RU148248U1

RU148248U1 - TENZO MEASURING EQUIPMENT FOR FLIGHT TESTS OF CONSTRUCTIONS FROM NON-METAL AND COMPOSITE MATERIALS

Info

Publication number: RU148248U1
Application number: RU2014125397/28U
Authority: RU
Inventors: Генрик Иванович Буранов; Виктор Антонович Лисовский; Владимир Александрович Котляров
Original assignee: Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова"
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Тензоизмерительная аппаратура для лётных прочностных испытаний конструкций из неметаллических и композиционных материалов, содержащая одиночный тензорезистор Rтр, резистор R, переключатель, схему вычитания, двухполярный источник тока прямоугольной формы с выходами, подключёнными параллельно тензорезистору Rтp через нормально замкнутые контакты К1, К4 переключателя и через нормально разомкнутые контакты К5, К8 параллельно резистору R, дифференциальный усилитель с входами, подключенными через нормально замкнутые контакты К2, К3 параллельно тензорезистору Rтp и через нормально разомкнутые контакты К6, К7 параллельно резистору R, и выходом дифференциального усилителя, соединённым со входом схемы вычитания, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена устройством управления, внешним пультом управления, последовательно соединёнными масштабным усилителем, демодулятором, аналоговым и переключаемым фильтрами нижних частот, при этом выход схемы вычитания соединен с первым входом масштабного усилителя, выход переключаемого фильтра нижних частот соединен с первым входом устройства управления, второй вход устройства управления соединен с выходом внешнего пульта управления, аналоговый выход устройства управления соединен с инверсным входом масштабного усилителя, цифровые выходы устройства управления соединены с управляющими входами переключателя, входом источника тока, входами внешнего пульта управления, схемы вычитания, масштабного усилителя, демодулятора и переключаемого фильтра нижних частот, причем выход переключаемого фильтра нижних частот является также выходом устройства.Strain gages for flight strength tests of structures made of nonmetallic and composite materials, containing a single strain gauge Rtr, resistor R, a switch, a subtraction circuit, a bipolar current source of rectangular shape with outputs connected parallel to the strain gage Rtp through normally closed contacts K1, K4 of the switch and through normally contacts K5, K8 parallel to resistor R, differential amplifier with inputs connected via normally closed contacts K2, K3 parallel but the strain gauge Rtp and through the normally open contacts K6, K7 parallel to the resistor R, and the output of the differential amplifier connected to the input of the subtraction circuit, characterized in that it is additionally equipped with a control device, an external control panel, connected in series with a scale amplifier, demodulator, analog and switchable low-pass filters, while the output of the subtraction circuit is connected to the first input of the scale amplifier, the output of the switchable low-pass filter is connected to the first input of the amplifier control devices, the second input of the control device is connected to the output of the external control panel, the analog output of the control device is connected to the inverse input of the scale amplifier, the digital outputs of the control device are connected to the control inputs of the switch, the input of the current source, inputs of the external control panel, the subtraction circuit, the scale amplifier, demodulator and switchable low-pass filter, and the output of the switchable low-pass filter is also the output of the device.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к тензометрии, и может быть использована в авиационной промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. для исследования прочности конструкций с помощью одиночного тензорезистора в частотном диапазоне 0÷300 Гц при повышенном уровне мешающих факторов - электромагнитных помех и термо эдс.The utility model relates to measuring equipment, namely to strain measurement, and can be used in the aviation industry, mechanical engineering, construction, etc. to study the strength of structures using a single strain gauge in the frequency range 0 ÷ 300 Hz with an increased level of interfering factors - electromagnetic interference and thermal emf.

Известно тензометрическое устройство с одиночным тензорезистором, включенном по трехпроводной схеме, содержащее три пассивных плеча моста, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, аналоговый фильтр, аналого-цифровой преобразователь, цифровой фильтр и блок управления. Пассивные плечи моста выполнены на стабильных резисторах и расположены на плате измерительного канала. Питание тензомоста осуществляется от источника постоянного напряжения. - руководство по эксплуатации системы сбора данных КАМ-500 ACRA control ltd, 2012.A strain gauge device with a single strain gauge, connected in a three-wire circuit, containing three passive bridge arms, an amplifier with a programmable gain, an analog filter, an analog-to-digital converter, a digital filter, and a control unit is known. The passive shoulders of the bridge are made on stable resistors and are located on the board of the measuring channel. Strain bridge power is supplied from a constant voltage source. - operation manual for the data acquisition system KAM-500 ACRA control ltd, 2012.

Недостатком устройства является влияние изменения сопротивления проводов линии связи и трех сопротивлений моста на погрешность измерения при изменении температурных условий эксплуатации и низкий уровень помехозащищенности устройства ввиду асимметрии измерительной линии.The disadvantage of this device is the effect of changes in the resistance of the wires of the communication line and the three resistances of the bridge on the measurement error when changing the temperature conditions of operation and the low level of noise immunity of the device due to the asymmetry of the measuring line.

