Тензопреобразователь

Классификация по МПК: G01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2066043
Дата публикации: 
Вторник, Август 27, 1996


Использование: измерительная техника для измерения деформаций в машиностроительных конструкциях. Сущность изобретения: предложенная схема тензопреобразователя обеспечивает повышение помехозащищенности за счет подавления помех, воздействующих не только на тензомост 1, но и на весь измерительный тракт, включая линии связи и регистратор 12. Тензопреобразователь 1 помехозащищен по отношению к воздействию кондуктивных помех путем электрического соединения опорного потенциала регистратора 12 с выходом схемы 15 выделения и подавления помех. В результате синфазного и синхронного действия помех на информационном входе и опорном потенциале регистратора 12 обеспечивается их подавление. 5 ил.

, , , ,


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформаций в машиностроительных конструкциях.

Известен тензопреобразователь, содержащий тензомост, два параллельно соединенных преобразователя напряжение-ток, измерительный усилитель, входы которого соединены с выходами преобразователей напряжение-ток, и схему подавления синфазной помехи, выполненную в виде последовательно соединенных двух резисторов, общая точка которых соединена через разделительный конденсатор с входом инвертирующего усилителя, выход которого через резистивный делитель соединен с измерительной диагональю тензомоста, а выход тензомоста соединен с входами преобразователей напряжение-ток.

Известный тензопреобразователь осуществляет подавление синфазной помехи за счет введения отрицательной обратной связи с помощью инвертирующего усилителя напряжения, с выхода которого синфазная помеха через резистивный делитель подается на измерительную диагональ тензомоста.

Однако в известном тензопреобразователе помехи подавляются лишь частично, т. е. в самом тензомосте, что не обеспечивает полного эффекта подавления помех в случае, если регистратор удален от тензомоста, а помехи наводятся на соединительную линию и сам регистратор (1).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является тензопреобразователь, содержащий тензомост, два параллельно соединенных преобразователя напряжение-ток, преобразователь ток-напряжение, выполняющий функции измерительного усилителя, вход которого соединен с выходами преобразователей напряжение-ток, и схему выделения и подавления синфазной помехи, состоящей из последовательно соединенных операционного усилителя и транзистора. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с земляной шиной, коллектор транзистора соединен с плюсом источника питания, а эмиттер с второй вершиной диагонали питания тензомоста, последовательно соединенные первый и второй резисторы включены в измерительную диагональ тензомоста, точка соединения которых соединена с инвертирующим входом операционного усилителя. Операционный усилитель охвачен отрицательной обратной связью по синфазной помехе за счет привязки входов тензопреобразователя к потенциалу земляной шины (2).

Недостатком данного тензопреобразователя является то, что, как и в аналоге, подавление синфазной помехи происходит непосредственно в измерительной диагонали тензомоста. Если же тензомост установлен на значительном расстоянии от регистрирующей аппаратуры, то помехи, которые наводятся на линию связи, а также непосредственно на регистратор, сильно влияют на точность измерения, искажая результаты измерений.

Кроме того, в известном тензопреобразователе осуществляется подавление только синфазной помехи, при этом не обеспечивается защита от противофазных помех.

Задача, на решение которой направлено изобретение обеспечить подавление как синфазных, так и противофазных помех непосредственно на регистраторе.

Задача решается тем, что тензопреобразователь, содержащий тензомост, измерительный усилитель, источник опорного напряжения и схему выделения и подавления помехи, снабжен коммутатором, выполненным в виде последовательно соединенных первого эмиттерного повторителя, первого фильтра высокой частоты, усилителя высокой частоты, пикового детектора и компаратора, последовательно соединенными первым ключом, линией задержки и регистратором, вторым ключом, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, управляющий вход с выходом компаратора, третьим ключом, первый вход которого соединен с выходом регистратора, управляющий вход с выходом компаратора, выход с земляной шиной, схема выделения и подавления помехи выполнена в виде последовательно соединенных второго эмиттерного повторителя, второго фильтра высокой частоты и усилителя мощности, выход которого соединен с вторым входом третьего ключа, выход тензометра соединен с входом измерительного усилителя, выход которого соединен с первым входом первого ключа, выход компаратора соединен с управляющим входом первого ключа, выход второго ключа соединен с входом второго эмиттерного повторителя, а источник опорного напряжения соединен с вторым входом компаратора.

