RU2327174C1 - Resistance strain gauge signal transducers - Google Patents
Resistance strain gauge signal transducers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2327174C1 RU2327174C1 RU2007102252/28A RU2007102252A RU2327174C1 RU 2327174 C1 RU2327174 C1 RU 2327174C1 RU 2007102252/28 A RU2007102252/28 A RU 2007102252/28A RU 2007102252 A RU2007102252 A RU 2007102252A RU 2327174 C1 RU2327174 C1 RU 2327174C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transducer
- converter
- current
- potential
- strain gauge
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к электротензометрии, и предназначено для использования в качестве преобразователя сигналов четырехпроводных мостовых и одиночных тензорезисторных датчиков многоточечных измерительных систем для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций летательных аппаратов.The invention relates to electrical engineering, in particular to electrotensometry, and is intended for use as a signal converter of four-wire bridge and single strain gauge sensors of multi-point measuring systems for the analysis of the stress-strain state of aircraft structures.
Современный летательный аппарат имеет чрезвычайно сложную конструкцию, которая при минимальном весе должна обладать необходимой прочностью. Приходится проводить специфические экспериментальные исследования в широком диапазоне воздействий в большом числе точек конструкции. Наиболее распространенным и универсальным видом измерений при исследованиях конструкций летательных аппаратов и большого ряда других объектов науки и техники является электротензометрия [1. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. - М.: Машиностроение, 1974, с.3-12. 2. Автоматизация измерений и обработка данных при испытаниях самолета на прочность. И.Ф.Образцов, А.С.Голубков, А.Н.Серьезнов и др. - М.: Машиностроение, 1991, с.75, табл.4.3. 3. Измерительная информационная система «Прочность-2000» для испытаний на прочность современной авиакосмической техники. Е.Г.Зубов, Ю.С.Ильин, В.В.Шевчук. Авиакосмическая техника и технология, 2003, №3, с.30-36]. Важнейшим узлом измерительного оборудования здесь является преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков (как мостовых, так и одиночных), характеристиками которого в значительной мере определяются конечные результаты испытаний. Массовое использование тензорезисторов обусловлено целым рядом известных их достоинств. Однако приходится сталкиваться со специфическим набором сложных, труднорешаемых проблем и рядом специфических требований, предъявляемых к такому преобразователю: высокая чувствительность при малом токе тензорезистора, независимость результатов от сопротивлений соединительных проводов и входных коммутаторов датчиков, минимальное число элементов, участвующих в преобразовании, соответствие принципам агрегатирования (возможность задания образцовых и снятие выходных напряжений относительно общей шины), линейная характеристика, высокое быстродействие и универсальность использования при различных типах датчиков, применяемых при испытаниях.A modern aircraft has an extremely complex structure, which with the minimum weight should have the necessary strength. It is necessary to carry out specific experimental studies in a wide range of effects in a large number of design points. The most common and universal type of measurement in studies of aircraft structures and a large number of other objects of science and technology is electrotensometry [1. Static strength tests of supersonic aircraft. Baranov A.N., Belozerov L.G., Ilyin Yu.S., Kutinov V.F. - M.: Mechanical Engineering, 1974, p. 3-12. 2. Automation of measurements and data processing during testing of aircraft for strength. I.F. Obraztsov, A.S. Golubkov, A.N. Seryoznov, etc. - M .: Mechanical Engineering, 1991, p. 75, table 4.3. 3. Measuring information system "Strength-2000" for testing the strength of modern aerospace engineering. E.G. Zubov, Yu.S. Ilyin, V.V. Shevchuk. Aerospace Engineering and Technology, 2003, No. 3, p.30-36]. The most important component of the measuring equipment here is the signal transducer of strain gauge sensors (both bridge and single), the characteristics of which largely determine the final test results. The massive use of strain gages is due to a number of known advantages. However, one has to deal with a specific set of complex, difficult to solve problems and a number of specific requirements for such a converter: high sensitivity at low current of the strain gauge, independence of the results from the resistances of the connecting wires and input switches of the sensors, the minimum number of elements involved in the conversion, compliance with the principles of aggregation ( the ability to set exemplary and relieve output voltages relative to the common bus), linear characteristic, high nd speed and versatility of use with different types of sensors used in the tests.