Известны устройства с подключением одиночного тензорезистора по четырехпроводной схеме, в которых достигается более полная коррекция погрешностей, вызванных активным сопротивлением проводов соединительной линии. Наилучшие характеристики обеспечиваются при питании тензорезистора от источника постоянного тока. (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ле-нингр. отд-ние, 1988. стр. 78-80, рис. 2.12, 2.13). При использовании двух одинаковых источников тока (или одного взвешенного) и опорного резистора компенсируется начальное значение напряжения на тензорезисторе, но не компенсируются неинформативные составляющие сигнала, в том числе от внешних помех и термо эдс.Known devices with a single strain gauge connected in a four-wire circuit, in which a more complete correction of errors caused by the active resistance of the wires of the connecting line is achieved. The best performance is provided when the strain gauge is powered by a direct current source. (B. Gutnikov. Integrated Electronics in Measuring Devices. 2nd ed., Rev. And add. - L.: Energoatomizdat. Leningrad Department, 1988. pp. 78-80, Fig. 2.12, 2.13). When using two identical current sources (or one weighted one) and a reference resistor, the initial value of the voltage on the strain gauge is compensated, but the non-informative components of the signal are not compensated, including from external noise and thermal emf.

Известно тензометрическое устройство, содержащее рабочий тензорезистор и опорный резистор, включенные по четырехпроводной схеме, два двухполярных источника постоянного тока, коммутатор, два дифференциальных усилителя, схему вычитания, масштабный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, вторую схему вычитания, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и схему управления - MIC - 183. Комплекс тензоизмерительный, руководство по эксплуатации. НИИ «МЕРА», 2013.Known tensometric device containing a working strain gauge and a reference resistor, included in a four-wire circuit, two bipolar DC sources, a switch, two differential amplifiers, a subtraction circuit, a scale amplifier with a programmable gain, a second subtraction circuit, an amplifier, an analog-to-digital converter and a circuit Management - MIC - 183. Strain gage complex, operation manual. Research Institute "MERA", 2013.

В устройстве рабочий тензорезистор и опорный резистор возбуждаются каждый от своего источника постоянного тока. Предварительное усиление напряжения с тензорезистора и резистора также осуществляется по отдельным каналам. По единому каналу осуществляется дальнейшее усиление и преобразование только разности предварительно усиленных напряжений тензорезистора и резистора.In the device, a working strain gauge and a reference resistor are each excited from their own direct current source. Pre-amplification of the voltage from the strain gauge and resistor is also carried out through separate channels. Through a single channel, further amplification and conversion of only the difference of the previously amplified stresses of the strain gauge and the resistor is carried out.

В данном устройстве устранено влияние проводов линии связи на точность измерения. Недостатком устройства является невысокая точность измерения при работе в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды из-за различия температурных характеристик источников тока, каналов предварительного усиления тензомоста и резистора и отсутствия средств подавления термо эдс.This device eliminates the influence of the wires of the communication line on the measurement accuracy. The disadvantage of this device is the low measurement accuracy when working in a wide range of changes in ambient temperature due to differences in the temperature characteristics of current sources, channels for pre-amplification of the strain gage and resistor and the lack of means for suppressing thermal emf.

Наиболее близким к полезной модели является устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, описанное в патенте RU №2473919 С1, 27.09.2011 г., содержащее тензорезистор, резистор, двухполярный источник тока прямоугольной формы, переключатель, дифференциальный усилитель и схему вычитания, при этом выходы источника тока через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые параллельно резистору, входы дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а выход дифференциального усилителя соединен со входом схемы вычитания, при этом выход схемы вычитания образует выход устройства.Closest to the utility model is a device for converting a change in resistance to voltage, described in patent RU No. 2473919 C1, 09/27/2011, containing a strain gauge, a resistor, a bipolar rectangular current source, a switch, a differential amplifier and a subtraction circuit, while the outputs the current source through the normally closed contacts of the switch are connected in parallel to the strain gauge and through the normally open parallel to the resistor, the inputs of the differential amplifier are connected through the normally closed utye strain gage contacts in parallel and through normally open - parallel to the resistor and the differential amplifier output is connected to the input of the subtractor, the subtractor circuit forms the output of the output device.

Недостатком устройства является невысокая точность измерения при работе в широком диапазоне частот измеряемого сигнала из-за появления комбинационных искажений.The disadvantage of this device is the low measurement accuracy when working in a wide range of frequencies of the measured signal due to the appearance of Raman distortions.

Недостатки известных тензометрических устройств не обеспечивают точность измерения при летных прочностных испытаниях конструкций из неметаллических и композиционных материалов.The disadvantages of the known strain gauge devices do not provide measurement accuracy in flight strength tests of structures made of non-metallic and composite materials.

Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая модель, заключается в повышении точности измерения при летных прочностных испытаниях конструкций из неметаллических и композиционных материалов в широком диапазоне частот измеряемых деформаций.The technical result, which the proposed model is aimed at, is to increase the measurement accuracy during flight strength tests of structures made of non-metallic and composite materials in a wide frequency range of the measured strains.