Тензопреобразователь содержит последовательно соединенные тензомост 1, измерительный усилитель 2, коммутатор 3, выполненный в виде последовательно соединенных первого эмиттерного повторителя 4, первого фильтра 5 высокой частоты, усилителя 6 высокой частоты, пикового детектора 7 и компаратора 8, источник 9 опорного напряжения, выход которого соединен с вторым компаратором 8, последовательно соединенный первый ключ 10, линию 11 задержки и регистратор 12 (нагрузку), второй ключ 13, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя 2, управляющий вход с выходом компаратора 8, третий ключ 14, первый вход которого соединен с выходом регистратора 12, управляющий вход с выходом компаратора 8, выход с земляной шиной тензопреобразователя, схему 15 выделения и подавления помехи, выполненную в виде последовательно соединенных второго эмиттерного повторителя 16, второго фильтра 17 высокой частоты и усилителя 18 мощности, выход которого соединен с вторым входом третьего ключа 14, выход измерительного усилителя 2 соединен с первым входом первого ключа 10, выход компаратора 8 соединен с управляющим входом первого ключа 10, а выход второго ключа 13 соединен с входом второго эмиттерного повторителя 16.

Коммутатор 3 предназначен для частотной селекции импульсных или высокочастотных помех.

Линия 11 задержки (выполненная, например, на пассивных С-элементах) предназначена для временной задержки помехи, поступающей на информационный вход регистратора 12 (нагрузку). Первый ключ 10 в исходном состоянии замкнут на первый контакт, второй ключ 13 в исходном состоянии замкнут и третий ключ 14 в исходном состоянии замкнут на контакт 1. Опорный потенциал регистратора 12 в исходном состоянии соединен через первый контакт третьего ключа 14 с земляной шиной тензопреобразователя.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в том, что предложенная конструкция тензопреобразователя обеспечивает повышение помехозащищенности за счет подавления помех, воздействующих не только на тензомост 1, но и на весь измерительный тракт, включая линии связи и регистратор 12, путем их синхронного и синфазного выделения. При этом, в частности, обеспечивается высокая помехозащищенность тензопреобразователя с линиями связи большой протяженности, необходимыми для проведения испытаний в полевых условиях.

Тензопреобразователь помехозащищен по отношению к воздействию кондуктивных помех, протекающих по корпусу (земле) тензопреобразователя, которые создаются посторонними источниками электромагнитных помех. Это достигается соединением опорного потенциала регистратора 12 с выходом схемы 15 выделения и подавления помех.

Предложенный тензопреобразователь за счет частотной селекции аддитивной смеси информацинного сигнала и помех, осуществляемой вторым фильтром 17 высокой частоты, обеспечивает защиту от воздействия помех синфазного и противофазного вида. При этом за счет включения опорного потенциала регистратора 12 на выход схемы 15 выделения и подавления помех осуществляется также подавление синфазных помех, наводимых от возможных внешних источников электромагнитных помех непосредственно на регистратор 12. Это обуславливается практически идентичным воздействием синфазных помех как на информационный вход регистратора 12, так и на его опорный потенциал, в результате чего регистратор 12 становится нечувствительным к разностному напряжению, определяемому действия синфазных помех.

На фиг. 1 представлена блок-схема тензопреобразователя; на фиг.2 эпюры напряжений; на фиг.3 электрическая схема замещения, иллюстрирующая принцип выделения и подавления помех; фиг.4 иллюстрирует результат подавления помех на регистраторе 12 при наличии разнополярных помех импульсного вида; фиг.5 - результат подавления высокочастотных помех синусоидального вида на регистраторе 12.

Работает тензопреобразователь следующим образом.

При отсутствии помех, воздействующих на тензопреобразователь, информацоинный сигнал с выхода тензометра 1 поступает на измерительный усилитель 2, далее через контакт 1 первого ключа 10 поступает на информационный вход регистратора 12 (нагрузку).

При воздействии на тензопреобразователь импульсных и/или высокочастотных электромагнитных помех аддитивного характера последние (фиг.2а) выделяются в коммутаторе 3. Аддитивная смесь сигнала и помехи поступает на вход первого эмиттерного повторителя 4, который осуществляет развязку между измерительным усилителем 2 и коммутатором 3. С помощью первого фильтра 5 высокой частоты (фиг. 2б) помеха выделяется, далее усиливается усилителем 6 высокой частоты, демодулируется пиковым детектором 7 (фиг.2д). На компараторе 8 сигнал помехи сравнивается по уровню с напряжением источника 9 опорного напряжения (фиг. 2в).

При превышении уровня опорного напряжения в момент времени 1 срабатывает компаратор 8, сигнал управления которого (фиг.2г) замыкает одновременно контакты 2 первого 10, второго 13 и третьего 14 ключей.

При этом включаются: линия 11 задержки, осуществляющая временную задержку τ, равную времени прохождения сигнала помехи (фиг.2д) в схеме 15 выделения и подавления помех, схема 15 выделения и подавления помех, состоящая из второго эмиттерного повторителя 16, служащего для развязки с выходом измерительного усилителя 2, второго фильтра 17 высокой частоты и усилителя 18 мощности. Схема 15 предназначена для выделения сигнала помехи на опорном потенциале регистратора 12.

