другой - с выходом задающего генератора несущей частоты, выход аналогового перемножителя соединен с входом усилителя мощности питания измерительного моста, управляющие выходы микроконтроллера соединены с входами устройства выбора режима работы преобразователя, синхронного детектора измеряемого сигнала, фильтра нижних частот с программируемой частотой среза, усилителя постоянного напряжения с программно-управляемым коэффициентом усиления, задающего генератора несущей частоты, переключателя уровня напряжения питания измерительного моста, генератора звуковой частоты устройства динамической калибровки, микроконтроллер соединен с выходом преобразователя синусоидального напряжения несущей частоты в прямоугольное, а также с аналого-цифровым преобразователем и компьютером.
Благодаря наличию указанных отличительных свойств в совокупности (указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат:
- повышение точности измерений статических и динамических сигналов преобразователем на несущей частоте;
- автоматическая стабилизация коэффициента преобразования измерительного канала преобразователя, путем формирования опорного напряжения АЦП из напряжения питания измерительного моста;
- автоматическая компенсация реактивной составляющей напряжения небаланса измерительного канала, вызванной нестабильностью емкостей измерительного моста и соединительных кабелей как до, так и в процессе эксперимента, уменьшающая погрешности измерения;
- расширение частотного диапазона измеряемых сигналов, за счет увеличения значения несущей частоты напряжения питания измерительного моста;
- повышение точности и снижение трудоемкости балансировки и динамической калибровки преобразователя.
Изобретение поясняется чертежом (Фиг. 1).
Предлагаемый измерительный преобразователь на несущей частоте включает: измерительный мост 1, задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты 2, переключатель уровня напряжения питания измерительного моста датчика 3, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением 4, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное 5, устройство выбора режима работы преобразователя 6, предварительный усилитель несущей частоты 7, суммирующий усилитель измеряемого сигнала и выходного сигнала перемножителя аналоговых сигналов 8, синхронный детектор измеряемого сигнала 9, активный фильтр нижних частот с программно-управляемой частотой среза 10, усилитель постоянного напряжения с программно-управляемым коэффициентом усиления 11, буферный прецизионный усилитель измеряемого сигнала 12, балансировочное устройство 13, состоящее из буферного операционного усилителя напряжения питания измерительного моста 14, делителя напряжения питания измерительного моста 15, цифрового потенциометра омической балансировки сигнала 16, цифрового потенциометра фазовой балансировки сигнала 17, устройство калибровки измерительного канала 18, состоящее из буферного операционного усилителя напряжения питания измерительного моста 19 и делителя напряжения питания измерительного моста 20, устройство автоматической компенсации емкостного небаланса измерительного моста с соединительным кабелем 21, содержащее фазовращатель напряжения питания измерительного моста 22, дополнительный синхронный детектор реактивной составляющей измеряемого сигнала 24, формирователь сигнала управления 23 дополнительным синхронным детектором реактивной составляющей измеряемого сигнала 24, фильтр нижних частот 25, перемножитель аналоговых сигналов фильтра и фазовращателя 26, двухканальный аналого-цифровой преобразователь 27, формирователь опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 28, синхронный детектор напряжения питания измерительного моста датчика 29, фильтр нижних частот 30, буферный прецизионный усилитель 31 опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, устройство динамической калибровки преобразователя на несущей частоте 32, программно-управляемый генератор звуковой частоты 33, аналоговый перемножитель сигналов звукового генератора и задающего генератора несущей частоты 34, микроконтроллер 35, компьютер 36.
Предлагаемый измерительный преобразователь на несущей частоте работает следующим образом:
Напряжение несущей частоты синусоидальной формы устанавливается в задающем генераторе частоты 2 кодом (COD1), поступающим на управляющий вход генератора от микроконтроллера 35. Выходное напряжение задающего генератора 2, через переключатель 3 уровня напряжения питания измерительного моста 1, подается на усилитель мощности 4, который формирует парафазное напряжение для питания измерительного моста 1. Напряжение измерительного моста устанавливается на один из двух уровней 10 В и 5 В переключением резисторов на выходе генератора несущей частоты 2.
x
x
к
0
к
Измеряемый сигнал U на несущей частоте с измерительного моста 1 поступает на устройство выбора режима работы 6 преобразователя, усиливается предварительным усилителем несущей частоты 7, поступает на суммирующий усилитель 8, подвергается синхронному детектированию в синхронном детекторе 9, фильтруется фильтром нижних частот 10 с программируемой частотой среза. С помощью устройства выбора режима работы 6 преобразователя осуществляется выбор между измеряемым сигналом U, калибровочным U и нулевым сигналом общей шины U. Калибровочный сигнал U формируется калибровочным устройством 18 из напряжения, поступающего с диагонали питания измерительного моста 1, через буферный операционный усилитель 19 на резистивный делитель напряжения 20.
После синхронного детектирования в синхронном детекторе 9 и фильтрации фильтром 10 с программируемой частотой среза сигнал нормализуется в усилителе постоянного напряжения 11 с программируемым коэффициентом усиления, поступает на буферный прецизионный усилитель 12 с дифференциальным выходом и оцифровывается 24-разрядным аналого-цифровым преобразователем 27 с дифференциальными входами (IN1+, IN1-).
Опорное напряжение аналого-цифрового преобразователя формируется из напряжения питания измерительного моста 1 с помощью формирователя 28. Напряжение питания измерительного моста после буферного операционного усилителя 19 подвергается детектированию в синхронном детекторе 29, фильтруется фильтром нижних частот 30, нормализуется в буферном прецизионном усилителе 31 с дифференциальным выходом и подается на входы опорного напряжения (REF+, REF-) и на второй дифференциальный вход аналого-цифрового преобразователя 27 (IN2+, IN2-) для измерения.
