RU2066043C1

RU2066043C1 - Strain converter

Info

Publication number: RU2066043C1
Application number: RU93009964A
Authority: RU
Inventors: Борис Викторович Петров
Original assignee: Борис Викторович Петров
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1996-08-27

Abstract

FIELD: measurement equipment to measure deformations in engineering structures. SUBSTANCE: proposed circuit of strain converter ensures increase of noise immunity thanks to suppression of noises acting both on strain bridge 1 and on entire measurement path including communication lines and recorder 12. Strain bridge 1 is protected against action of conductive noises by way of electric connection of reference potential of recorder 12 to output of circuit 15 of isolation and suppression of noises. Noise suppression is provided as result of in-phase and synchronous action of noises across information input and across reference potential of recorder 12. EFFECT: increased noise immunity of strain converter. 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформаций в машиностроительных конструкциях. The invention relates to measuring equipment and can be used to measure strains in engineering structures.

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. Known strain transducer containing a strain bridge, two parallel-connected voltage-current transducers, a measuring amplifier, the inputs of which are connected to the outputs of the voltage-current transducers, and a common mode interference suppression circuit made in the form of two resistors connected in series, a common point of which is connected through an isolation capacitor to the input inverting amplifier, the output of which through a resistive divider is connected to the measuring diagonal of the strain gage, and the output of the strain gage is connected to the inputs voltage-current converters.

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. The known strain transducer suppresses common-mode noise by introducing negative feedback using an inverting voltage amplifier, the output of which in-phase interference through a resistive divider is fed to the measuring diagonal of the tensor bridge.

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). However, in the known strain gauge converter, interference is only partially suppressed, i.e., in the strain gage itself, which does not provide the full effect of noise suppression if the recorder is remote from the strain gage, and the noise is induced on the connecting line and the recorder itself (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). The closest in technical essence to the proposed device is a strain gauge containing a strain gage, two parallel-connected voltage-current transducers, a current-voltage transducer that performs the functions of a measuring amplifier, the input of which is connected to the outputs of the voltage-current transducers, and a common mode isolation and suppression circuit, consisting of a series-connected operational amplifier and a transistor. The non-inverting input of the operational amplifier is connected to the ground bus, the collector of the transistor is connected to the plus of the power source, and the emitter with the second vertex of the tensor bridge power diagonal, the first and second resistors connected in series are included in the measuring diagonal of the tensor bridge, the connection point of which is connected to the inverting input of the operational amplifier. The operational amplifier is covered by negative feedback on common mode noise due to the binding of the strain gauge inputs to the ground bus potential (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. The disadvantage of this strain transducer is that, as in the analogue, the suppression of common mode interference occurs directly in the measuring diagonal of the strain gage. If the strain gage is installed at a considerable distance from the recording equipment, then the interference that is induced on the communication line, as well as directly on the recorder, greatly affects the measurement accuracy, distorting the measurement results.

Кроме того, в известном тензопреобразователе осуществляется подавление только синфазной помехи, при этом не обеспечивается защита от противофазных помех. In addition, in the known strain gauge, only common-mode interference is suppressed, while protection against out-of-phase interference is not provided.

Задача, на решение которой направлено изобретение обеспечить подавление как синфазных, так и противофазных помех непосредственно на регистраторе. The problem to which the invention is directed to provide suppression of both in-phase and out-of-phase interference directly on the recorder.

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. The problem is solved in that the strain gauge containing the strain gage, a measuring amplifier, a reference voltage source and a noise isolation and suppression circuit is equipped with a switch made in the form of a first emitter follower, a first high-pass filter, a high-frequency amplifier, a peak detector and a comparator connected in series connected by the first key, the delay line and the recorder, the second key, the first input of which is connected to the output of the measuring amplifier, the control input with the comparator, the third key, the first input of which is connected to the output of the recorder, the control input with the output of the comparator, the output with the earthing bus, the circuit for isolating and suppressing interference is made in the form of a second emitter follower, a second high-pass filter and a power amplifier, the output of which is connected with the second input of the third key, the output of the strain gauge is connected to the input of the measuring amplifier, the output of which is connected to the first input of the first key, the output of the comparator is connected to the control input m of the first key, the output of the second key is connected to the input of the second emitter follower, and the reference voltage source is connected to the second input of the comparator.