Для достижения этого технического результата в тензоизмерительную аппаратуру для летных прочностных испытаний конструкций из неметаллических и композиционных материалов, содержащую одиночный тензорезистор Rтр, резистор R₀, переключатель, дифференциальный усилитель, схему вычитания, двухполярный источник тока прямоугольной формы с выходами, подключенными через нормально замкнутые контакты К1, К4 переключателя параллельно тензорезистору Rтр и через нормально разомкнутые К5, К8 - параллельно резистору R₀, входами дифференциального усилителя, подключенными через нормально замкнутые контакты К2, К3 параллельно тензорезистору Rтр и через нормально разомкнутые К6, К7 - параллельно резистору R₀, и выходом дифференциального усилителя соединенным со входом схемы вычитания, дополнительно введены устройство управления, внешний пульт управления, а также последовательно соединенные масштабный усилитель, демодулятор, аналоговый и переключаемый фильтры нижних частот, при этом выход схемы вычитания соединен с первым входом масштабного усилителя, выход переключаемого фильтра нижних частот соединен с первым входом устройство управления, второй вход устройства управления соединен с выходом внешнего пульта управления, аналоговый выход устройства управления соединен со вторым входом масштабного усилителя, цифровые выходы устройства управления соединены с управляющими входами переключателя, входом источника тока, входами внешнего пульта управления, схемы вычитания, масштабного усилителя, демодулятора и переключаемого фильтра нижних частот, причем выход переключаемого фильтра нижних частот является также выходом устройства.To achieve this technical result, in strain gauge equipment for flight strength tests of structures made of non-metallic and composite materials, containing a single strain gauge Rtr, resistor R ₀ , a switch, a differential amplifier, a subtraction circuit, a bipolar current source of rectangular shape with outputs connected through normally closed contacts K1 , K4 of the switch is parallel to the strain gage Rtr and through normally open K5, K8 is parallel to the resistor R ₀ , the inputs of the differential amplifier an amplifier connected via normally closed contacts K2, K3 parallel to the strain gage Rtr and through normally open contacts K6, K7 - parallel to the resistor R ₀ , and the output of the differential amplifier connected to the input of the subtraction circuit, an additional control unit, an external control panel, as well as a series-connected scale an amplifier, demodulator, analog and switchable low-pass filters, while the output of the subtraction circuit is connected to the first input of a large-scale amplifier, the output of the switchable filter is lower x frequency is connected to the first input of the control device, the second input of the control device is connected to the output of the external control panel, the analog output of the control device is connected to the second input of the scale amplifier, the digital outputs of the control device are connected to the control inputs of the switch, the input of the current source, the inputs of the external control panel, a subtraction circuit, a scale amplifier, a demodulator, and a switchable low-pass filter, wherein the output of the switchable low-pass filter is also m device.

На фиг. 1 показана блок-схема измерительного канала заявляемой 16-ти канальной тензоизмерительной аппаратуры для летных прочностных испытаний конструкций из неметаллических и композиционных материалов.In FIG. 1 shows a block diagram of a measuring channel of the inventive 16-channel strain gauge equipment for flight strength tests of structures made of non-metallic and composite materials.

Блок-схема измерительного канала содержит одиночный тензорезистор Rтр, резистор Ro, двухполярный источник тока прямоугольной формы (10), переключатель (1), дифференциальный усилитель (2), схему вычитания (3). Выходы источника тока через нормально замкнутые контакты К1, К4 переключателя (1) подключены параллельно тензорезистору Rтр и через нормально разомкнутые контакты К5, К8 переключателя (1) подключены параллельно резистору Ro, а входы дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты К2, К3 переключателя (1) параллельно Rтр и через нормально разомкнутые контакты К6, К7 - параллельно резистору Ro переключателя (1).The block diagram of the measuring channel contains a single strain gauge Rtr, resistor Ro, a bipolar rectangular current source (10), a switch (1), a differential amplifier (2), and a subtraction circuit (3). The outputs of the current source through the normally closed contacts K1, K4 of the switch (1) are connected in parallel to the strain gage Rtr and through the normally open contacts K5, K8 of the switch (1) are connected in parallel to the resistor Ro, and the inputs of the differential amplifier are connected through the normally closed contacts K2, K3 of the switch (1) ) parallel to Rtr and through normally open contacts K6, K7 - parallel to the resistor Ro of the switch (1).

Кроме того, аппаратура снабжена устройством управления (9), внешним пультом управления (8), а также последовательно соединенными дифференциальным усилителем (2), схемой вычитания (3), масштабным усилителем (4), демодулятором (5), аналоговым (6) и переключаемым (7) фильтрами нижних частот. Первый вход устройства управления (9) соединен с выходом переключаемого фильтра нижних частот (7), второй вход - с выходом внешнего пульта управления (8). Первый цифровой выход устройства управления (9) соединен с управляющими входами переключателя (1), второй выход - со схемой вычитания (3), четвертый выход - с цифровым входом масштабного усилителя (4), пятый выход - с демодулятором (5), шестой выход - с переключаемым фильтром нижних частот (7), седьмой выход - с внешним пультом управления (8), восьмой выход - с двухполярным источником тока прямоугольной формы (10). Третий аналоговый выход устройства управления (9) соединен с инверсным входом масштабного усилителя (4). Выход переключаемого фильтра нижних частот (7) является также выходом тензоизмерительной аппаратуры.In addition, the equipment is equipped with a control device (9), an external control panel (8), as well as a series-connected differential amplifier (2), a subtraction circuit (3), a scale amplifier (4), a demodulator (5), an analog (6) and switchable (7) low-pass filters. The first input of the control device (9) is connected to the output of a switchable low-pass filter (7), the second input is connected to the output of an external control panel (8). The first digital output of the control device (9) is connected to the control inputs of the switch (1), the second output is with a subtraction circuit (3), the fourth output is with a digital input of a scale amplifier (4), the fifth output is with a demodulator (5), the sixth output - with a switchable low-pass filter (7), the seventh output - with an external control panel (8), the eighth output - with a bipolar rectangular current source (10). The third analog output of the control device (9) is connected to the inverse input of the scale amplifier (4). The output of the switchable low-pass filter (7) is also the output of strain gauge equipment.