Схема измерения, в которой в качестве опорного напряжения АЦП используется напряжение, сформированное из напряжения питания измерительного моста (логометрическая), компенсирует погрешности преобразования от нестабильности питания измерительного моста.
Компенсация сдвига измеряемого сигнала, возникающего за счет активных и реактивных параметров измерительного моста 1 и соединительных кабелей - фазо-омическая балансировка, проводится перед экспериментом и осуществляется подачей напряжения смещения на вход опорного напряжения предварительного усилителя 7, что позволяет устранить перегрузку измерительного канала (нелинейный режим работы) при больших уровнях сдвига сигнала. Напряжение смещения формируется из напряжения питания измерительного моста балансировочным устройством 13, содержащим буферный операционный усилитель 14 напряжения питания измерительного моста, резистивный делитель напряжения 15 и два параллельно соединенных по выходу цифровых потенциометров 16 и 17, программно-управляемых от микроконтроллера 35 по интерфейсу SPI. Один из потенциометров 16 компенсирует омический сдвиг сигнала, возникающий из-за разброса активных сопротивлений измерительного моста 1, другой - 17 с конденсатором на выходе, компенсирует фазовый сдвиг сигнала, возникающий за счет реактивных параметров измерительного моста 1 и соединительных кабелей. Компенсация фазового сдвига в измерительных каналах осуществляется программно временным сдвигом сигналов управления синхронным детектором измеряемого сигнала 9 (SIG CARR) и синхронным детектором опорного сигнала (REF CARR) АЦП, по отношению к фазе сигнала (CARR), сформированным с помощью преобразователя 5 синусоидального напряжения генератора 2 в прямоугольное. Временные сдвиги программно формируются в микроконтроллере.
Фазо-омическая балансировка измерительного канала с помощью балансировочного устройства 13 и компенсация фазового сдвига сигнала с помощью временных сдвигов управляющих сигналов синхронным детектором 9 измеряемого сигнала и синхронным детектором 29 опорного напряжения АЦП осуществляются перед экспериментом и не учитывают изменение во времени емкостной составляющей напряжения небаланса измерительного канала из-за нестабильности емкостей измерительного моста и соединительных кабелей в процессе эксперимента, приводящие к возникновению погрешностей измерения. Для устранения этой погрешности применено устройство автоматической компенсации емкостного небаланса измерительного канала 21, содержащее фазовращатель 22 напряжения питания измерительного моста, формирователь сигнала управления 23 дополнительным синхронным детектором 24 измеряемого сигнала, фильтр нижних частот 25, аналоговый перемножитель 26 сигналов фазовращателя 22 и сигнала фильтра нижних частот 25. На вход дополнительного синхронного детектора 24 поступает измеряемый сигнал с выхода суммирующего усилителя 8, выходной сигнал аналогового перемножителя 26 поступает на вход суммирующего усилителя 8, образуя отрицательную обратную связь по фазовой составляющей измеряемого сигнала, автоматически компенсируя сигнал емкостного небаланса измерительного канала, вызванного нестабильностью емкостей измерительного моста и соединительных кабелей, как до, так и во время эксперимента.
Калибровка измерительного преобразователя по динамическим нагрузкам на объект исследований осуществляется с помощью устройства динамической калибровки 32 непосредственно на экспериментальной установке с измерительными трассами. В процессе динамической калибровки в генераторе звуковой частоты 33, программно-управляемом от микроконтроллера 36 (COD2), устанавливается напряжение в исследуемом частотном диапазоне нагрузки. Выходное напряжение генератора звуковой частоты подается на один из входов аналогового перемножителя 34, на другой - напряжение с задающего генератора несущей частоты 2. Выходное напряжение аналогового перемножителя 34 поступает в усилитель мощности 4 питания измерительного моста. В результате, измерительный мост объекта нагружения будет питаться амплитудно-модулированным напряжением, и при нагружении объекта спектр выходного напряжения измерительного моста будет совпадать со спектром сигнала при динамическом нагружении конструкции.
Микроконтроллер 35 управляет устройством 6 выбора режима работы преобразователя (G0, G1, G2), синхронным детектором 9 измеряемого сигнала (SIG CARR), фильтром нижних частот 10 с программируемой частотой среза (G0, G1), усилителем постоянного напряжения 11 с программно-переключаемым коэффициентом усиления (G0, G1), генератором несущей частоты 2 (COD1), переключателем уровня напряжения питания 3 измерительного моста 1 (5/10 В), генератором звуковой частоты 33 (COD2), аналого-цифровым преобразователем 27 (DATA), а также воспринимает сигнал преобразователя 5 синусоидального напряжения генератора 2 в прямоугольное (CARR), из которого программно формируются временные сдвиги сигналов управления синхронным детектором 9 (SIG CARR) измеряемого сигнала и синхронным детектором 29 (REF CARR) формирователя опорного напряжения 29 АЦП для точной компенсации фазового сдвига сигнала перед экспериментом. Обмен данными между микроконтроллером 35 и компьютером пользователя 36 осуществляется с помощью устройств стандартных последовательных интерфейсов (RS485, Ethernet).
Предлагаемое техническое решение измерительного преобразователя на несущей частоте найдет применение в различных областях измерительной техники и соответствует критерию охраноспособности - «промышленное применение».
Принципы построения измерительного преобразователя на несущей частоте проверены на макетах устройств и подтвердили работоспособность и эффективность предлагаемых технических решений.