Широко известен преобразователь с источником питания, подключенным к питающей диагонали моста, и выходным сигналом, снимаемым с выходной диагонали моста (Хорна О. Тензометрические мосты. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, рис.1, стр.13). Однако сопротивление соединительных проводов и их вариации вносят существенные погрешности в результат преобразования. Например, при проведении полевых (натурных) экспериментов длина соединительных измерительных линий, связывающих датчики с измерительным оборудованием, достигает 200 м и более [Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. Л.: Энергия, 1972, стр.59]. Кроме того, многоточечные измерительные системы для переключения датчиков имеют на входе коммутаторы, которые по переходному сопротивлению вносят дополнительные погрешности преобразования.A converter with a power source connected to the supply diagonal of the bridge and an output signal taken from the output diagonal of the bridge is widely known (O. Horna. Strain gages. M.-L.: Gosenergoizdat, 1962, Fig. 1, p. 13). However, the resistance of the connecting wires and their variations introduce significant errors in the conversion result. For example, when conducting field (field) experiments, the length of the connecting measuring lines connecting the sensors to the measuring equipment reaches 200 m or more [Glagovsky B.A., Piven I.D. Resistance electrotensometers. L .: Energy, 1972, p. 59]. In addition, multi-point measuring systems for switching sensors have switches at the input, which, according to the transition resistance, introduce additional conversion errors.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является преобразователь сигналов мостовых резисторных датчиков, содержащий источник тока, подключенный к одной вершине питающей диагонали моста (датчика), и операционный усилитель, выход которого подключен к другой вершине питающей диагонали моста; неинверсный вход операционного усилителя соединен с общей шиной устройства, инверсный вход - с одной вершиной выходной диагонали моста, а выходной (полезный) сигнал снимается со второй вершины выходной диагонали моста двумя (токовым и потенциальным) проводами [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980, рис.5-14а, стр.128]. Такое построение преобразователя значительно уменьшает погрешности от влияния сопротивлений соединительных проводов, коммутирующих элементов входных коммутаторов и их вариаций. Причем то, что источник питания моста связан с общей шиной устройства и выходной сигнал преобразователя снимается относительно общей шины устройства, положительно сказывается (с точки зрения агрегатирования) на построении всего измерительного оборудования. Однако такой преобразователь требует пяти проводов для подключения мостового датчика к преобразователю, который, соответственно, должен иметь пять клемм подключения. Кроме того, такой преобразователь не позволяет (кроме сигналов мостовых датчиков) преобразовывать и сигналы датчиков в виде одиночного тензорезистора. Введение же для устранения этого недостатка дополнительного преобразователя сигналов одиночных тензорезисторов с соответствующей их коммутацией как минимум удвоит объем используемого оборудования.The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed technical solution is a signal converter of bridge resistor sensors, containing a current source connected to one vertex of the supply diagonal of the bridge (sensor), and an operational amplifier, the output of which is connected to another vertex of the supply diagonal of the bridge; the non-inverse input of the operational amplifier is connected to the common bus of the device, the inverse input is connected to one vertex of the output diagonal of the bridge, and the output (useful) signal is taken from the second top of the output diagonal of the bridge by two (current and potential) wires [Gutnikov B.C. Integrated electronics in measuring devices. L .: Energy, 1980, fig. 5-14a, p. 128]. Such a construction of the converter significantly reduces errors from the influence of the resistances of the connecting wires, the switching elements of the input switches and their variations. Moreover, the fact that the bridge power source is connected to the device’s common bus and the converter output signal is removed relative to the device’s common bus positively affects (from the point of view of aggregation) the construction of all measuring equipment. However, such a converter requires five wires to connect the bridge sensor to the converter, which, accordingly, must have five connection terminals. In addition, such a converter does not allow (except for bridge sensor signals) to convert sensor signals in the form of a single strain gauge. The introduction to eliminate this drawback of an additional signal converter of single strain gauges with their corresponding switching will at least double the amount of equipment used.
Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя.The objective of the present invention is to expand the functionality of the Converter.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности (по четырем присоединительным клеммам) преобразования сигналов как мостовых, так и одиночных тензорезисторных датчиков.The technical result of the invention is the provision of the possibility (by four connection terminals) of signal conversion of both bridge and single strain gauge sensors.
Технический результат достигается тем, что в преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков, содержащий источник тока и операционный усилитель, подключенные выходами к разноименным токовым клеммам преобразователя, введены источник напряжения и переключатель, общий вывод которого соединен с неинверсным входом операционного усилителя, а два других вывода - к выходу источника напряжения и общей шине преобразователя, причем инверсный вход усилителя соединен с одноименной источнику тока потенциальной клеммой.The technical result is achieved by the fact that a voltage source and a switch are introduced into the signal converter of the strain gauge sensors, containing a current source and an operational amplifier connected by outputs to the opposite current terminals of the converter, the common terminal of which is connected to a non-inverse input of the operational amplifier, and the other two outputs are connected to the output the voltage source and the common bus of the converter, and the inverse input of the amplifier is connected to the current source with the potential terminal.