Тензоизмерительная аппаратура работает следующим образом. В процессе летных испытаний тензорезистор Rтр преобразует механические усилия в электрический сигнал, который поочередно измеряется совместно с электрическим сигналом, снимаемым с опорного резистора Ro, по величине равном сопротивлению Rтp и размещаемым на плате измерительного канала. Процесс измерения состоит из четырех тактов. Первый и второй такты проводятся при положительном значении тока источника, третий и четвертый такты - при его отрицательном значении. В первом и третьем тактах входы дифференциального усилителя (2) и выходы источника тока (10) через переключатель (1) (контакты К1-К4 замкнуты, контакты К5-К8 разомкнуты) подключены параллельно тензорезистору Rтp, во втором и четвертом тактах (контакты К5-К8 замкнуты, контакты К1-К4 разомкнуты) - параллельно опорному резистору Ro.Strain gauge equipment operates as follows. During flight tests, the strain gauge Rtp converts mechanical forces into an electrical signal, which is alternately measured together with the electric signal taken from the reference resistor Ro, equal in value to the resistance Rtp and placed on the measuring channel board. The measurement process consists of four measures. The first and second cycles are carried out with a positive value of the source current, the third and fourth cycles - with its negative value. In the first and third cycles, the inputs of the differential amplifier (2) and the outputs of the current source (10) through the switch (1) (contacts K1-K4 are closed, contacts K5-K8 are open) are connected in parallel with the strain gauge Rtp, in the second and fourth cycles (contacts K5- K8 closed, contacts K1-K4 open) - parallel to the reference resistor Ro.

В конце первого такта измерения при положительном значении напряжения источника тока (10) напряжение с тензорезистора Rтр, представляющее собой аддитивную смесь напряжения полезного сигнала, напряжения помехи и термо эдс, усиливается дифференциальным усилителем (2) и запоминается схемой вычитания (3). Во втором такте напряжение с опорного резистора Ro усиливается дифференциальным усилителем (2) и вычитается из напряжения, запомненного схемой вычитания (3) в первом такте работы. Результат вычитания поступает на положительный вход масштабного усилителя (4), усиливается и в конце второго такта запоминается схемой демодулятора (5).At the end of the first measurement step, with a positive value of the voltage of the current source (10), the voltage from the strain gauge Rtr, which is an additive mixture of the useful signal voltage, interference voltage, and thermo emf, is amplified by a differential amplifier (2) and stored by the subtraction circuit (3). In the second cycle, the voltage from the reference resistor Ro is amplified by a differential amplifier (2) and subtracted from the voltage stored by the subtraction circuit (3) in the first cycle. The result of the subtraction is fed to the positive input of the large-scale amplifier (4), amplified, and at the end of the second clock is memorized by the demodulator circuit (5).

В конце третьего такта измерения при отрицательном значении напряжения источника тока (10) напряжение с тензорезистора Rтр усиливается дифференциальным усилителем (2) и запоминается схемой вычитания (3). В четвертом такте работы напряжение с опорного резистора Ro усиливается дифференциальным усилителем (2) и вычитается из напряжения тензорезистора Rтр, запомненного схемой вычитания (3) в третьем такте. Результат усиливается масштабным усилителем (4) и в конце четвертого такта вычитается из напряжения разности, запомненного схемой демодулятора (5) в конце второго такта измерения.At the end of the third measurement step, with a negative value of the voltage of the current source (10), the voltage from the strain gauge Rtr is amplified by a differential amplifier (2) and stored by the subtraction circuit (3). In the fourth operation cycle, the voltage from the reference resistor Ro is amplified by a differential amplifier (2) and subtracted from the voltage of the strain gauge Rtr stored by the subtraction circuit (3) in the third cycle. The result is amplified by a large-scale amplifier (4) and at the end of the fourth cycle is subtracted from the difference voltage stored by the demodulator circuit (5) at the end of the second measurement cycle.

Сигнал на выходе схемы вычитания (3) представляет собой периодическую последовательность двухполярных прямоугольных импульсов, модулированную по амплитуде полезным сигналом и мешающими факторами. В процессе демодуляции мешающие факторы - синфазные и дифференциальные низкочастотные помехи и термо э.д.с. из полезного сигнала вычитаются. На выходе демодулятора (5) организуется периодическая последовательность однополярных импульсов, модулированная по амплитуде только полезным сигналом с тензорезистора.The signal at the output of the subtraction circuit (3) is a periodic sequence of bipolar rectangular pulses, modulated in amplitude by a useful signal and interfering factors. In the process of demodulation, interfering factors - common-mode and differential low-frequency noise and thermal emf are subtracted from the useful signal. At the output of the demodulator (5), a periodic sequence of unipolar pulses is organized, modulated in amplitude only by a useful signal from the strain gauge.

С выхода демодулятора (5) модулированная последовательность поступает на вход аналогового фильтра (6) и далее на переключаемый фильтр нижних частот (7). Аналоговый фильтр (6) восстанавливает полезный сигнал и ограничивает спектр сигнала частотой, обеспечивающей устранение комбинационных составляющих на выходе переключаемого фильтра (7). Выход переключаемого фильтра (7) является выходом аппаратуры, сигнал с выхода переключаемого фильтра поступает также на первый вход устройства управления (9).From the output of the demodulator (5), the modulated sequence is fed to the input of an analog filter (6) and then to a switchable low-pass filter (7). An analog filter (6) restores the useful signal and limits the signal spectrum to a frequency that ensures the elimination of the combination components at the output of the switched filter (7). The output of the switchable filter (7) is the output of the equipment, the signal from the output of the switchable filter is also fed to the first input of the control device (9).

