Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке различного рода систем контроля, в частности, при проектировании автоматизированного измерительного комплекса, используемого для определения физико-механических свойств материалов методом кинетического индентирования.The invention relates to measuring technique and can be used to develop various kinds of control systems, in particular, when designing an automated measuring complex used to determine the physicomechanical properties of materials by kinetic indentation.
Известен инвариантный измерительный мост [1]. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является преобразователь механических величин в электрический сигнал [2]. Недостатком этого преобразователя является высокая погрешность измерений в области малых линейных перемещений. Целью предлагаемого изобретения является повышение точностных характеристик преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь линейных перемещений в напряжение с автоматическим выбором диапазона (см. чертеж), содержащий измерительный мост, состоящий из первого и второго резисторов 2 и 3 соответственно, датчика 4 и компенсирующего элемента 5, а также инструментального усилителя 10 с подключенным к нему резистором 8, причем первый вход инструментального усилителя 10 соединен с первым выходом измерительного моста, т.е. с объединенными между собой выходом первого резистора 2 и входом датчика 4, а второй вход - с вторым выходом измерительного моста, т.е. с объединенными между собой выходом второго резистора 3 и входом компенсирующего элемента 5, дополнительно введены источник 1 питания, первый и второй триггеры 6 и 16 соответственно, логический элемент 94 И-НЕ, а также логический элемент 12 8И-НЕ. Преобразователь также дополнительно содержит двоичный счетчик 11, первый и второй операционные усилители 14 и 18 соответственно, источник 19 опорного напряжения и компаратор 20. Дополнительными компонентами преобразователя также являются третий и четвертый резисторы 15 и 17 соответственно, цифроаналоговый преобразователь 13, первую и вторую входные шины, первую и вторую выходную шины 21, 22, 23 и 24 соответственно. При этом первый выход источника 1 питания соединен с первым входом питания измерительного моста, а второй выход - с вторым входом питания этого же моста, а также с вторым входом второго операционного усилителя 18 и общей шиной. Выход инструментального усилителя 10 подключен к Uоп-входу опорного напряжения цифроаналогового преобразователя 13, первый и второй выходы которого связаны с первым и вторым входами соответственно, первого операционного усилителя 14, выходом соединенного с входом обратной связи цифроаналогового преобразователя 13 и через резистор 15 - с первым входом второго операционного усилителя 18, который также подключен через резистор 17 к объединенным между собой выходом второго операционного усилителя 18, первым входом компаратора 20 и второй выходной шиной 24. Второй вход компаратора 20 связан с выходом источника 19 опорного напряжения, а выход - с S-входом второго триггера 16, -выход которого соединен с первым входом логического элемента 9 4И-НЕ. Q-выход первого триггера 6 подключен к четвертому входу логического элемента 9 4И-НЕ и R-входам второго триггера 16 и двоичного счетчика 11. Третий вход логического элемента 9 4И-НЕ связан с выходом генератора 7 импульсов, а выход - с счетным +1-входом двоичного счетчика 11. Кодовый выход двоичного счетчика 11 соединен с кодовым входом цифроаналогового преобразователя 13, с входами логического элемента 12 8И-НЕ и первой выходной шиной 23. Выход логического элемента 12 8И-НЕ подключен к второму входу логического элемента 9 4И-НЕ. D-вход первого триггера 6 соединен с первой входной шиной 21, а С-вход - с второй входной шиной 22.Known invariant measuring bridge [1]. The closest technical solution to the present invention is a converter of mechanical quantities into an electrical signal [2]. The disadvantage of this Converter is the high measurement error in the field of small linear displacements. The aim of the invention is to increase the accuracy characteristics of the Converter. This goal is achieved by the fact that the linear displacement transducer to voltage with automatic range selection (see drawing), containing a measuring bridge, consisting of the first and second resistors 2 and 3, respectively, the sensor 4 and the compensating element 5, as well as the instrumental amplifier 10 s a resistor 8 connected thereto, the first input of the instrumentation amplifier 10 being connected to the first output of the measuring bridge, i.e. with the combined output of the first resistor 2 and the input of the sensor 4, and the second input with the second output of the measuring bridge, i.e. combined with the output of the second resistor 3 and the input of the compensating element 5, the power supply 1, the first and second triggers 6 and 16, respectively, the AND-NOT logic element 94, and the 8I-NOT logical element 12 are additionally introduced. The converter also further comprises a binary counter 11, first and second operational amplifiers 14 and 18, respectively, a reference voltage source 19 and a comparator 20. Additional components of the converter are also the third and fourth resistors 15 and 17, respectively, the digital-to-analog converter 13, the first and second input buses, the first and second output bus 21, 22, 23 and 24, respectively. In this case, the first output of the power supply 1 is connected to the first power input of the measuring bridge, and the second output is connected to the second power input of the same bridge, as well as to the second input of the second operational amplifier 18 and a common bus. The output of the instrument amplifier 10 is connected to the U op input of the reference voltage of the digital-to-analog converter 13, the first and second outputs of which are connected to the first and second inputs, respectively, of the first operational amplifier 14, the output connected to the feedback input of the digital-to-analog converter 13 and through the resistor 15 to the first the input of the second operational amplifier 18, which is also connected through a resistor 17 to the interconnected output of the second operational amplifier 18, the first input of the comparator 20 and the second output th bus 24. The second input of the comparator 20 is connected to the output of the reference voltage source 19, and the output is connected to the S-input of the second trigger 16, -the output of which is connected to the first input of the logic element 9 4I-NOT. The Q-output of the first trigger 6 is connected to the fourth input of the logic element 9 4I-NOT and the R-inputs of the second trigger 16 and the binary counter 11. The third input of the logic element 9 4I-NOT connected with the output of the generator 7 pulses, and the output with the counting +1 -input of the binary counter 11. The code output of the binary counter 11 is connected to the code input of the digital-to-analog converter 13, with the inputs of the logic element 12 8I-NOT and the first output bus 23. The output of the logic element 12 8I-NOT connected to the second input of the logical element 9 4I-NOT . The D-input of the first trigger 6 is connected to the first input bus 21, and the C-input is connected to the second input bus 22.
