RU2249189C1 - Strain-gauge transducer - Google Patents
Strain-gauge transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2249189C1 RU2249189C1 RU2003131087/28A RU2003131087A RU2249189C1 RU 2249189 C1 RU2249189 C1 RU 2249189C1 RU 2003131087/28 A RU2003131087/28 A RU 2003131087/28A RU 2003131087 A RU2003131087 A RU 2003131087A RU 2249189 C1 RU2249189 C1 RU 2249189C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- bridge
- strain
- balancing device
- input
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к электрическим измерительным устройствам, предназначенным для измерения деформаций твердых тел и возникающих при этом сил путем их преобразования в электрические величины.The present invention relates to electrical measuring devices designed to measure the deformation of solids and the resulting forces by converting them into electrical quantities.
Тензометрические датчики силы являются широко распространенными элементами. Они выполняются в виде конструкции, содержащей закрепленную на неподвижном основании упругую балку с наклеенными на нее тензорезисторами. Например, тензорезисторный датчик силы по патенту РФ № 2164669, G 01 L 1/22. Тензорезисторы объединяются в мостовую схему, вход которой запитывается источником постоянного напряжения, а выход подключается ко входам дифференциального усилителя, выход которого является выходом датчика. Недостатком такого датчика является наличие большого начального выходного сигнала, вызванного начальным разбалансом тензомоста, связанным с неоднородностью клеевого слоя и отклонениями размеров упругих балок.Strain gages are widespread elements. They are made in the form of a structure containing an elastic beam fixed to a fixed base with strain gauges glued to it. For example, a strain gauge force sensor according to the patent of the Russian Federation No. 2164669, G 01 L 1/22. Strain gages are combined into a bridge circuit, the input of which is powered by a constant voltage source, and the output is connected to the inputs of a differential amplifier, the output of which is the output of the sensor. The disadvantage of this sensor is the presence of a large initial output signal caused by the initial imbalance of the tensor bridge associated with the heterogeneity of the adhesive layer and deviations in the size of the elastic beams.
С целью устранения начального выходного сигнала в датчик вводят различные балансировочные устройства, как, например, в принятом за прототип тензодатчике силы, приведенном в книге Е.С.Левшина и П.В.Новицкого “Электрические измерения физических величин”,In order to eliminate the initial output signal, various balancing devices are introduced into the sensor, as, for example, in the force strain gauge adopted as a prototype, given in the book by ES Levshin and PV Novitsky “Electrical Measurements of Physical Quantities”,
Энергоатомиздат, 1983 г., стр. 105, рис. 5-17. Данный тензометрический датчик силы содержит тензомост, образованный тензорезисторами, наклеенными на закрепленный на неподвижном основании упругий элемент, и подключенный входом к источнику постоянного напряжения, а выходом к первому дифференциальному усилителю, балансировочное устройство, выполненное в виде резистивного потенциометра (делителя напряжения), входом подключенное к источнику постоянного напряжения, а выходом - к второму дифференциальному усилителю, при этом выходы обоих дифференциальных усилителей подключены к дифференциальным входам усиливающего сумматора. Кроме того, как правило, выход датчика подключают к аналого-цифровому преобразователю АДС. Все данные существенные признаки, кроме выполнения балансировочного устройства в виде резисторного потенциометра, совпадают с существенными признаками предлагаемого технического решения.Energoatomizdat, 1983, p. 105, fig. 5-17. This strain gauge force sensor contains a strain gauge formed by strain gauges glued to an elastic element fixed to a fixed base and connected to an input to a constant voltage source, and to an output to the first differential amplifier, a balancing device made in the form of a resistive potentiometer (voltage divider) connected to a constant voltage source, and the output to the second differential amplifier, while the outputs of both differential amplifiers are connected to the differential differential input amplifying adder. In addition, as a rule, the output of the sensor is connected to an analog-to-digital converter ADF. All these essential features, except for the implementation of the balancing device in the form of a resistor potentiometer, coincide with the essential features of the proposed technical solution.
Недостатком данного датчика является ручное управление балансировкой начального разбаланса, что осложняет работу датчика, а также ухудшает его помехозащищенность, поскольку потенциометр для ручного управления приходится размещать на расстоянии от тензомоста.The disadvantage of this sensor is the manual control of the balancing of the initial unbalance, which complicates the operation of the sensor and also worsens its noise immunity, since the potentiometer for manual control must be placed at a distance from the strain gage.
Предлагаемым изобретением решается техническая задача полной автоматизации процесса балансировки тензодатчика при повышении его помехозащищенности и чувствительности.The present invention solves the technical problem of fully automating the process of balancing the strain gauge while increasing its noise immunity and sensitivity.