Устройство управления (9) в непрерывном режиме вырабатывает цифровые сигналы управления вых. 1, вых. 2, вых. 4, вых. 5, вых. 6, и вых. 8, необходимые для нормальной работы переключателя (1), схемы вычитания (3), масштабного усилителя (4), демодулятора (5), переключаемого фильтра нижних частот (7) и источника тока (10) соответственно.The control device (9) continuously generates digital output control signals. 1, out 2, out. 4, out. 5, out. 6, and out. 8, necessary for the normal operation of the switch (1), the subtraction circuit (3), the scale amplifier (4), the demodulator (5), the switchable low-pass filter (7) and the current source (10), respectively.

По командам внешнего пульта управления (8), поступающим на второй вход устройства управления (9), устройство управления переводится в режимы балансировки, установки параметров и контроля. Необходимые информационные сигналы с устройства управления на пульт управления поступают по выходу вых. 7 устройства управления.According to the commands of the external control panel (8) received at the second input of the control device (9), the control device is transferred to the modes of balancing, setting parameters and control. The necessary information signals from the control device to the control panel are received at the output output. 7 control devices.

В режиме балансировки устройство управления вырабатывает напряжение компенсации начального разбаланса сопротивлений тензорезистора и опорного резистора, поступающее с вых. 3 устройства управления (9) на инверсный вход масштабного усилителя (4). Напряжение компенсации присутствует на выходе 3 устройства управления до момента следующего процесса балансировки.In balancing mode, the control device generates a compensation voltage for the initial imbalance of resistance of the strain gauge and the reference resistor coming from the output. 3 control devices (9) to the inverse input of the scale amplifier (4). Compensation voltage is present at the output 3 of the control device until the next balancing process.

В режиме установки параметров на вых. 4 устройства управления устанавливается код требуемого коэффициента усиления масштабного усилителя (4). На выходе 5 устройства управления устанавливается код необходимой величины выходного тока возбуждения источника тока (10), а на выходе 6 - тактовая частота переключаемого фильтра нижних частот (7), определяющая требуемую частоту среза фильтра. Данные установки сохраняют свое значение до следующего процесса установки параметров.In the parameter setting mode at the output. 4 of the control device, the code of the required gain of the scale amplifier (4) is set. At the output 5 of the control device, a code is set for the required value of the output current of the current source excitation (10), and at the output 6, the clock frequency of the switchable low-pass filter (7) determines the required cut-off frequency of the filter. These settings remain valid until the next parameter setting process.

В режиме контроля по внешнему пульту управления (8) проверяются установленные ранее коэффициент усиления масштабного усилителя (4), ток возбуждения источника тока (10), частота среза переключаемого фильтра нижних частот (7) и текущее значение выходного напряжения аппаратуры.In the control mode using an external control panel (8), the previously established gain of the scale amplifier (4), the excitation current of the current source (10), the cutoff frequency of the switchable low-pass filter (7), and the current value of the equipment output voltage are checked.

Рассматриваемая схема эффективно подавляет неинформативные составляющие сигнала - напряжения низкочастотных помех, напряжения смещения нуля усилителя и термо эдс. Напряжение помехи, смещения нуля усилителя и термо эдс не зависят от полярности питания тензорезистора и за период импульса питания не меняют своего знака, так как период следования импульсов питания выбран намного меньше периода полезного сигнала и напряжения помехи. Наоборот, полезный сигнал с тензорезистора, несущий информацию об измеряемой деформации, меняет свою полярность при смене полярности источника тока, причем сама деформация при этом знака может не менять. Именно поэтому в результате вычитания на демодуляторе (5) напряжения полезного сигнала тензорезистора суммируются, а напряжения помехи и термо эдс вычитаются.The considered circuit effectively suppresses non-informative components of the signal - low-frequency noise voltages, amplifier zero bias voltage and thermo emf. The interference voltage, amplifier zero offset, and thermo-emf do not depend on the polarity of the strain gauge power supply and do not change their sign during the period of the power pulse, since the pulse repetition period is chosen much less than the period of the useful signal and the interference voltage. On the contrary, the useful signal from the strain gauge, which carries information about the measured strain, changes its polarity when the polarity of the current source changes, and the strain itself may not change sign. That is why, as a result of subtraction on the demodulator (5), the voltages of the useful signal of the strain gauge are summed up, and the interference voltages and thermo-emfs are subtracted.

Рассмотрим процесс подавления неинформативных составляющих сигнала.Consider the process of suppressing non-informative components of a signal.

В первом такте измерения напряжение на выходе дифференциального усилителя (2):In the first measurement step, the voltage at the output of the differential amplifier (2):

U₁=К₂·I·(Rтр+ΔRтрε)+К₂·(Uп₁+Uэ₁)+U₀₂,U ₁ = K ₂ · I · (Rtr + ΔRtrε) + K ₂ · (Up ₁ + Ue ₁ ) + U ₀₂ ,

где К₂ - коэффициент усиления дифференциального усилителя, I - ток источника тока, ΔRтрε - приращение сопротивления тензорезистора от деформации, U₀₂ - напряжение смещение нуля усилителя (2), Uп₁ и Uэ₁ - напряжения помехи и термо э.д.с. соответственно.where K ₂ is the gain of the differential amplifier, I is the current of the current source, ΔRtrε is the strain gauge resistance increment from deformation, U ₀₂ is the voltage zero offset of the amplifier (2), Uп ₁ and Ue ₁ are the interference voltage and thermo emf respectively.