Таким образом, происходит синхронизация по времени помех, поступающих на информационный вход регистратора 12 и синфазного сигнала помех, поступающего с выхода схемы 15 выделения и подавления помех. На выходе схемы 15 выделения и подавления помех (фиг.2а) синхронизованно выделяются помехи (фиг.2е) той же амплитуды и полярности, что и поступающие на вход регистратора 12 (фиг. 2д). В результате синфазного и синхронного действия помех на информационном входе и опорном потенциале регистратора 12 обеспечивается их подавление (фиг.2ж).

Таким образом, при наличии помех на вход регистратора 12 поступает аддитивная смесь информационного сигнала и помехи Uc+Uп, на опорный потенциал помеха Uп, в результате синхронного и синфазного действия помех на регистраторе 12 выделяется полезный сигнал как разность указанных напряжений:
(Ue+Uп)-Uп=Uc (1)
Информационный сигнал, имеющий амплитудно-модулированный характер, описывается выражением
Uc=Ac(1+mcosΩt), (2)
где: Ас амплитуда информационного сигнала;
m коэффициент амплитудной модуляции;
Ω угловая частота информационного сигнала.

Соответственно помехи, воздействующие на регистратор 12, являются суммой n-гармонических помех вида


где Ai, ωi и ϕi соответственно амплитуда, угловая частота и фаза гармонической помехи, причем ωi>Ω.

В результате на регистраторе 12 в исходном состоянии приложена аддитивная смесь сигнала и помех Uад


При включении схемы 15 выделения и подавления помех на регистраторе 12 выделяется разностное напряжение, определяемое выражением (4) и (3)
Uр=Uад-Uп=Ac(1+mcosΩt), (5)
т.е. свободный от помех информационный сигнал.

Пример выполнения.

На фиг. 3 источник 18 постоянного напряжения Ус=5В имитирует информационный сигнал, поступающий с измерительного усилителя 2 с внутренним сопротивлением 20, величина которого равна Р=0,3 Ом на регистратор 12, нагрузка которого равна Рн=50 Ом. Источником 19 импульсного или высокочастотного напряжения Уп имитируется помеха в тензопреобразователе. С помощью второго фильтра 17 высокой частоты, роль которого выполняет разделительная емкость Ср= 1000 пФ, из измерительного канала выделяется помеха, которая, пройдя схему 15 выделения и подавления помех, поступает через третий ключ 14 на опорный потенциал нагрузки (регистратор 12).

Фиг.4 иллюстрирует результат подавления помех на регистраторе 12 (кривая 2) при наличии разнополярных помех импульсного вида амплитудой +5У (кривая 1), фиг. 5 результат подавления (кривая 2) высокочастотных помех частотой f 100 кГц амплитудой 5У (кривая 1).

Таким образом, приведенные экспериментальные результаты подтверждают высокую эффективность предложенного тензопреобразователя, обеспечивающего повышение помехозащищенности.

Следовательно, предложенный тензопреобразователь обеспечивает высокие результаты при измерениях деформаций, в частности, лопаток турбин двигателей, горных пород при взрывных работах и т.п. требующих удаленности регистрирующей аппаратуры от места установки тензомоста. Кроме того, оно может быть применено во всех устройствах электроники в случае разделения сигнала и помехи по частотному диапазону: усилители, приемники, передатчики, устройства обработки информации и т.д.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Тензопреобразователь, содержащий тензомост, измерительный усилитель, источник опорного напряжения и схему выделения и подавления помех, отличающийся тем, что в нем выход тензомоста соединен с входом измерительного усилителя, а тензопреобразователь снабжен коммутатором, выполненным в виде последовательно соединенных первого эмиттерного повторителя, первого фильтра высокой частоты, усилителя высокой частоты, пикового детектора и компаратора, последовательно соединенными первым ключом, линией задержки и регистратором, вторым ключом, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, управляющий вход с выходом компаратора, третьим ключом, первый вход которого соединен с выходом регистратора, управляющий вход с выходом компаратора, выход с земляной шиной, схема выделения и подавления помех выполнена в виде последовательно соединенных второго эмиттерного повторителя, второго фильтра высокой частоты и усилителя мощности, выход которого соединен с вторым входом третьего ключа, выход измерительного усилителя соединен с первым входом первого ключа, выход компаратора соединен с управляющим входом первого ключа, выход которого соединен с входом второго эмиттерного повторителя, а источник опорного напряжения соединен с вторым входом компаратора.