BR102022016899A2

BR102022016899A2 - Conjunto de medidor de deformação, e, método para medir deformação

Info

Publication number: BR102022016899A2
Application number: BR102022016899-7A
Authority: BR
Inventors: Arnaud BOUCHET
Original assignee: Ratier-Figeac Sas
Priority date: 2021-09-02
Filing date: 2022-08-24
Publication date: 2023-03-14
Also published as: CN115752216A; EP4145099A1; CA3170464A1; US20230062399A1

Abstract

Um conjunto de medidor de deformação compreendendo: um medidor de deformação (10) compreendendo uma pluralidade de elementos resistivos conectados como uma ponte de Wheatstone ou meia ponte de Wheatstone; um gerador de sinal de excitação (20) disposto para fornecer um sinal de excitação para dois elementos resistivos do medidor de deformação; circuitos de deslocamento de fase (30, 40) dispostos para determinar deslocamentos de fase no sinal de excitação responsivos a mudanças em resistência dos dois elementos resistivos e um estágio final (60) configurado para emitir uma medida indicativa do deslocamento de fase como uma indicação de deformação no conjunto.

Description

CONJUNTO DE MEDIDOR DE DEFORMAÇÃO, E, MÉTODO PARA MEDIR DEFORMAÇÃO

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente divulgação se refere a um conjunto e método para obter valores de deformação de um medidor de deformação.

FUNDAMENTOS

[002] Existem muitas aplicações em que é necessário medir o torque ou a deformação aplicada a um dispositivo ou componente. Isso pode ser feito por meio de um sensor de deformação ou medidor de deformação (ou medidor) que é um sensor cuja resistência varia com a força aplicada. O medidor de deformação está localizado no dispositivo ou componente cuja deformação (devido à tensão) será medida. Quando o dispositivo ou componente é deslocado ou deformado devido à aplicação de forças externas, o medidor de deformação é correspondentemente deformado e sua resistência elétrica varia de acordo. Isso pode ser medido para fornecer uma indicação de deformação sendo medida.

[003] Deformação pode ser de tração ou compressiva, o que é indicado por um sinal positivo ou negativo da saída do medidor de deformação.

[004] Um medidor de deformação comumente usado é uma ponte de Wheatstone. Uma ponte de Wheatstone consiste em quatro elementos resistivos que são conectados juntos em uma configuração em forma de diamante. Tipicamente, todos os quatro elementos resistivos são medidores de deformação ativos para maximizar sensibilidade do transdutor, mas em alguns casos, dois resistores fixos são usados com dois medidores de deformação em vez disso. Um circuito de medidor de deformação de ponte de Wheatstone é criado montando um par de medidores de deformação em um material que será tensionado, de modo que, quando uma força for aplicada, eles esticarão ao longo de sua largura. Outro par de medidores de deformação idênticos é montado em uma direção a 90° em relação ao primeiro par. Os dois medidores de deformação que estão apontando tangencialmente serão esticados ao longo de sua largura, o que diminuirá a resistência. Os outros dois medidores de deformação que estão apontando radialmente serão esticados ao longo de seu comprimento, o que aumentará a resistência. Cada medidor de deformação é conectado ao próximo para formar uma forma de diamante, e os pontos do diamante se tornam os pontos de conexão fornecendo energia ao circuito e para medir o sinal gerado. Se uma fonte de voltagem for, então, aplicada através de dois pontos de conexão opostos do circuito de ponte de Wheatstone e um voltímetro for conectado aos dois pontos de conexão opostos restantes, uma queda de voltagem será detectada, o que variará dependendo da tensão aplicada à superfície na qual o circuito de ponte de Wheatstone está montado. Essencialmente, a razão induzida pela mudança em resistência atua como um divisor de voltagem que fornece um valor de saída diferencial Vout indicativo da deformação sendo medida. Geralmente é necessário amplificar a saída diferencial para obter uma saída útil, e também pode ser necessário ajustar a saída adicionando desvio potencial. Devido a este requisito, são necessários componentes de amplificação. Esses geralmente precisam estar localizados perto dos componentes do medidor de deformação para minimizar qualquer ruído ou quaisquer efeitos adversos que seriam causados por cabos longos entre o sensor e o amplificador, especialmente para sensores alimentados por CC. A distância entre o amplificador e o sensor pode ser maior para fontes CA. Isso aumenta a complexidade, o custo e peso do sensor e pode ser um problema em aplicações, por exemplo, em aeronaves, onde há espaço limitado.