В конце первого такта измерения выходное напряжение U₁ запоминается схемой вычитания (3). Во втором такте измерения ко входу усилителя подключается опорный резистор Ro, напряжение на выходе усилителя (2):At the end of the first measurement cycle, the output voltage U _{1 is} stored by a subtraction circuit (3). In the second measurement step, the reference resistor Ro is connected to the amplifier input, the voltage at the amplifier output (2):

U₂=К₂·I·Ro+К₂·(Uп₂+·Uэ₂)+U₀₂.U ₂ = K ₂ · I · Ro + K ₂ · (Uп ₂ + · Uэ ₂ ) + U ₀₂ .

В процессе второго такта работы также проводится вычитание из напряжения U₂ напряжения U₁. Выходное напряжение схемы вычитания:In the process of the second clock cycle, subtraction from the voltage U _{2 of the} voltage U _{1 is} also carried out. Subtraction circuit output voltage:

Uвых₁=U₂-U₁+U₀₃, где U₀₃ - напряжение смещения схемы вычитания.Uout ₁ = U ₂ -U ₁ + U ₀₃ , where U ₀₃ is the bias voltage of the subtraction circuit.

При равенстве начальных сопротивлений тензорезистора и опорного резистораWith the equality of the initial resistance of the strain gauge and the reference resistor

Uвых₁=-К₂·I·ΔRтрε+К₂·(Uп₂-Uп₁)+К₂·(Uэ₂-Uэ₁)+U₀₃.Uout ₁ = -K ₂ · I · ΔRtr + K ₂ · (U ₂ -U ₁ ) + K ₂ · (U ₂ -U ₁ ) + U ₀₃ .

Напряжение Uвых₁ далее усиливается масштабным усилителем (4) и запоминается демодулятором (5) в виде:The voltage Uout _{1 is} further amplified by a large-scale amplifier (4) and stored by the demodulator (5) in the form:

Uвых₁₅=-К₂К₄·I·ΔRтрε+К₂К₄·(Uп₂-Uп₁)+K₂·К₄(Uэ₂-Uэ₁)+К₄·U₀₃+U₀₄, где К₄ - коэффициент усиления масштабного усилителя (4), U₀₄ - напряжение смещения масштабного усилителя (4).Uout ₁₅ = -K ₂ K ₄ · I · ΔRtr + K ₂ K ₄ · (U ₂ -U ₁ ) + K ₂ · ₄ (U ₂ -U ₁ ) + K ₄ · U ₀₃ + U ₀₄ , where K ₄ - gain of the scale amplifier (4), U ₀₄ - bias voltage of the scale amplifier (4).

В третьем такте измерения напряжение на выходе дифференциального усилителя имеет вид:In the third measurement step, the voltage at the output of the differential amplifier has the form:

U₃=-К₂·I·(Rтp+ΔRтpε)+К₂·(Uп₁+·ΔUп₁)+К₂·(Uэ₁+ΔUэ₁)+U₀₂.U ₃ = -K ₂ · I · (Rtp + ΔRtpε) + K ₂ · (Uп ₁ + · ΔUп ₁ ) + К ₂ · (Uе ₁ + ΔUе ₁ ) + U ₀₂ .

В конце третьего такта измерения выходное напряжение U₃ также запоминается схемой вычитания (3).At the end of the third measurement cycle, the output voltage U _{3 is} also stored in the subtraction circuit (3).

В четвертом такте измерения напряжение на выходе дифференциального усилителя:In the fourth measurement step, the voltage at the output of the differential amplifier:

U₄=-К₂·I·Ro+К₂·(Uп₂+·ΔUп₂)+К₂·(Uэ₂+ΔUэ₂)+U₀₂.U ₄ = -K ₂ · I · Ro + K ₂ · (Uп ₂ + · ΔUп ₂ ) + K ₂ · (Uе ₂ + ΔUе ₂ ) + U ₀₂ .

На выходе схемы вычитания в четвертом такте Uвых₂=U₄-U₃+U₀₃ At the output of the subtraction scheme in the fourth step, Uout ₂ = U ₄ -U ₃ + U ₀₃

Uвых₂=К₂·I·ΔRтpε+К₂·(Uп₂-Uп₁)+К₂·(ΔUп₂-ΔUп₁)+К₂·(Uэ₂-Uэ₁)+К₂·(ΔUэ₂-ΔUэ₁)+U₀₃.Uout ₂ = К ₂ · I · ΔRtpε + K ₂ · (Uп ₂ -Uп ₁ ) + К ₂ · (ΔUп ₂ -ΔUп ₁ ) + К ₂ · (Uе ₂ -Uе ₁ ) + К ₂ · (ΔUе ₂ - ΔUe ₁ ) + U ₀₃ .

Напряжение Uвых₂ далее усиливается масштабным усилителем (4) и поступает на вход демодулятора (5) в виде:The voltage Uout _{2 is} further amplified by a large-scale amplifier (4) and fed to the input of the demodulator (5) in the form:

Uвых₂₅=К₂·К₄·I·ΔRтpε+К₂·К₄·(Uп₂-Uп₁)+К₂·К₄·(ΔUп₂-ΔUп₁)+К₂·К₄·(Uэ₂-Uэ₁)+К₂·К₄·(ΔUэ₂-ΔUэ₁)+К₄U₀₃+U₀₄ Uout ₂₅ = K ₂ · K ₄ · I · ΔRtpε + K ₂ · K ₄ · (U ₂ -U ₁ ) + K ₂ · K ₄ · (Δ U _2- U ₁ ) + K ₂ · ₄ · (U ₂ -Ue ₁ ) + K ₂ · K ₄ · (ΔUe ₂ -ΔUe ₁ ) + K ₄ U ₀₃ + U ₀₄

В демодуляторе (5) из Uвых₂₅ вычитается запомненное напряжение Uвых₁₅, полученная разность:In the demodulator (5) from Uout _{25, the} stored voltage Uout ₁₅ is subtracted, the resulting difference:

Uвых₅=2К₂·К₄·I·ΔRтpε+К₂·К₄(ΔUп₂-ΔUп₁)+К₂·К₄(ΔUэ₂-ΔUэ₁)+U₀₅.Uout ₅ = 2K ₂ · K ₄ · I · ΔRtpε + K ₂ · K ₄ (ΔUp ₂ -ΔUp ₁ ) + K ₂ · K ₄ (ΔUe ₂ -ΔUe ₁ ) + U ₀₅ .

