RU2009448C1

RU2009448C1 - Strain measuring device

Info

Publication number: RU2009448C1
Authority: RU
Inventors: П.П. Емельянов
Original assignee: Научно-производственное объединение "Полюс"
Priority date: 1991-04-09
Filing date: 1991-04-09
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: strain measurement. SUBSTANCE: imitators of measuring converter are connected to measuring unit by means of switches. Imitators are made of five resistors each according to star-shaped circuit. Equivalent four-terminal network of the circuit is identical to measuring converter. EFFECT: improved precision of checking of limit values of deformations. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения различных механических величин, например, давления или силы, по вызванным ими деформациям. The invention relates to measuring technique and can be used to measure various mechanical quantities, for example, pressure or force, due to deformations caused by them.

Известно тензометрическое устройство, содержащее два тензорезистора, источник питания, два операционных усилителя, масштабные делители, масштабные усилители, сумматоры и резисторы [ 1 ] . Устройство не сохраняет точностные характеристики при изменении параметров электрорадиоэлементов (ЭРИ), например, из-за старения, или других дестабилизирующих факторов. Known strain gauge device containing two strain gauges, a power source, two operational amplifiers, scale dividers, scale amplifiers, adders and resistors [1]. The device does not preserve the accuracy characteristics when changing the parameters of radio electronic elements (ERI), for example, due to aging, or other destabilizing factors.

Известны устройства для измерения давления [ 2, 3 ] , содержащие тензорезисторные мостовые датчики давления, источники питания и измерительные блоки. Однако эти устройства также не обеспечивают сохранение точностных характеристик при изменении параметров ЭРИ источников питания и измерительных блоков в условиях воздействия различных дестабилизирующих факторов, в том числе, например, старения ЭРИ. Known devices for measuring pressure [2, 3], containing strain gauge bridge pressure sensors, power sources and measuring units. However, these devices also do not ensure the preservation of accuracy characteristics when changing the parameters of the EMI of power sources and measuring units under the influence of various destabilizing factors, including, for example, aging of the EMI.

Известно также устройство [4] , содержащее тензорезисторный измерительный преобразователь, блок питания и измерительный блок с дифференциальными входами, в котором для учета изменений параметров цепей связи блок питания чувствительного элемента выполнен в виде стабилизатора тока. И это устройство не свободно от недостатка, заключающегося в понижении точности из-за изменения параметров ЭРИ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, например, температуры окружающей среды, или старения ЭРИ в течение срока службы. A device [4] is also known, comprising a strain gauge measuring transducer, a power supply and a measuring unit with differential inputs, in which, to account for changes in the parameters of the communication circuits, the power supply of the sensitive element is made in the form of a current stabilizer. And this device is not free from the disadvantage of a decrease in accuracy due to changes in the parameters of ERI under the influence of destabilizing factors, for example, ambient temperature, or aging of ERI during its service life.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство [5] , содержащее тензометрические преобразователи, измерительный блок, включенные между ними коммутаторы и связанный с ними блок управляющих сигналов. Но и это устройство не сохраняет точностные характеристики в условиях воздействия различных дестабилизирующих факторов из-за изменения параметров ЭРИ измерительного блока. The closest in technical essence to the proposed is a device [5], containing strain gauges, measuring unit, the switches included between them and the associated control signal unit. But this device also does not maintain accuracy characteristics under the influence of various destabilizing factors due to changes in the parameters of the EMI of the measuring unit.

Цель изобретения - повышение точности контроля. The purpose of the invention is to increase the accuracy of control.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем тензометрические преобразователи, измерительный блок, включенные между ними коммутаторы и связанный с ними блок управляющих сигналов, по крайней мере два из указанных преобразователей выполнены в виде имитаторов сигналов с параметрами эквивалентного четырехполюсника, аналогичными измерительному преобразователю. При этом выходной сигнал одного из имитаторов устанавливается равным выходному сигналу тензорезисторного измерительного преобразователя при первом опорном значении измеряемой физической величины, а выходной сигнал второго имитатора устанавливается равным выходному сигналу тензорезисторного измерительного преобразователя при втором опорном значении измеряемой физической величины, первое и второе опорные значения могут быть выбраны любыми, не совпадающими между собой значениями из диапазона возможных изменений измеряемой физической величины. This goal is achieved by the fact that in a device containing strain gauges, a measuring unit, switches connected between them and a block of control signals connected between them, at least two of these converters are made in the form of signal simulators with equivalent four-terminal parameters similar to a measuring converter. In this case, the output signal of one of the simulators is set equal to the output signal of the strain gauge measuring transducer at the first reference value of the measured physical quantity, and the output signal of the second simulator is set equal to the output signal of the strain gauge measuring transducer at the second reference value of the measured physical quantity, the first and second reference values can be selected any non-coinciding values from the range of possible changes in the measured physical size.