[005] Existe, portanto, uma necessidade de um conjunto de medidores de deformação aprimorado que evite a necessidade de um amplificador, que seja simples e barato, tenha alta precisão e confiabilidade e seja menos suscetível a ruídos.

SUMÁRIO

[006] De acordo com um aspecto da divulgação, é fornecido um conjunto de medidor de deformação compreendendo: um medidor de deformação compreendendo uma pluralidade de elementos resistivos conectados como uma ponte de Wheatstone ou meia ponte de Wheatstone; um gerador de sinal de excitação disposto para fornecer um sinal de excitação a dois elementos resistivos do medidor de deformação; circuitos de deslocamento de fase dispostos para determinar deslocamentos de fase no sinal de excitação responsivo a mudanças na resistência dos dois elementos resistivos; e um estágio final compreendendo circuitos de modelagem para converter sinais deslocados de fase senoidal em sinais quadrados e para emitir uma medida indicativa do deslocamento de fase como uma indicação de deformação no conjunto.

[007] De acordo com outro aspecto, é fornecido um método para medir deformação compreendendo aplicar um sinal de excitação a elementos resistivos de um medidor de restrição de ponte de Wheatstone ou meia ponte de Wheatstone e determinar a deformação aplicada ao medidor de deformação de uma medida de deslocamento de fase no sinal de excitação.

BREVE DESCRIÇÃO

[008] Exemplos de acordo com a divulgação serão agora descritos com referência aos desenhos. Estes são apenas exemplos e alternativas são possíveis dentro do escopo da invenção conforme definido pelas reivindicações.

[009] Figura 1 mostra um medidor de deformação convencional usando um circuito de ponte de Wheatstone.

[0010] Figura 2 mostra um circuito de medidor de deformação de acordo com a divulgação.

[0011] Figura 3 mostra um circuito de medidor de deformação alternativo de acordo com a divulgação.

[0012] A operação de um medidor de deformação de ponte de Wheatstone convencional será primeiramente descrita brevemente com referência à Fig. 1. O medidor de deformação é formado como um medidor de deformação 1 que está localizado, em uso, na parte cuja deformação será medida. O medidor compreende quatro resistores R1, R2, R3, R4 conectados entre si, conforme descrito acima, em uma configuração de diamante. O ponto entre R1 e R2 é a extremidade 'alta' da ponte e é conectado a uma fonte de energia VSensorsupply, via um ambiente de ganho de sensor 2. A extremidade oposta - o nó entre os resistores R3 e R4 - é conectada ao terra. Quando força é aplicada ao dispositivo ou componente ao qual o medidor de deformação é fixado, o medidor de deformação torce ou deforma, o que resulta em uma mudança em resistência. O efeito é de um divisor de voltagem e a diferença de voltagem resultante entre os pontos A e B fornece uma medida da deformação. A diferença de voltagem é, então, amplificada pelo amplificador 3 adicionando desvio potencial. O amplificador 3 emite uma voltagem Vmeasure como uma medida legível da deformação.

[0013] Como mencionado acima, o amplificador tem que estar localizado próximo ao sensor (tipicamente menos de 30 cm). Se a distância for maior, principalmente para sistemas alimentados por CC, as perdas aumentam e a precisão de medição só pode ser mantida por uso de um amplificador de alto ganho. Pode haver, portanto, um desejo de obter uma medição de deformação de um sensor de ponte de Wheatstone sem a necessidade dos componentes de amplificador.

[0014] De acordo com a divulgação, isso é obtido usando um deslocamento de fase em um sinal de referência aplicado ao sensor, causado por uma mudança em resistência do sensor, como uma medida de deformação. Isso será descrito adicionalmente com referência às Figs. 2 e 3.