Выходной сигнал демодулятора (5) кроме информативной составляющей ΔRтpε содержит неинформативные - разницу приращений помех и разницу приращений термо эдс за два такта измерения, а также напряжение смещения U₀₅ демодулятора (5). Погрешность измерения от неинформативной составляющей (ΔUпом₂-ΔUпом₁) пренебрежимо мала, неинформативная составляющая (ΔUэ₂-ΔUэ₁) близка к нулю, поскольку помеха, как правило, является низкочастотным процессом с периодом в тысячи и десятки тысяч микросекунд, изменение напряжения термо эдс - процесс еще более медленный, а два такта измерения составляют лишь десятки микросекунд. Напряжение смещения U₀₅ демодулятора (5) незначительно, т.к. коэффициент усиления демодулятора не превышает единицы. Поэтому можем принять:The output signal of the demodulator (5), in addition to the informative component ΔRtpε, contains non-informative ones - the difference in the increments of interference and the difference in the increments of the thermopower for two measurement cycles, as well as the bias voltage U _{05 of the} demodulator (5). The measurement error from the non-informative component (ΔU by _2- ΔU by ₁ ) is negligible, the non-informative component (ΔU by _2- ΔU ₁ ) is close to zero, since the interference is usually a low-frequency process with a period of thousands or tens of thousands of microseconds, the voltage change of the thermopower - the process is even slower, and two measurement steps are only tens of microseconds. The bias voltage U _{05 of the} demodulator (5) is negligible, because the gain of the demodulator does not exceed unity. Therefore, we can accept:

Uвых=2К₂·К₄·I·ΔRтpε+К₂·К₄(ΔUп₂-ΔUп₁).Uout = 2K ₂ · K ₄ · I · ΔRtpε + K ₂ · K ₄ (ΔUп ₂ -ΔUп ₁ ).

Если расположить опорный резистор непосредственно в корпусе аппаратуры, то очевидно, что помеха Un₂ и ее приращение будут равны нулю и результирующая формула преобразования примет вид:If you place the reference resistor directly in the equipment case, it is obvious that the interference Un ₂ and its increment will be zero and the resulting transformation formula will take the form:

Uвых=2К₂·К₄·I·ΔRтpε-К₂·К₄·ΔUп₁.Uout = 2K ₂ · K ₄ · I · ΔRtpε-K ₂ · K ₄ · ΔUп ₁ .

Таким образом, рассматриваемая схема обеспечивает высокую степень помехозащищенности измерения независимо от места расположения опорного резистора и устраняет напряжения смещения усилительного тракта канала измерения.Thus, the considered circuit provides a high degree of noise immunity of the measurement regardless of the location of the reference resistor and eliminates the bias voltage of the amplification path of the measurement channel.

Точность измерения зависит также и от способа восстановления (интерполяции) полезного сигнала из модулированной последовательности импульсов. Особенно существенен фактор восстановления при измерении процессов в широком частотном диапазоне - сотни Гц и единицы кГц. Частотный спектр модулированной последовательности импульсов прямоугольной формы содержит кроме компонент спектра измеряемого сигнала также и бесконечную сумму составляющих, кратных тактовой частоте последовательности Fn с семейством боковых, расположенных по обе стороны от каждой кратной гармоники на расстоянии fв - верхней частоты спектра измеряемого сигнала. Для выделения спектра полезного сигнала и подавления до приемлемого уровня всех паразитных составляющих импульсной последовательности необходимо правильно выбрать соотношение тактовой частоты последовательности и верхней частоты спектра полезного сигнала, также метод интерполяции.The measurement accuracy also depends on the method of reconstructing (interpolating) a useful signal from a modulated pulse sequence. The recovery factor is especially significant when measuring processes in a wide frequency range - hundreds of Hz and units of kHz. In addition to the spectrum components of the measured signal, the frequency spectrum of a modulated pulse train of a rectangular shape also contains an infinite sum of components that are multiples of the clock frequency of a sequence Fn with a family of side ones located on both sides of each multiple harmonic at a distance fb - the upper frequency of the spectrum of the measured signal. To select the spectrum of the useful signal and suppress to an acceptable level all spurious components of the pulse sequence, it is necessary to correctly select the ratio of the clock frequency of the sequence and the upper frequency of the spectrum of the useful signal, also the interpolation method.