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. The strain gauge contains a series-connected strain gauge 1, measuring amplifier 2, switch 3, made in the form of series-connected first emitter follower 4, first high-pass filter 5, high-frequency amplifier 6, peak detector 7 and comparator 8, the reference voltage source 9, the output of which is connected with a second comparator 8, a first key 10 connected in series, a delay line 11 and a recorder 12 (load), a second key 13, the first input of which is connected to the output of the measuring amplifier 2, a control input with the output of the comparator 8, a third key 14, the first input of which is connected to the output of the recorder 12, a control input with the output of the comparator 8, an output with an earthing strain gauge bus, a noise isolation and suppression circuit 15 made in the form of a second emitter repeater 16 connected in series, a second high-pass filter 17 and a power amplifier 18, the output of which is connected to the second input of the third key 14, the output of the measuring amplifier 2 is connected to the first input of the first key 10, the output of the comparator 8 is connected to ulation input of the first switch 10 and the output of the second switch 13 is connected to the second input of the emitter follower 16.

Коммутатор 3 предназначен для частотной селекции импульсных или высокочастотных помех. Switch 3 is designed for frequency selection of pulsed or high-frequency interference.

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. The delay line 11 (made, for example, on passive C-elements) is designed to temporarily delay the interference received at the information input of the recorder 12 (load). The first key 10 in the initial state is closed to the first contact, the second key 13 in the initial state is closed and the third key 14 in the initial state is closed to contact 1. The reference potential of the recorder 12 in the initial state is connected through the first contact of the third key 14 to the ground bus of the strain gauge.

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. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is that the proposed design of the strain gauge provides increased noise immunity by suppressing interference affecting not only the strain gage 1, but also the entire measuring path, including communication lines and recorder 12, by synchronous and in-phase isolation. In this case, in particular, high noise immunity of the strain gauge with long-distance communication lines necessary for conducting tests in the field is ensured.

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. The strain transducer is anti-interference with respect to the effects of conducted noise flowing through the housing (ground) of the strain transducer, which are created by extraneous sources of electromagnetic interference. This is achieved by connecting the reference potential of the recorder 12 with the output of the circuit 15 of separation and suppression of interference.

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. The proposed strain transducer due to the frequency selection of an additive mixture of information signal and interference, carried out by the second high-pass filter 17, provides protection from the effects of common-mode and antiphase types of interference. In this case, by including the reference potential of the recorder 12 at the output of the interference isolation and suppression circuit 15, the common mode interference induced from possible external sources of electromagnetic interference directly to the registrar 12 is also suppressed. This is caused by the almost identical effect of the common mode interference on the information input of the registrar 12, so and at its reference potential, as a result of which the recorder 12 becomes insensitive to the difference voltage determined by the action of common mode interference.

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. In FIG. 1 shows a block diagram of a strain gauge; figure 2 diagrams of stresses; figure 3 electrical equivalent circuit illustrating the principle of separation and suppression of interference; figure 4 illustrates the result of the suppression of interference on the recorder 12 in the presence of bipolar interference pulse form; 5 is a result of the suppression of high-frequency noise sinusoidal form on the recorder 12.

Работает тензопреобразователь следующим образом. The strain gauge works as follows.

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). In the absence of interference affecting the strain gauge, the information signal from the output of the strain gauge 1 is fed to the measuring amplifier 2, then through pin 1 of the first key 10 is fed to the information input of the recorder 12 (load).

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). When exposed to a pulse transducer and / or high-frequency electromagnetic interference of an additive nature, the latter (Fig. 2a) are allocated in switch 3. An additive mixture of signal and noise is fed to the input of the first emitter follower 4, which decouples between measuring amplifier 2 and switch 3. Using the first high-pass filter 5 (Fig. 2b), the noise is extracted, then amplified by a high-frequency amplifier 6, demodulated by a peak detector 7 (Fig. 2e). On the comparator 8, the interference signal is compared in level with the voltage of the source 9 of the reference voltage (Fig. 2B).

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. When the reference voltage level is exceeded at time 1, the comparator 8 is triggered, the control signal of which (Fig. 2d) closes simultaneously the contacts 2 of the first 10, second 13 and third 14 keys.

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. This includes: the delay line 11, which carries out a time delay τ equal to the propagation time of the interference signal (Fig.2d) in the interference isolation and suppression circuit 15, the interference isolation and suppression circuit 15, consisting of a second emitter repeater 16, which is used for decoupling with the output measuring amplifier 2, a second high-pass filter 17 and a power amplifier 18. The circuit 15 is designed to isolate the interference signal at the reference potential of the recorder 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). Thus, there is a time synchronization of the interference received at the information input of the recorder 12 and the common-mode interference signal from the output of the interference isolation and suppression circuit 15. At the output of the interference isolation and suppression circuitry 15 (FIG. 2a), interference (FIG. 2e) of the same amplitude and polarity as received at the input of the recorder 12 (FIG. 2e) is synchronized. As a result of the in-phase and synchronous effects of interference at the information input and the reference potential of the recorder 12, they are suppressed (FIG. 2g).