На чертеже дана схема преобразователя.The drawing shows a diagram of the Converter.
Преобразователь содержит источник тока «I», источник напряжения «Е», операционный усилитель «У», переключатель «К» и имеет четыре присоединительных клеммы: две - для подсоединения токовых проводов датчика и две - для подсоединения потенциальных проводов датчика. Для упорядочения различения этих двух пар клемм принято: одноименная пара клемм - это соответствующие друг другу токовая и потенциальная клеммы преобразователя. Выходы источника тока и операционного усилителя подключены к разным токовым клеммам. Неинверсный вход операционного усилителя «У» подключен к общему выводу переключателя «К», два других которого подключены: вывод «М» - к общей шине устройства, вывод «R» - к источнику напряжения «Е». Положение переключателя «М» соответствует режиму работы преобразователя с датчиком типа «тензорезисторный мост»; положение переключателя «R» соответствует режиму работы преобразователя с датчиком типа «одиночный тензорезистор». Инверсный вход операционного усилителя подключен к потенциальной клемме преобразователя, одноименной токовой клемме, подключенной к источнику тока. Выходом преобразователя является потенциальная клемма, одноименная токовой клемме, подключенной к выходу операционного усилителя.The converter contains a current source “I”, a voltage source “E”, an operational amplifier “U”, a switch “K” and has four connecting terminals: two for connecting current sensor wires and two for connecting potential sensor wires. To streamline the distinction between these two pairs of terminals, it is customary: the terminal pair of the same name is the current and potential terminals of the converter corresponding to each other. The outputs of the current source and operational amplifier are connected to different current terminals. The non-inverse input of the operational amplifier “U” is connected to the common terminal of the switch “K”, the other two of which are connected: terminal “M” - to the device common bus, terminal “R” - to the voltage source “E”. The position of the switch "M" corresponds to the mode of operation of the Converter with the sensor type "strain gauge bridge"; the position of the switch "R" corresponds to the mode of operation of the Converter with the sensor type "single strain gauge". The inverse input of the operational amplifier is connected to the potential terminal of the converter, the current terminal of the same name, connected to a current source. The converter output is a potential terminal of the same name as a current terminal connected to the output of an operational amplifier.
Преобразователь работает следующим образом.The converter operates as follows.
Источником сигналов для преобразователя являются тензорезисторные датчики (тензорезисторный мост и одиночный тензорезистор), подключаемые каждый (по мере необходимости) четырьмя проводами к четырем клеммам преобразователя, которые образуют соответствующие (одноименные) пары, каждая из которых состоит из токовой и потенциальной клемм преобразователя (см. чертеж).The source of signals for the converter are strain gauge sensors (strain gauge bridge and a single strain gauge), each connected (as necessary) with four wires to the four terminals of the converter, which form the corresponding (same) pairs, each of which consists of the current and potential terminals of the converter (see drawing).
Ток I питания датчика протекает (никуда не ответвляясь) от источника «I» тока через одну токовую клемму преобразователя, токовый провод, датчик, другой токовый провод, другую токовую клемму на выход операционного усилителя «У». Операционный усилитель «У» охвачен глубокой отрицательной обратной связью, поэтому потенциал на его инверсном входе практически равен потенциалу на неинверсном входе. Инверсный вход подключен к датчику потенциальным проводом, поэтому потенциал в точке соединения этого провода с самим датчиком равен потенциалу неинверсного входа.The current I of the sensor power flows (not branching anywhere) from the current source “I” through one current terminal of the converter, current wire, sensor, another current wire, and another current terminal to the output of operational amplifier “U”. The operational amplifier "U" is covered by deep negative feedback, so the potential at its inverse input is almost equal to the potential at a non-inverse input. The inverse input is connected to the sensor by a potential wire, so the potential at the point of connection of this wire with the sensor itself is equal to the potential of a non-inverse input.