Для достижения указанного технического результата тензометрический датчик силы содержащий тензомост, образованный тензорезисторами, наклеенными на закрепленный на неподвижном основании упругий элемент, и подключенный входом к источнику постоянного напряжения, а выходом к первому дифференциальному усилителю, балансировочное устройство, входом подключенное к источнику постоянного напряжения, а выходом - к второму дифференциальному усилителю, при этом выходы обоих дифференциальных усилителей подключены к дифференциальным входам усиливающего сумматора, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, дополнительно содержит коммутатор, подключенный входами к выходам первого дифференциального усилителя и усиливающего сумматора, а выходом к аналого-цифровому преобразователю, регистр запоминания старших разрядов, подключенный входом к аналого-цифровому преобразователю, а также шифратор, подключенный входом к регистру запоминания старших разрядов, а выходом к балансировочному устройству, при этом балансировочное устройство выполнено в виде резистивной матрицы с ключами, управляющие входы которых соединены с шифратором, причем резисторы матрицы объединены в мостовую схему, имеют входные сопротивления, равные сопротивлениям тензомоста, и размещены на неподвижном основании упругого элемента, а провода, подключенные к выходу моста резистивной матрицы, проложены в общем кабеле с проводами, подключенными к выходу тензомоста.To achieve the technical result, a strain gauge force sensor containing a strain gauge formed by strain gauges glued to an elastic element fixed to a fixed base and connected to an input to a constant voltage source, and to an output to a first differential amplifier, a balancing device connected to a constant voltage source by input and output - to the second differential amplifier, while the outputs of both differential amplifiers are connected to the differential inputs of the amplifier the flowing adder, the output of which is connected to an analog-to-digital converter, additionally contains a switch connected by inputs to the outputs of the first differential amplifier and amplifying adder, and by an output to an analog-to-digital converter, a high-order memory register connected to the input to an analog-to-digital converter, and an encoder connected by an input to the high-order memory register, and by an output to a balancing device, while the balancing device is made in the form of resistors of the matrix with the keys, the control inputs of which are connected to the encoder, and the matrix resistors are combined in a bridge circuit, have input resistances equal to the tensor bridge resistances, and are placed on the fixed base of the elastic element, and the wires connected to the bridge output of the resistive matrix are laid in a common cable with wires connected to the output of the strain gage.
Отличительными признаками предлагаемого тензометрического датчика силы от известного является то, что он дополнительно содержит коммутатор, подключенный входами к выходам первого усилителя и усиливающего сумматора, а выходом к аналого-цифровому преобразователю, регистр запоминания старших разрядов, подключенный входом к аналого-цифровому преобразователю, а также шифратор, подключенный входом к регистру запоминания старших разрядов, а выходом к балансировочному устройству, при этом балансировочное устройство выполнено в виде резистивной матрицы с ключами, управляющие входы которых соединены с шифратором, причем резисторы матрицы объединены в мостовую схему, имеют входные сопротивления, равные сопротивлениям тензомоста, и размещены на неподвижном основании упругого элемента, а провода, подключенные к выходу моста резистивной матрицы, проложены в общем кабеле с проводами, подключенными к выходу тензомоста.Distinctive features of the proposed tensometric force sensor from the known one is that it additionally contains a switch connected by inputs to the outputs of the first amplifier and amplifying adder, and by an output to an analog-to-digital converter, a high-order memory register connected to the input to an analog-to-digital converter, and an encoder connected by an input to the high-order memory register, and by an output to a balancing device, while the balancing device is made in the form of a res a matrix with keys, the control inputs of which are connected to the encoder, moreover, the matrix resistors are combined in a bridge circuit, have input resistances equal to the tensor bridge resistances, and are located on the fixed base of the elastic element, and the wires connected to the bridge output of the resistive matrix are laid in a common cable with wires connected to the output of the strain gage.
Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными, указанными в ограничительной части формулы, достигается следующий технический результат - полностью обнуляется начальный сигнал тензодатчика (сигнал с выхода сумматора) до значения, определяемого отброшенными младшими разрядами цифрового сигнала АДС; полностью компенсируются электромагнитные шумы в кабеле соединения тензомостов и электронного блока, поскольку импедансы измерительного канала (выход первого усилителя) и балансировочного канала (выход второго усилителя) равны и оба канала запитаны от одного источника, а также проложены в общем кабеле. Кроме того, за счет выполнения балансировочного устройства с цифровым управлением появилась возможность существенного повышения разрядности аналого-цифрового преобразования без повышения разрядности примененного аналого-цифрового преобразователя (АДС).Due to the presence of these distinguishing features in conjunction with the known ones indicated in the restrictive part of the formula, the following technical result is achieved: the initial strain gauge signal (signal from the output of the adder) is completely reset to the value determined by the discarded low-order bits of the ADF digital signal; electromagnetic noise in the cable connecting the strain gages and the electronic unit is completely compensated, since the impedances of the measuring channel (output of the first amplifier) and the balancing channel (output of the second amplifier) are equal and both channels are powered from the same source, and also are laid in a common cable. In addition, due to the implementation of the balancing device with digital control, it became possible to significantly increase the capacity of the analog-to-digital conversion without increasing the capacity of the applied analog-to-digital converter (ADS).