Рассмотрим работу преобразователя на его конкретном использовании в составе автоматизированного комплекса, предназначенного для определения физико-механических свойств материалов методом кинетического индентирования. В исходном состоянии первый триггер 6 с Q-выхода устанавливает логический "0" на R-входах второго триггера 16 и двоичного счетчика 11, а также на четвертом входе логического элемента 9 4И-НЕ. При этом на -выходе второго триггера 16 будет установлена логическая "1", работа логического элемента 9 4И-НЕ будет заблокирована логическим "0" на его четвертом входе. Логический "0" на R-входе двоичного счетчика 11 приведет к формированию на кодовом выходе этого счетчика кода 0...0. "Единичное" состояние первого триггера 6 разрешит работу логического элемента 9 4И-НЕ и двоичного счетчика 11, а также установку в "единичное" состояние второго триггера 16 по его S-входу. От установки калибровочного линейного перемещения на датчике 4 на выходах измерительного моста и соответственно на входах инструментального усилителя 10 будет сформировано дифференциальное напряжение, которое усилится этим усилителем и поступит на Uоп-вход цифроаналогового преобразователя 13. Необходимый коэффициент усиления инструментального усилителя 10 устанавливается путем подключения резистора 8 соответствующей величины к предусмотренным для этого входам этого усилителя. Цифроаналоговый преобразователь 13 и первый операционный усилитель 14 с их связями образуют функционально законченный цифроаналоговый преобразователь (ЦДЛ), который при подключении к нему резисторов 15 и 17, а также второго операционного усилителя 18, представляет собой усилитель с устанавливаемым коэффициентом усиления. Выходной код двоичного счетчика 11, поступающий на кодовый вход цифроаналогового преобразователя 13, определяет коэффициент этого усилителя. Импульсы с выхода генератора 7 импульсов, пройдя через разблокированный логический элемент 9 4И-НЕ на суммирующий +1-вход двоичного счетчика 11, увеличивают на "1" выходной код этого счетчика по каждому импульсу. Таким образом, выходной код цифроаналогового преобразователя 13 будет изменяться от 00 до FF16 (восьмиразрядный двоичный счетчик 11). По мере увеличения кода на выходе второго операционного усилителя 18, а также на второй выходной шине 24 и первом входе компаратора 20 будет формироваться нарастающее пилообразно-ступенчатое напряжение. Величина увеличения этого напряжения по каждому импульсу составляет U=Uвх.·1/256·Кус, где Кус - коэффициент усиления второго операционного усилителя 18, Uвх. - напряжение на Uоп-входе цифроаналогового преобразователя 13, 1/256 - величина минимального изменения входного восьмиразрядного кода. В тот момент, когда напряжение на выходе второго операционного усилителя 18 достигнет уровня выходного напряжения источника 19 опорного напряжения, на выходе компаратора 20 установится "0", что приведет к установке в "единичное" состояние второго триггера 16 и запрету прохождения импульсов с выхода генератора 7 импульсов через логический элемент 9 4И-НЕ на суммирующий +1-вход двоичного счетчика 11. Таким образом, на выходе двоичного счетчика 11 будет зафиксирован двоичный код любой калибровочной величины линейного перемещения датчика 4 и преобразованной в электрический сигнал, величина которого максимально приближена к диапазону с минимальной погрешностью измерения. При малых величинах калибровочных линейных перемещений, не обеспечивающих достижение на выходе второго операционного усилителя 18 напряжения, превышающего величину напряжения источника 19 опорного напряжения при максимальном выходном коде FF16 двоичного счетчика 11, этот код будет зафиксирован формированием на выходе логического элемента 12 8И-НЕ запрещающего сигнала.Consider the operation of the converter on its specific use as part of an automated complex designed to determine the physicomechanical properties of materials by kinetic indentation. In the initial state, the first trigger 6 from the Q output sets a logical "0" at the R inputs of the second trigger 16 and the binary counter 11, as well as at the fourth input of the logic element 9 4I-NOT. Moreover, on 
Таким образом, компоненты преобразователя с их взаимосвязями обеспечивают автоматический выбор диапазона выходного напряжения, при котором погрешность его измерения минимальна, в полном диапазоне величин линейных перемещений.Thus, the converter components with their interconnections provide automatic selection of the output voltage range at which the error of its measurement is minimal in the full range of linear displacements.
Источники информацииInformation sources
[1] Патент РФ №2117304 от 27.09.93 г.[1] RF patent No. 2117304 of 09/27/93.
[2] Патент РФ №2071065 от 13.04.93 г.[2] RF patent No. 2071065 of 04/13/93.