Работа преобразователя с датчиком типа «тензорезисторный мост» (положение «М» переключателя «К»): ток I протекает по питающей диагонали моста, полезный сигнал формируется на выходной диагонали моста, одна вершина которой (так же, как и неинверсный и инверсный входы операционного усилителя «У») находится под потенциалом общей шины (0 В), а с другой вершины снимается выходной сигнал U преобразователя, величина которого (с точностью до знака) равна:Operation of the converter with a strain gauge bridge type sensor (position “M” of switch “K”): current I flows along the supply diagonal of the bridge, a useful signal is generated on the output diagonal of the bridge, one vertex of which (like the non-inverse and inverse inputs of the operating room) amplifier "U") is under the potential of the common bus (0 V), and the output signal U of the converter is taken from the other vertex, the value of which (up to the sign) is:
при R1=R3=R0+ΔR и R2=R4=R0-ΔR,with R1 = R3 = R0 + ΔR and R2 = R4 = R0-ΔR,
где ΔR - приращение сопротивления тензорезисторов моста [Карандеев К.Б. Специальные методы электрических измерений, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, с.100).where ΔR is the increment of the resistance of the strain gages of the bridge [KB Karadeev Special methods of electrical measurements, M.-L .: Gosenergoizdat, 1963, p.100).
При работе преобразователя с датчиком типа «одиночный тензорезистор» (положение «R» переключателя «К») благодаря заявляемым соединениям потенциал одного из выводов тензорезистора «R» всегда будет практически равен напряжению Е источника напряжения «Е». Выходной сигнал U преобразователя здесь равен разности напряжения Е и падения напряжения на тензорезисторе «R»:When the Converter is working with a sensor of the type "single strain gauge" (position "R" of the switch "K") due to the claimed connections, the potential of one of the terminals of the strain gauge "R" will always be almost equal to the voltage E of the voltage source "E". The output signal U of the converter here is equal to the difference between the voltage E and the voltage drop across the strain gauge "R":
U=Е-IRU = E-IR
или U=Е-I(R0+ΔR)=(Е-IR0)-IΔR,or U = E-I (R0 + ΔR) = (E-IR0) -IΔR,
где R0 - номинальное (начальное) сопротивление тензорезистора,where R0 is the nominal (initial) resistance of the strain gauge,
ΔR - приращение сопротивления тензорезистора.ΔR is the increment of the resistance of the strain gauge.
При Е=IR0 выходное напряжение преобразователя пропорционально приращению сопротивления тензорезистора:With E = IR0, the output voltage of the converter is proportional to the increment of the resistance of the strain gauge:
U=-IΔR,U = -IΔR,
что и требовалось в этом режиме преобразователя.as required in this converter mode.
Характеристика преобразователя как функция от приращения сопротивления ΔR здесь может быть и несимметричной (если требуется) соответствующим выбором соотношения величины напряжения Е источника напряжения «Е» и величины тока I источника тока «I».The characteristic of the converter as a function of the increment of resistance ΔR here can be asymmetric (if required) by the appropriate choice of the ratio of the voltage E of the voltage source "E" and the current value I of the current source "I".
Величина рабочего напряжения операционного усилителя «У» на его выходе имеет небольшую величину, что также положительно сказывается на работе всего преобразователя.The value of the operating voltage of the operational amplifier “U” at its output is small, which also positively affects the operation of the entire converter.
Следует заметить, что выходной провод (от датчика) всей схемы, строго говоря, может и не принадлежать собственно преобразователю, т.к. не участвует в процессе выработки полезного сигнала, а лишь снимает (выводит) его - полезный сигнал уже сформирован на соответствующем выводе датчика. Этот провод даже может быть отведен не в сторону расположения преобразователя, а совсем в другую. Его наличие или отсутствие не влияет на формирование положительного эффекта. Поэтому в формуле изобретения он специально не оговорен.It should be noted that the output wire (from the sensor) of the entire circuit, strictly speaking, may not belong to the converter itself, because it does not participate in the process of generating a useful signal, but only removes (outputs) it - a useful signal is already generated at the corresponding output of the sensor. This wire can even be laid not in the direction of the transducer, but in a completely different one. Its presence or absence does not affect the formation of a positive effect. Therefore, in the claims it is not specifically stated.