Кроме того, с целью упрощения схемы и повышения технологичности, каждый имитатор мостового измерительного преобразователя может быть выполнен на пяти резисторах, один из которых общий, с каждым из выводов этого резистора соединены попарно последовательно остальные резисторы, вторые выводы которых из разных пар являются входами питания и сигнальными выходами. In addition, in order to simplify the circuit and improve manufacturability, each simulator of a bridge measuring transducer can be made with five resistors, one of which is common, with each of the terminals of this resistor connected in series with the other resistors, the second conclusions of which from different pairs are power inputs and signal outputs.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема имитатора мостового измерительного преобразователя. In FIG. 1 shows a block diagram of a device; in FIG. 2 is a circuit diagram of a bridge transmitter simulator.

Устройство содержит тензорезисторный измерительный преобразователь 1, выполненный по мостовой схеме, измерительный блок 2 с дифференциальными входами, блок 3 питания, выполненный в виде стабилизатора тока, имитаторы 4 и 5 тензорезисторного измерительного преобразователя, коммутаторы 6,7,8, блок 9 управляющих сигналов и общую шину 10. The device contains a strain gauge measuring transducer 1, made according to the bridge circuit, a measuring unit 2 with differential inputs, a power supply unit 3 made in the form of a current stabilizer, simulators 4 and 5 of a strain gauge measuring transducer, switches 6,7,8, control signal unit 9 and a common bus 10.

Каждый из имитаторов 4 и 5 может быть собран по схеме фиг. 2 на резисторах 11-15. Параметры резисторов определяются параметрами тензорезисторного мостового измерительного преобразователя, при этом сопротивление резистора 11 определяет уровень выходного сигнала, сумма сопротивлений резисторов 11,12,14 должна быть равна сопротивлению мостового измерительного преобразователя по диагонали питания, а сумма сопротивлений резисторов 11,13,15 должна быть равна сопротивлению мостового измерительного преобразователя по диагонали выходного сигнала. Each of the simulators 4 and 5 can be assembled according to the scheme of FIG. 2 on resistors 11-15. The parameters of the resistors are determined by the parameters of the strain gauge bridge measuring transducer, while the resistance of the resistor 11 determines the level of the output signal, the sum of the resistances of the resistors 11,12,14 should be equal to the resistance of the bridge measuring transducer along the power diagonal, and the sum of the resistances of the resistors 11,13,15 should be equal resistance of the bridge measuring transducer along the diagonal of the output signal.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Тензорезисторный измерительный преобразователь 1 и имитаторы 4,5 поочередно подключаются к блоку 3 питания коммутатором 6 и к дифференциальным входам измерительного блока 2 коммутаторами 7 и 8. Одновременность и последовательность срабатывания коммутаторов 6,7,8 определяется блоком 9 управляющих сигналов. The strain gauge measuring transducer 1 and simulators 4,5 are alternately connected to the power supply unit 3 by the switch 6 and to the differential inputs of the measuring unit 2 by the switches 7 and 8. The simultaneity and sequence of operation of the switches 6,7,8 is determined by the control signal unit 9.

Процесс измерения состоит из трех тактов. В первом такте к блоку 3 питания и к измерительному блоку 2 подключается имитатор 4, вырабатывающий сигнал, равный выходному сигналу тензорезисторного измерительного преобразователя при первом опорном значении измеряемой физической величины, во втором - имитатор 5, вырабатывающий сигнал, равный выходному сигналу тензорезисторного измерительного преобразователя при втором опорном значении измеряют физической величины, в третьем - тензорезисторный измерительный преобразователь 1, при этом сигналы на выходе измерительной цепи имеют соответственно следующие значения:
U₁= KI Δ R₁;
U₂= KI Δ R₂;
U_g= KI Δ R_g,
где U₁, U₂, U_g - сигналы на выходе измерительной цепи в первом, во втором и третьем тактах измерения, соответственно;
К - коэффициент передачи измерительной цепи;
I - ток питания, обеспечивается блоком 3 питания (стабилизатором тока) неизменным в течение этих тактов измерения (в течение одного цикла измерения);
Δ R₁, Δ R₂ - абсолютные изменения сопротивления тензорезисторного измерительного преобразователя при первом и втором опорных значениях измеряемой физической величины, устанавливаемые резисторами 11 на имитаторах 4 и 5, соответственно. Обеспечиваются неизменными в течение всего срока службы устройства применением прецизионных термостабильных резисторов. Опорные значения измеряемой физической величины выбираются не совпадающими между собой любыми из диапазона изменений этой физической величины;
Δ R_g - абсолютное изменение сопротивления тензорезисторного измерительного преобразователя, по которому определяется значение измеряемой физической величины.The measurement process consists of three measures. In the first cycle, a simulator 4 is connected to the power supply unit 3 and to the measuring unit 2, generating a signal equal to the output signal of the strain gauge measuring transducer at the first reference value of the measured physical quantity, in the second - simulator 5, generating a signal equal to the output signal of the strain gauge measuring transducer at the second the reference value is measured physical quantity, in the third - strain gauge measuring transducer 1, while the signals at the output of the measuring circuit have the corresponding etstvenno the following values:
U ₁ = KI Δ R ₁ ;
U ₂ = KI Δ R ₂ ;
U _g = KI Δ R _g ,
where U ₁ , U ₂ , U _g - signals at the output of the measuring circuit in the first, second and third measurement steps, respectively;
K is the transmission coefficient of the measuring circuit;
I is the supply current provided by the power supply unit 3 (current stabilizer) unchanged during these measurement cycles (during one measurement cycle);
Δ R ₁ , Δ R ₂ - absolute changes in the resistance of the strain gauge measuring transducer at the first and second reference values of the measured physical quantity, set by resistors 11 on simulators 4 and 5, respectively. Provided unchanged throughout the life of the device using precision thermostable resistors. The reference values of the measured physical quantity are selected not coinciding with each other from any range of changes of this physical quantity;
Δ R _g is the absolute change in the resistance of the strain gauge measuring transducer, which determines the value of the measured physical quantity.