Таким образом, при наличии помех на вход регистратора 12 поступает аддитивная смесь информационного сигнала и помехи U_c+U_п, на опорный потенциал помеха U_п, в результате синхронного и синфазного действия помех на регистраторе 12 выделяется полезный сигнал как разность указанных напряжений:
(U_e+U_п)-U_п=U_c (1)
Информационный сигнал, имеющий амплитудно-модулированный характер, описывается выражением
U_c=A_c(1+mcosΩt), (2)
где: А_с амплитуда информационного сигнала;
m коэффициент амплитудной модуляции;
Ω угловая частота информационного сигнала.Thus, in the presence of interference, an additive mixture of the information signal and interference U _c + U _{p are} received at the input of the recorder 12, and the reference interference potential U _p , as a result of the synchronous and common-mode interference action at the recorder 12, a useful signal is extracted as the difference between the indicated voltages:
(U _e + U _p ) -U _p = U _c (1)
An information signal having an amplitude-modulated character is described by the expression
U _c = A _c (1 + mcosΩt), (2)
where: A _{with the} amplitude of the information signal;
m amplitude modulation coefficient;
Ω is the angular frequency of the information signal.

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

где A_i, ω_i и Φ_i соответственно амплитуда, угловая частота и фаза гармонической помехи, причем ω_i>Ω.Accordingly, the interference affecting the recorder 12 is the sum of n-harmonic interference of the form

where A _i , ω _i and Φ _i, respectively, are the amplitude, angular frequency and phase of the harmonic noise, and ω _i > Ω.

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

При включении схемы 15 выделения и подавления помех на регистраторе 12 выделяется разностное напряжение, определяемое выражением (4) и (3)
U_р=U_ад-U_п=A_c(1+mcosΩt), (5)
т.е. свободный от помех информационный сигнал.As a result, an additive mixture of signal and interference U _{hell is} applied to the recorder 12 in the initial state

When you turn on the circuit 15 of the selection and suppression of interference on the recorder 12 is allocated a differential voltage defined by the expression (4) and (3)
U _p = U _hell -U _p = A _c (1 + mcosΩt), (5)
those. interference-free information signal.

Пример выполнения. Execution example.

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). In FIG. 3, the source 18 of constant voltage Us = 5V imitates the information signal coming from the measuring amplifier 2 with an internal resistance of 20, the value of which is P = 0.3 Ohms to the recorder 12, the load of which is Pn = 50 Ohms. A source 19 of a pulsed or high-frequency voltage Up is simulated by interference in a strain transducer. Using the second high-pass filter 17, the role of which is the separation capacitance Ср = 1000 pF, interference is extracted from the measuring channel, which, having passed the interference isolation and suppression circuit 15, enters through the third switch 14 to the load reference potential (recorder 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). FIG. 4 illustrates the result of noise suppression on the recorder 12 (curve 2) in the presence of bipolar interference of a pulsed form with an amplitude of + 5 V (curve 1), FIG. 5 is the result of the suppression (curve 2) of high-frequency interference with a frequency of f 100 kHz with an amplitude of 5 V (curve 1).

Таким образом, приведенные экспериментальные результаты подтверждают высокую эффективность предложенного тензопреобразователя, обеспечивающего повышение помехозащищенности. Thus, the experimental results presented confirm the high efficiency of the proposed strain gauge, providing increased noise immunity.

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. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 Therefore, the proposed strain gauge provides high results when measuring strains, in particular, turbine blades of engines, rocks during blasting, etc. requiring remoteness of the recording equipment from the installation site of the strain gage. In addition, it can be used in all electronics devices in the case of separation of signal and interference in the frequency range: amplifiers, receivers, transmitters, information processing devices, etc. YYY2 YYY4

Claims

A strain gauge comprising a strain gauge bridge, a measuring amplifier, a reference voltage source and a noise isolation and suppression circuit, wherein the strain gauge output is connected to the input of the measuring amplifier, and the strain gauge is equipped with a switch made in the form of a first emitter follower connected in series, a first high-pass filter , a high-frequency amplifier, a peak detector and a comparator, connected in series with the first key, the delay line and the registrar, the second key, the first input of which is connected to the output of the measuring amplifier, the control input with the output of the comparator, a third key, the first input of which is connected to the output of the registrar, the control input with the output of the comparator, the output with the ground bus, the noise isolation and suppression circuit is made in the form of a second emitter repeater connected in series , a second high-pass filter and a power amplifier, the output of which is connected to the second input of the third key, the output of the measuring amplifier is connected to the first input of the first key, the output the comparator is connected to the control input of the first key, the output of which is connected to the input of the second emitter follower, and the reference voltage source is connected to the second input of the comparator.