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый тензометрический датчик силы, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".As a result of a search by sources of patent and scientific and technical information, a set of features characterizing the proposed strain gauge force sensor was not detected. Thus, the present invention meets the eligibility criterion of "new."
На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании выше изложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности “изобретательский уровень”.Based on a comparative analysis of the proposed technical solution with the prior art according to the sources of scientific, technical and patent literature, it can be argued that between the totality of signs, including distinctive, and the functions performed by them and the goals achieved, there is no obvious causal relationship. Based on the foregoing, we can conclude that the technical solution in the proposed device does not follow explicitly from the prior art and, therefore, meets the eligibility criterion of “inventive step”.
Предложенное техническое решение может найти применение в электрических измерительных устройствах, предназначенных для высокоточного и оперативного измерения деформаций в различных отраслях техники, а следовательно, данное решение соответствует критерию “промышленно применимо”.The proposed technical solution can find application in electrical measuring devices designed for high-precision and operational measurement of strains in various branches of technology, and therefore, this solution meets the criterion of “industrially applicable”.
Изобретение поясняется электрической схемой, показанной на чертеже.The invention is illustrated by the electrical circuit shown in the drawing.
Изображенный на схеме тензометрический датчик силы содержит тензомост 1, образованный тензорезисторами, наклеенными на закрепленный на неподвижном основании упругий элемент (которым может служить, например, S-образная балка или упругий параллелограмм), и подключенный входом к источнику постоянного напряжения 2, а выходом к первому дифференциальному усилителю 3, балансировочное устройство 4, входом подключенное к источнику постоянного напряжения 2, а выходом - ко второму дифференциальному усилителю 5, при этом выходы обоих дифференциальных усилителей 3 и 5 подключены к дифференциальным входам усиливающего сумматора 6, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АДС) 7 через коммутатор 8. Коммутатор 8 подключен входами к выходам первого усилителя 3 и усиливающего сумматора 6, а выходом к аналого-цифровому преобразователю 7, регистр запоминания старших разрядов 9 подключен входом к аналого-цифровому преобразователю 7, а шифратор 10 подключен входом к регистру запоминания старших разрядов 9, а выходом к балансировочному устройству 4. При этом балансировочное устройство 4 выполнено в виде резистивной матрицы с ключами, управляющие входы которых соединены с шифратором 10. Причем резисторы матрицы балансировочного устройства 4 объединены в мостовую схему, имеют входные сопротивления, равные сопротивлениям тензомоста 1, и размещены на неподвижном основании упругого элемента, а провода, подключенные к выходу моста резистивной матрицы, проложены в общем кабеле с проводами, подключенными к выходу тензомоста 1.The strain gauge force sensor shown in the diagram contains a strain gauge 1 formed by strain gauges glued to an elastic element fixed to a fixed base (which can be, for example, an S-shaped beam or an elastic parallelogram), and connected to a DC voltage source 2, and the output to the first differential amplifier 3, balancing device 4, the input connected to a constant voltage source 2, and the output to the second differential amplifier 5, while the outputs of both differential x amplifiers 3 and 5 are connected to the differential inputs of the amplifying adder 6, the output of which is connected to the analog-to-digital converter (ADC) 7 through the switch 8. Switch 8 is connected by inputs to the outputs of the first amplifier 3 and amplifying adder 6, and the output to the analog-to-digital converter 7, the high-order memory register 9 is connected by an input to an analog-to-digital converter 7, and the encoder 10 is connected by an input to the high-order memory register 9, and by an output to a balancing device 4. At the same time, the balancing device Property 4 is made in the form of a resistive matrix with the keys, the control inputs of which are connected to the encoder 10. Moreover, the resistors of the matrix of the balancing device 4 are combined in a bridge circuit, have input resistances equal to the resistances of the strain gauge bridge 1, and are placed on the fixed base of the elastic element, and the wires connected to the output of the bridge of the resistive matrix, laid in a common cable with wires connected to the output of the strain bridge 1.