[0015] Com referência à Fig. 2, o conjunto inclui um medidor de deformação 10 que, neste exemplo, é essencialmente o mesmo que o medidor de deformação convencional da Fig. 1 e compreende quatro resistores R1', R2', R3' e R4' em uma configuração de ponte de Wheatstone e resistores de ajuste de ganho R5, R6. Em vez do bloco amplificador do conjunto convencional, o conjunto da divulgação inclui um bloco gerador de sinal de excitação 20 e um ou mais (dois, na Fig 2) circuitos de deslocamento de fase, que podem incluir filtros passa baixa 30, 40. Devido à maneira como a medição de deformação é adquirida de acordo com a divulgação, como será descrito adicionalmente abaixo, o gerador 20 e os blocos de deslocamento de fase 30, 40 podem ser conectados ao sensor 10 via um cabo longo (representado aqui por um modelo equivalente de indutores 50) sem experimentar os problemas descritos acima. O gerador e os filtros podem, portanto, ser localizados longe do sensor.

[0016] Nesta descrição, 'bloco de deslocamento de fase' se refere a um conjunto de circuitos eletrônicos que atua para gerar um deslocamento de fase em seu sinal de entrada, de acordo com o valor de uma resistência distante. Este bloco de deslocamento de fase pode ser baseado em elementos capacitivos e/ou indutivos e qualquer componente ativo/passivo solicitado (por exemplo, um amplificador operacional).

[0017] De acordo com a divulgação, o gerador 20 gera um sinal de excitação, por exemplo, um sinal de referência senoidal V1 que é aplicado aos nós AA e BB da ponte de sensor. À medida que a deformação faz com que o sensor se deforme e, portanto, os valores de resistência mudem (R1' torna-se R'1 e R2' torna-se R'2). R'1 está em paralelo com R'2. A resistência equivalente resultante (denominada Re1) é, então, modificada sob deformação aplicada ao medidor. Essa resistência equivalente, junto com R5, R6 e Bloco 30, fornece um estágio de deslocamento de fase com ganho igual a 1. Então, a modificação de resistência equivalente Re1 causa um deslocamento de fase entre V1 (tensão de referência de excitação) e Vout1. Da mesma forma, R4' é modificado para R'4 e R3' é modificado para R'3. R'4 está em paralelo com R'3. A resistência equivalente resultante (denominada Re2) é, então, modificada sob deformação aplicada ao medidor. Essa resistência equivalente, junto com R7, R8 e Bloco 40, fornece um estágio de deslocamento de fase com ganho igual a 1. Então, a modificação de resistência equivalente Re2 causa um deslocamento de fase entre V2 (tensão de referência de excitação) e Vout1. Em um exemplo, os blocos 30, 40 são idênticos, exceto por resistores adicionais incorporados em um dos filtros para assegurar simetria da aquisição de ponte de Wheatstone.

[0018] Para permitir que uma determinação seja feita quanto à direção de deslocamento de fase, indicativa da direção de deformação, as saídas senoidais dos filtros passa baixa são fornecidas a um estágio de saída 60 que pode ser, por exemplo, um gatilho Schmitt ou outro circuito para moldar os sinais de saída para criar respectivas ondas quadradas ou sinais digitais que podem, então, ser comparadas para determinar a quantidade e a direção do deslocamento de fase entre as duas saídas. Isso é feito medindo o tempo relativo entre a borda ascendente de um sinal e a borda descendente do outro sinal de saída.

[0019] O estágio de saída 60 pode ser, por exemplo, um gatilho Schmitt com detecção de limiar e histerese.

[0020] O Exemplo mostrado na Fig. 2 é para uma ponte de Wheatstone completa. Os princípios da divulgação também podem ser usados com uma meia ponte de Wheatstone 10', em cujo caso, os sinais comparados são o sinal de referência deslocado de fase, como um primeiro sinal, e o sinal de referência original, não deslocado, como o segundo sinal. Isso pode ser visto na Fig. 3, onde Vout1 do bloco de deslocamento de fase 30' é comparado com uma versão filtrada do sinal de referência senoidal da saída de gerador 20' do bloco de filtro passa baixa 40' e a diferença de fase é determinada da mesma forma como descrito para o exemplo da Fig. 2 para determinar a medição de deformação.

[0021] Ao usar modelagem de sinal para permitir comparação de ondas quadradas, não é necessário ajustar o ganho do sinal de acordo com a precisão do medidor de deformação. Além disso, como a medição está sendo realizada entre saídas da mesma ponte de Wheatstone, qualquer desvio induzido pelo próprio medidor de deformação deve ser compensado automaticamente, evitando assim a necessidade de ajuste neste aspecto.