К полезным преимуществам заявляемого технического решения следует отнести также простоту автоматизации переключения режимов работы преобразователя выполнением переключателя «К» на базе электронных КМОП-схем с управляющим входом. Данный преобразователь обладает целым рядом положительных преимуществ: возможность работы с удаленными датчиками с четырехпроводным подключением, возможность электронной коммутации датчиков четырехканальными микросхемами, чрезвычайно малое количество используемых элементов, их однотипность в обоих режимах (что обеспечивает большую стабильность, надежность), упрощение обслуживания, уменьшение затрат на изготовление и поддержание в рабочем состоянии.The useful advantages of the proposed technical solution should also include the simplicity of automating the switching of converter operating modes by making the switch “K” based on electronic CMOS circuits with a control input. This converter has a number of positive advantages: the ability to work with remote sensors with four-wire connection, the ability to electronically switch sensors with four-channel microcircuits, the extremely small number of elements used, their uniformity in both modes (which provides greater stability, reliability), simplified maintenance, and reduced costs manufacturing and maintenance.
По данному предложению на предприятии выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных устройств, которые подтверждают возможность реализации заявляемых вариантов преобразователей сигналов четырехпроводных тензорезисторных датчиков и возможность получения заявленного технического результата.According to this proposal, the company carried out the corresponding theoretical and experimental studies on the creation of specific devices that confirm the possibility of implementing the claimed variants of signal converters of four-wire strain gauge sensors and the possibility of obtaining the claimed technical result.
Реализация предложения в многоточечных измерительных системах для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций в самолетостроении и других отраслях позволит существенно упростить получение результатов испытаний, снизить затраты на изготовление и обслуживание измерительного оборудования, повысить надежность его работы, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию испытуемых конструкций летательных аппаратов.The implementation of the proposal in multipoint measuring systems for the analysis of the stress-strain state of structures in aircraft construction and other industries will significantly simplify the receipt of test results, reduce the cost of manufacturing and maintenance of measuring equipment, increase the reliability of its work, and therefore the reliability of recommendations issued by the industry to improve tested aircraft designs.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007102252/28A RU2327174C1 (en) | 2007-01-23 | 2007-01-23 | Resistance strain gauge signal transducers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007102252/28A RU2327174C1 (en) | 2007-01-23 | 2007-01-23 | Resistance strain gauge signal transducers |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2327174C1 true RU2327174C1 (en) | 2008-06-20 |
Family
ID=39637496
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007102252/28A RU2327174C1 (en) | 2007-01-23 | 2007-01-23 | Resistance strain gauge signal transducers |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2327174C1 (en) |
-
2007
- 2007-01-23 RU RU2007102252/28A patent/RU2327174C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| RU 2007102254/28. ГУТНИКОВ B.C. «Интегральная электроника в измерительных устройствах». - Л.: Энергия, 1980, рис.5-14а, стр.128. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7492178B2 (en) | Method and apparatus for testing a hall magnetic field sensor on a wafer | |
| CA2898377C (en) | Sensor interface circuits | |
| CN101657729A (en) | Device including a contact detector | |
| KR102525812B1 (en) | force measuring device | |
| CN102012279A (en) | Dual-constant current source temperature measurement system for thermal resistor | |
| RU2327174C1 (en) | Resistance strain gauge signal transducers | |
| RU2315325C1 (en) | Device for imitating unbalance of strain-gage bridge | |
| RU2417349C1 (en) | Procedure for measurement of relative deformations of structures with multi-pointed tensometric measuring system | |
| EP3144640B1 (en) | Sensor arrangement and method for operation of a sensor | |
| CN109781140B (en) | Cooperative measurement device and method of low-frequency inertial sensor calibration system | |
| RU2379695C2 (en) | Converter of signals from single resistance strain gauges (versions) | |
| RU2586084C1 (en) | Multi-channel converter of resistance of resistive sensors into voltage | |
| RU2324899C2 (en) | Method for nonelectrical quantities measurement by means of multiple-point instrumentation system with transfer function monitoring feature, and instrumentation system for implementation thereof | |
| CN210109138U (en) | Calibration system of ship accelerometer | |
| RU2344429C2 (en) | Resistance incremental converter (versions) | |
| CN109443503B (en) | Detection device | |
| JP2010145373A (en) | Resistance measuring apparatus | |
| CN102080994A (en) | Isolated measurement technology of strain bridge circuit | |
| JP2016130687A (en) | Analog signal processing circuit, physical quantity measurement device and material tester | |
| JP3562703B2 (en) | Measuring device | |
| RU2251115C1 (en) | Four-wired simulator of discrete increment in resistance of resistance strain gauge | |
| US10073122B2 (en) | Measuring transducer for converting an analogue electrical input signal into an analog electrical output signal | |
| RU2495522C2 (en) | Buffer amplifier | |
| CN217083645U (en) | Bridge strain testing device | |
| Sowmya et al. | Design and Development of Signal Conditioning Card for Load Cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160124 |