Представленный на схеме тензометрический датчик силы работает следующим образом.The strain gauge force sensor presented in the diagram works as follows.
Балансировочное устройство 4 выполнено из 2-х цифровых потенциометров, соединенных между собой параллельно-встречно, так что последние образуют резистивную матрицу, коммутируемую ключами, которыми управляет сигнал шифратора 10. Благодаря такому выполнению балансировочного устройства 4 в схеме возможно следующее. Вначале коммутатор 8 подключает ко входу АДС 7 выход усилителя 3. АДС 7 преобразовывает вызванный деформациями упругого элемента разбаланс моста 1 в цифровой двоичный код, старшие разряды которого запоминаются в регистре 9. Данные регистра 9 в шифраторе 10 преобразуются в код управления ключами резистивной матрицы балансировочного устройства 4. Причем этот код управляет ключами матрицы так, что вызывает разбаланс резисторов устройства 4, аналогичный разбалансу тензомоста 1 с точностью до отброшенных младших разрядов. Физически такой шифратор 10 может быть реализован, например, на микросхеме ПЗУ. Или все балансировочное устройство 4 может быть выполнено из двух цифровых потенциометров. Тогда сигнал на выходе усилителей 5 и 3 - U5 и U3 можно записать в видеThe balancing device 4 is made of 2 digital potentiometers connected in parallel with each other, so that the latter form a resistive matrix, switched by the keys controlled by the signal of the encoder 10. Thanks to this embodiment of the balancing device 4 in the circuit, the following is possible. Initially, the switch 8 connects the output of the amplifier 3 to the input of the ADF 7. The ADF 7 converts the unbalance of the bridge 1 caused by deformations of the elastic element into a digital binary code, the high-order bits of which are stored in the register 9. The data of the register 9 in the encoder 10 is converted into the key management code of the resistive matrix of the balancing device 4. Moreover, this code controls the keys of the matrix so that it causes an imbalance of the resistors of the device 4, similar to the imbalance of the tensor bridge 1 up to the discarded minor bits. Physically, such an encoder 10 can be implemented, for example, on a ROM chip. Or the entire balancing device 4 can be made of two digital potentiometers. Then the signal at the output of amplifiers 5 and 3 - U5 and U3 can be written as
U1 - напряжение источника питания 2;U1 is the voltage of power supply 2;
ΔR1 и ΔR4 - разбаланс тензомоста 1 и моста - балансировочного устройства 4;ΔR1 and ΔR4 - imbalance of the strain bridge 1 and the bridge - balancing device 4;
R4 и R1 - начальные входные сопротивления мостов;R4 and R1 - initial input impedance of bridges;
К3 и К5 - коэффициенты усилителей 3 и 5;K3 and K5 are the coefficients of amplifiers 3 and 5;
uш3 и uш5 - наведенные шумы на усилителях 3 и 5.Ush3 and Ush5 - induced noise on amplifiers 3 and 5.
Если выбрать R4=R1=R, К3=К5=К, а провода от моста 1 и моста 4 проложить в общем кабеле и при этом мост 4 разместить вблизи моста 1, то можно считать uш3=uш5.If you choose R4 = R1 = R, K3 = K5 = K, and lay the wires from bridge 1 and bridge 4 in a common cable and place bridge 4 near bridge 1, then uш3 = uш5 can be considered.
Тогда для выхода усиливающего сумматора 6 можно записатьThen for the output of the amplifying adder 6 can be written
где K6- коэффициент усиления сумматора 6.where K6 is the gain of the adder 6.
При этом видно, что шум на выходе усиливающего сумматора 6 отсутствует. Неизвестной величиной в уравнении (2) является ΔR1. ΔR4 - разбаланс моста 4, он же округленный до отброшенных младших разрядов разбаланс моста 1, измеренный при первом шаге. На втором шаге коммутатор 8 подключает к входу АДС 7 выход усилителя 6 и оцифровываются данные, которые несут информацию о младших разрядах разбаланса моста 1, а именно ΔR1-ΔR4, где ΔR1 - полный разбаланс моста 1, a ΔR4 - разбаланс моста 1, соответствующий старшим разрядам.It is seen that the noise at the output of the amplifying adder 6 is absent. An unknown quantity in equation (2) is ΔR1. ΔR4 is the imbalance of the bridge 4, it is also rounded off to the discarded minor bits, the imbalance of the bridge 1, measured at the first step. At the second step, switch 8 connects the output of amplifier 6 to the input of ADF 7 and digitizes data that carries information about the least significant bits of the unbalance of bridge 1, namely ΔR1-ΔR4, where ΔR1 is the total unbalance of bridge 1, and ΔR4 is the unbalance of bridge 1, corresponding to the oldest discharges.