[0022] Para maximizar a precisão e a eficiência, para minimizar a atenuação do ganho, embora maximizando deslocamento de mudança de fase induzida devido à mudança em resistência do medidor de deformação, a classificação de um amplificador, a frequência do sinal de referência senoidal e quaisquer valores de capacitor e/ou indutor usados no bloco de deslocamento de fase devem ser selecionados adequadamente. As medições de tempo podem ser realizadas, por exemplo, utilizando recursos embarcados de um DSP de controle de motores, por exemplo, minimizando assim a necessidade de recursos ou softwares extras.

[0023] A montagem desta divulgação, usando mudanças na resistência do medidor de deformação para causar um deslocamento de fase em um sinal de referência, o deslocamento de fase fornecendo uma medida de deformação, fornece um sistema mais simples e compacto que sistemas convencionais, tal como mostrado na Fig. 1. O conjunto é menos suscetível a ruídos e perturbações e os circuitos de medição podem ser localizados longe do medidor de deformação.

Claims

Conjunto de medidor de deformação, caracterizado pelo fato de que compreende: um medidor de deformação (10) compreendendo uma pluralidade de elementos resistivos conectados como uma ponte de Wheatstone ou meia ponte de Wheatstone; um gerador de sinal de excitação (20) disposto para fornecer um sinal de excitação para dois elementos resistivos do medidor de deformação; circuitos de deslocamento de fase (30, 40) dispostos para determinar deslocamentos de fase no sinal de excitação responsivos a mudanças em resistência dos dois elementos resistivos; e um estágio final (60) compreendendo circuitos de modelagem para converter sinais deslocados de fase senoidais em sinais quadrados e para emitir uma medida indicativa do deslocamento de fase como uma indicação de deformação no conjunto.
Conjunto de medidor de deformação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de deslocamento de fase compreende um ou mais blocos de deslocamento de fase (30, 40).
Conjunto de medidor de deformação de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o gerador de sinal de excitação (20) e os circuitos de deslocamento de fase (30, 40) estão conectados ao medidor de deformação (10) via um cabo.
Conjunto de medidor de deformação de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que o medidor de deformação compreende uma ponte de Wheatstone completa compreendendo quatro elementos resistivos conectados uns aos outros em uma configuração de diamante, em que o sinal de excitação é aplicado a dois pontos opostos da configuração de diamante entre os elementos resistivos e o circuitos de deslocamento de fase (30, 40) são conectados para receber saídas dos outros dois pontos opostos da configuração de diamante entre elementos resistivos.
Conjunto de medidor de deformação de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o circuito de deslocamento de fase compreende dois blocos de deslocamento de fase (30, 40), a saída de um dos pontos da configuração de diamante fornecida à entrada de um primeiro bloco de deslocamento de fase (30) e a saída do ponto oposto fornecida à entrada de um segundo bloco de deslocamento de fase (40) e em que os blocos de deslocamento de fase fornecem, respectivamente, um primeiro e um segundo sinais de referência de deslocamento de fase, o deslocamento de fase dependente da diferença em resistência do respectivos elementos resistivos.
Conjunto de medidor de deformação de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o estágio final (60) é configurado para moldar o primeiro e o segundo sinais deslocados de fase e comparar os sinais moldados para fornecer uma saída de diferença de fase indicativa da deformação a ser medida.
Conjunto de medidor de deformação de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o medidor de deformação compreende uma meia ponte de Wheatstone compreendendo dois elementos resistivos e em que o sinal de excitação é aplicado a um lado dos elementos resistivos e o circuito de deslocamento de fase (30, 40) compreende dois blocos de deslocamento de fase (30, 40), a saída dos elementos resistivos fornecida à entrada de um primeiro bloco de deslocamento de fase (30) e a saída do gerador de sinal de excitação (20) fornecida à entrada de um segundo bloco de deslocamento de fase (40), e em que os blocos de deslocamento de fase fornecem, respectivamente, um primeiro e um segundo sinais de referência de deslocamento de fase, o deslocamento de fase dependente da diferença em resistência dos respectivos elementos resistivos.
Método para medir deformação, caracterizado pelo fato de que compreende aplicar um sinal de excitação a elementos resistivos de um medidor de restrição de ponte de Wheatstone ou meia ponte de Wheatstone e determinar a deformação aplicada ao medidor de deformação de uma medida de deslocamento de fase no sinal de excitação.
Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o sinal de excitação é um sinal senoidal.