В качестве интерполятора обычно используется фильтр нижних частот, в предлагаемой тензоизмерительной аппаратуре установлен фильтр Баттерворта четвертого порядка. При верхней частоте спектра полезного сигнала fв=300 Гц для восстановления сигнала с максимальной погрешностью не более 0,2% соотношение должно быть не менее 26, а с максимальной погрешностью не более 5%-5,5 - Маркюс Ж. Дискретизация и квантование. Перевод с французского З.Л. Персица под ред. А.В. Шилейко. М., «Энергия», 1969.A low-pass filter is usually used as an interpolator; a fourth-order Butterworth filter is installed in the proposed strain gauge equipment. At the upper frequency of the spectrum of the useful signal fv = 300 Hz, to restore the signal with a maximum error of not more than 0.2%, the ratio should be at least 26, and with a maximum error of not more than 5% -5.5 - Markus J. Sampling and quantization. Translation from French Z.L. Pepper, ed. A.V. Shileyko. M., "Energy", 1969.

Восстановление полезного сигнала из модулированной последовательности импульсов в предлагаемой полезной модели осуществляется фильтром нижних частот, который ограничивает спектр последовательности спектром полезного сигнала частотой 300 Гц. Частоты среза переключаемого фильтра 7 16, 32, 64, 128 и 256 Гц. Частоту среза выбирает экспериментатор в каждом конкретном эксперименте.The recovery of the useful signal from the modulated pulse sequence in the proposed utility model is carried out by a low-pass filter, which limits the spectrum of the sequence to the spectrum of the useful signal with a frequency of 300 Hz. The cutoff frequencies of the switchable filter are 7 16, 32, 64, 128 and 256 Hz. The cutoff frequency is chosen by the experimenter in each particular experiment.

Источник тока двухполярный, самобалансирующйся. Форма тока - двухполярный меандр, частота - 8 кГц. Входной переключатель управляется частотой 16 кГц. Частоты выбраны с таким расчетом, чтобы в реальных условиях работы на борту летательного аппарата в измерительной линии успевали закончиться переходные процессы и соблюдалось условие

. Длина измерительной линии при сопротивлении тензорезистора 200 Ом может достигать 70 м, что позволяет устанавливать аппаратуру на все типы летательных аппаратов.The current source is bipolar, self-balancing. The current shape is a bipolar meander, the frequency is 8 kHz. The input switch is controlled at 16 kHz. The frequencies are selected so that in real conditions of work on board the aircraft in the measuring line the transients have time to end and the condition is met

. The length of the measuring line with the resistance of the strain gauge 200 Ohm can reach 70 m, which allows you to install the equipment on all types of aircraft.

Дифференциальный усилитель (2) малошумящий, выполнен по схеме тройка с единичным коэффициентом усиления. Схема вычитания разработана на основе схемы выборки- хранения с дифференциальным усилителем на входе. Масштабный усилитель (4) с переключаемым коэффициентом усиления 1, 2, 4, 8. На положительный вход усилителя подается полезный сигнал, на инверсный подается напряжение балансировки, снимаемое с устройства управления (9). Демодулятор (5) по своему построению повторяет схему вычитания (3). Аналоговый фильтр (6) - фильтр Баттерворта четвертого порядка, антиэлайзинговый, восстанавливает сигнал и снижает влияние комбинационных составляющих сигнала на результат измерения, частота среза - 300 Гц. Переключаемый фильтр нижних частот (7) имеет пять частот среза - 16, 32, 64 128 и 256 Гц.The differential amplifier (2) is low-noise, made according to the triple scheme with a unity gain. The subtraction scheme is developed on the basis of a sampling-storage scheme with a differential amplifier at the input. A large-scale amplifier (4) with a switchable gain of 1, 2, 4, 8. A useful signal is applied to the positive input of the amplifier, and a balancing voltage from the control device (9) is applied to the inverse. Demodulator (5) by its construction repeats the subtraction scheme (3). The analog filter (6) is a fourth-order Butterworth filter, anti-aliasing, restores the signal and reduces the influence of the combination components of the signal on the measurement result, the cutoff frequency is 300 Hz. The switchable low-pass filter (7) has five cutoff frequencies - 16, 32, 64 128 and 256 Hz.

Таким образом, данная тензоизмерительная аппаратура позволяет устранить влияние электрических помех и термо эдс на результат измерения и повысить точность измерения при летных прочностных испытаниях конструкций из неметаллических и композиционных материалов при повышенном уровне мешающих факторов.Thus, this strain gauge equipment allows you to eliminate the influence of electrical noise and thermo-emf on the measurement result and improve the measurement accuracy during flight strength tests of structures made of non-metallic and composite materials with an increased level of interfering factors.

Claims

Strain gages for flight strength tests of structures made of non-metallic and composite materials, containing a single strain gauge Rtr, resistor R ₀ , a switch, a subtraction circuit, a bipolar rectangular current source with outputs connected in parallel to the strain gage Rtp through normally closed contacts K1, K4 of the switch and through open contacts K5, K8 parallel to the resistor R ₀ , differential amplifier with inputs connected through normally closed contacts K2, K3 parallel specifically to the strain gauge Rtp and through the normally open contacts K6, K7 parallel to the resistor R ₀ , and the output of the differential amplifier connected to the input of the subtraction circuit, characterized in that it is additionally equipped with a control device, an external control panel, connected in series with a scale amplifier, demodulator, analog and switchable low-pass filters, while the output of the subtraction circuit is connected to the first input of the scale amplifier, the output of the switchable low-pass filter is connected to the first input ohm of the control device, the second input of the control device is connected to the output of the external control panel, the analog output of the control device is connected to the inverse input of the scale amplifier, the digital outputs of the control device are connected to the control inputs of the switch, input of the current source, inputs of the external control panel, subtraction circuit, scale amplifier , a demodulator and a switchable low-pass filter, wherein the output of the switchable low-pass filter is also the output of the device.