Учитывая, что в течение одного цикла измерения ток питания I и коэффициент К передачи измерительной цепи устройства остаются неизменными, результат измерения абсолютного изменения сопротивления тензорезисторного измерительного преобразователя подсчитывается по формуле
ΔR_g= ΔR₂+

(U_g-U₂).Considering that during one measurement cycle the supply current I and the transmission coefficient K of the measuring circuit of the device remain unchanged, the result of measuring the absolute change in the resistance of the strain gauge measuring transducer is calculated by the formula
ΔR _g = ΔR ₂ +

(U _g -U ₂ ).

Если для измерений используется линейный участок характеристики тензорезисторного измерительного преобразователя, то результат измерения подсчитывается по формуле
P_g= P₂+

(U_g-U₂),
где P_g - измеряемая физическая величина,
Р₁, Р₂ - первое и второе опорные значения измеряемой физической величины, на которые проведена настройка имитаторов 4 и 5 тензорезисторного измерительного преобразователя.If a linear section of the characteristic of a strain gauge transducer is used for measurements, then the measurement result is calculated by the formula
P _g = P ₂ +

(U _g -U ₂ ),
where P _g is the measured physical quantity,
P ₁ , P ₂ - the first and second reference values of the measured physical quantity, which are configured simulators 4 and 5 of the strain gauge measuring transducer.

Таким образом, результат измерения не имеет составляющей, содержащей значение тока 1 питания и коэффициента К передачи измерительной цепи, снижающей его точность, которая имеет место в известном устройстве. Thus, the measurement result does not have a component containing the value of the supply current 1 and the transmission coefficient K of the measuring circuit, reducing its accuracy, which occurs in the known device.

В предложенной схеме имитатора выходной сигнал определяется сопротивлением только резистора 11, а не разностью всех резисторов, как в мостовой схеме, и, следовательно, исключается необходимость применения сверхпрецизионных резисторов и кропотливой настройки их, что повышает технологичность устройства и обеспечивает сохранение точностных характеристик в течение всего срока службы. In the proposed simulator circuit, the output signal is determined by the resistance of only the resistor 11, and not by the difference of all resistors, as in the bridge circuit, and, therefore, the need for super-precision resistors and painstaking tuning of them is eliminated, which increases the manufacturability of the device and ensures the preservation of accuracy characteristics over the entire period service.

(56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1610328, кл. G 01 L 9/04, G 01 B 7/18. (56) 1. USSR author's certificate N 1610328, cl. G 01 L 9/04, G 01 B 7/18.

2. Виглеб Г. Датчики Пер. с нем. -М. : Мир, 1989. рис. 3.2.1, 3.3.1. 2. Vigleb G. Sensors Per. with him. -M. : World, 1989. 3.2.1, 3.3.1.

3. Ильинская Л. С. , Подмарьков А. Н. Полупроводниковые тензодатчики. -М. -Л. : Энергия, 1966, (Библиотека по автоматике, вып. 189). Рис. 38. 3. Ilyinskaya L. S., Podmarkov A. N. Semiconductor strain gauges. -M. -L. : Energy, 1966, (Automation Library, vol. 189). Fig. 38.

4. Комплекс полупроводниковых тензорезисторных измерительных преобразователей "Сапфир" (В. Л. Кенигсберг, В. М. Стучебников, В. И. Сердюков и др. - Измерительная техника, 1978, N 10, с. 84-86. 4. The complex of semiconductor strain gauge measuring transducers "Sapphire" (V. L. Koenigsberg, V. M. Stuchebnikov, V. I. Serdyukov and others. - Measuring equipment, 1978, N 10, pp. 84-86.

5. Эрлер В. , Вальтер Л. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами, Пер. с нем. -М. : Мир, 1974, стр. 208-214. 5. Erler V., Walter L. Electric measurements of non-electric quantities by semiconductor strain gages, Per. with him. -M. : World, 1974, pp. 208-214.

Claims

1. TENZOMETRIC DEVICE containing strain gauges, measuring unit, switches included between them and a control signal unit connected with them, characterized in that, in order to increase the accuracy of deformation control, at least two of these converters are made in the form of signal simulators with parameters equivalent four-terminal, similar to the measuring transducer.

2. The device according to p. 1, characterized in that each simulator is made of five resistors, one of which is common, with the conclusions of which the remaining resistors are connected in pairs in series.