Таким образом, чтобы получить уточненное значение разбаланса тензомоста 1, здесь производятся два измерения - грубое и точное. Грубое позволяет настроить балансировочное устройство 4 так, чтобы получить на входе усилителя 6 компенсирующий сигнал, который содержит в себе шум, аналогичный шуму основного сигнала. Здесь балансировочный канал кроме основной функции (сбалансировать выход усилителя датчика с целью дальнейшего усиления) играет еще и роль модели основного измерительного канала, с помощью которой измеряется шум. Чтобы это реализовалось, необходимо только сформировать код шифратора 10 так, чтобы ключи резистивной матрицы коммутировали ее в соответствии с уравнением N=Кш ΔR/R, где N - код АДС при отброшенных младших разрядах; Кш - коэффициент пропорциональности между кодом N и разбалансом моста, образованным резистивной матрицей.Thus, in order to obtain the specified value of the strain gage imbalance 1, two measurements are made here - rough and accurate. Coarse allows you to adjust the balancing device 4 so as to obtain at the input of the amplifier 6 a compensating signal that contains noise similar to the noise of the main signal. Here, the balancing channel, in addition to the main function (to balance the output of the sensor amplifier for the purpose of further amplification), also plays the role of the model of the main measuring channel with which noise is measured. For this to be realized, it is only necessary to generate the encoder code 10 so that the keys of the resistive matrix switch it in accordance with the equation N = Кш ΔR / R, where N is the ADS code for the low-order bits discarded; Кш - proportionality coefficient between the N code and the unbalance of the bridge formed by the resistive matrix.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003131087/28A RU2249189C1 (en) | 2003-10-23 | 2003-10-23 | Strain-gauge transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003131087/28A RU2249189C1 (en) | 2003-10-23 | 2003-10-23 | Strain-gauge transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2249189C1 true RU2249189C1 (en) | 2005-03-27 |
Family
ID=35560539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003131087/28A RU2249189C1 (en) | 2003-10-23 | 2003-10-23 | Strain-gauge transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2249189C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114459641A (en) * | 2020-01-10 | 2022-05-10 | 北京航天测控技术有限公司 | Torque sensor and detection method of effective signal thereof |
-
2003
- 2003-10-23 RU RU2003131087/28A patent/RU2249189C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЛЕВШИН Е.С., НОВИЦКИЙ П.В. Электрические измерения физических величин. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.105, рис. 5-17. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114459641A (en) * | 2020-01-10 | 2022-05-10 | 北京航天测控技术有限公司 | Torque sensor and detection method of effective signal thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7301352B1 (en) | High sensitivity single or multi sensor interface circuit with constant voltage operation | |
| RU2249189C1 (en) | Strain-gauge transducer | |
| RU2417349C1 (en) | Procedure for measurement of relative deformations of structures with multi-pointed tensometric measuring system | |
| RU35885U1 (en) | TENSOMETRIC POWER SENSOR | |
| RU2249190C1 (en) | Multichannel strain-measuring device | |
| CN212364401U (en) | Resistance sensor measuring circuit for measuring weak signal | |
| RU2731033C1 (en) | Bridge-type pressure transducer | |
| CN112344846A (en) | Strain sensor based on radio frequency identification technology for tunnel strain monitoring | |
| US10215617B2 (en) | Analog sensor with digital compensation function | |
| Mihov et al. | Temperature errors compensation of force sensor for railway carriages wheel load measuring | |
| RU2469283C1 (en) | Multichannel measuring device for aerodynamic intramodel weights | |
| RU2223507C2 (en) | Circuit to process signal from strain-gauge transducer to serial code | |
| JPS6217694Y2 (en) | ||
| SU1739212A2 (en) | Temperature measuring device | |
| JPS6144327A (en) | Load detector circuit of load cell type electronic scale | |
| CN114812915B (en) | Pressure scanning valve circuit | |
| SU932212A1 (en) | Strain gauge device | |
| CA1107832A (en) | Multipoint measuring device | |
| JPH0810121B2 (en) | Calibration device for strain measuring instrument | |
| JPS61209331A (en) | Input apparatus of temperature measuring resistor | |
| SU1656345A1 (en) | Digital thermometer | |
| RU2071065C1 (en) | Converter for mechanical quantities into electric signal | |
| Johnston | A Collection of Bridge Transducer Digitizer Circuits | |
| SU964476A2 (en) | Strain-gauge weight measuring device | |
| RU2308688C1 (en) | Method for normalizing charge-sensitive characteristics of piezo-electric transducers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161024 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20170915 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201024 |