RU2335776C1 - Resistance strain gauge signal converter - Google Patents

Resistance strain gauge signal converter Download PDF

Info

Publication number
RU2335776C1
RU2335776C1 RU2007102254/28A RU2007102254A RU2335776C1 RU 2335776 C1 RU2335776 C1 RU 2335776C1 RU 2007102254/28 A RU2007102254/28 A RU 2007102254/28A RU 2007102254 A RU2007102254 A RU 2007102254A RU 2335776 C1 RU2335776 C1 RU 2335776C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
converter
strain gauge
terminal
operational amplifier
voltage source
Prior art date
Application number
RU2007102254/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В чеслав Васильевич Шевчук (RU)
Вячеслав Васильевич Шевчук
Original Assignee
Закрытое Акционерное Общество "Весоизмерительная Компания "Тензо-М"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое Акционерное Общество "Весоизмерительная Компания "Тензо-М" filed Critical Закрытое Акционерное Общество "Весоизмерительная Компания "Тензо-М"
Priority to RU2007102254/28A priority Critical patent/RU2335776C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2335776C1 publication Critical patent/RU2335776C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: resistance strain gauge signal converter contains operational amplifier, and power supply connected to one terminal and global bus of the converter, output of the operational amplifier is connected to the second terminal, complemented input is connected to the third terminal. Additionally the converter includes voltage source and commutator switch contact of which is connected to uncomplemented input of the operational amplifier, other two contacts of the commutator are connected respectively to one terminal of voltage source and global bus of the converter connected to other terminal of voltage source.
EFFECT: improved performance of the converter.
2 dwg

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.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 analysis of the stress-strain state of structures.

Ответственным этапом современного промышленного производства машин, аппаратов и сооружений является определение деформаций, напряжений, перемещений и усилий, вызываемых силовыми нагрузками. Решение этой задачи обеспечивается измерительными устройствами, способными измерять сигналы с тензорезисторных датчиков, представляющих собой как тензорезисторный мост, так и одиночные тензорезисторы (см., напр., Л.Дайчик, Н.И.Пригоровский, Г.Х.Хуршудов. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник. Основы проектирования машин. - М.: Машиностроение, 1989. Рис.6 - стр.51; рис.7 - стр.53; стр.89; рис.3 - стр.120; рис.7 - стр.121). Важным элементом таких измерительных устройств является преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков в электрическое напряжение.The crucial stage in the modern industrial production of machinery, apparatus and structures is the determination of deformations, stresses, displacements and forces caused by power loads. The solution to this problem is provided by measuring devices capable of measuring signals from strain gauge sensors, which are both a strain gauge bridge and single strain gauges (see, for example, L. Daychik, N. I. Prigorovsky, G. Kh. Khurshudov. Methods and tools full-scale tensometry: Reference. Fundamentals of machine design. - M.: Mechanical engineering, 1989. Fig. 6 - p. 51; Fig. 7 - p. 53; p. 89; Fig. 3 - p. 120; Fig. 7 - p. .121). An important element of such measuring devices is a signal converter of strain gauge sensors to electrical voltage.

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 known 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 (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 (full-scale) 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 .: Energia, 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 предложенному является преобразователь сигналов мостовых резисторных датчиков, содержащий источник тока, подключенный к одной вершине питающей диагонали моста, 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 сигнал снимается со второй вершины выходной диагонали моста двумя (токовым и потенциальным) проводами (см., напр., 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.The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed one is a signal converter of bridge resistor sensors, containing a current source connected to one vertex of the supply diagonal of the bridge, and an operational amplifier whose output 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 signal is taken from the second top of the output diagonal of the bridge by two (current and potential) wires (see, for example, Gutnikov BC Integrated electronics in measuring devices. Leningrad: 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.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя, а именно обеспечение возможности преобразования сигналов как мостовых, так и одиночных тензорезисторных датчиков.The aim of the invention is to expand the functionality of the Converter, namely the possibility of converting signals from both bridge and single strain gauge sensors.

С этой целью в преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков, содержащий операционный усилитель, и источник тока, подключенный к одной присоединительной клемме и общей шине преобразователя, выход операционного усилителя подключен ко второй присоединительной клемме, инверсный вход подключен к третьей присоединительной клемме, введены источник напряжения и переключатель, переключающий контакт которого соединен с неинверсным входом операционного усилителя, два других контакта переключателя подключены соответственно к одной клемме источника напряжения и общей шине преобразователя, соединенной с другой клеммой источника напряженияTo this end, in the signal transducer of the strain gauge sensors containing the operational amplifier, and the current source connected to one connecting terminal and the common bus of the converter, the output of the operational amplifier is connected to the second connecting terminal, the inverse input is connected to the third connecting terminal, the voltage source and switch are introduced, the switching contact of which is connected to the non-inverse input of the operational amplifier, the other two contacts of the switch are connected respectively to one glue mm voltage source and a common converter bus connected to another voltage source terminal

Проведенные патентные исследования не выявили идентичных и сходных технических решений. Предлагаемый преобразователь может быть изготовлен в промышленных масштабах и пригоден для использования в промышленности и строительстве.Conducted patent research did not reveal identical and similar technical solutions. The proposed Converter can be manufactured on an industrial scale and is suitable for use in industry and construction.

Заявляемое устройство успешно прошло испытания. Совокупность существенных признаков заявляемого устройства не следует явным образом из изученного уровня техники, имеет существенные отличия от рассмотренных аналогов. Поэтому заявляемое устройство соответствует критерию «новизна» и имеет изобретательский уровень.The inventive device has been successfully tested. The set of essential features of the claimed device does not follow explicitly from the studied prior art, has significant differences from the considered analogues. Therefore, the claimed device meets the criterion of "novelty" and has an inventive step.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены схемы предлагаемого устройства и показаны примеры его использования. На фиг.1 показано подключение к тензорезисторному мосту, на фиг.2 - подключение предлагаемого преобразователя к одиночному тензорезистору. Так как тензорезисторный мост и одиночный тензорезистор не являются элементами предлагаемого устройства, они показаны на схемах пунктиром.The invention is illustrated by drawings, which show a diagram of the proposed device and shows examples of its use. Figure 1 shows the connection to the strain gauge bridge, figure 2 - connection of the proposed Converter to a single strain gauge. Since the strain gauge bridge and a single strain gauge are not elements of the proposed device, they are shown in dotted diagrams.

Преобразователь содержит источник 1 тока, источник 2 напряжения, операционный усилитель 3, переключатель 4, присоединительные клеммы 5, 6, 7. Позицией 8 обозначена общая шина устройства, позицией 9 - точка съема выходного сигнала преобразователя относительно общей шины 8, позицией 10 - переключающий контакт переключателя 4, позициями 11 и 12 - другие контакты переключателя 4. Индексами R и R1÷R4 обозначены соответственно одиночный тензорезистор и тензорезисторный мост.The converter contains a current source 1, a voltage source 2, an operational amplifier 3, a switch 4, connecting terminals 5, 6, 7. The position 8 indicates the common bus of the device, the position 9 is the pick-up point of the converter output signal relative to the common bus 8, and the position 10 is a switching contact switch 4, positions 11 and 12 are the other contacts of switch 4. The indices R and R1 ÷ R4 denote a single strain gauge and a strain gauge bridge, respectively.

Источник тока 1 подключен к одной присоединительной клемме 5 и общей шине 8 преобразователя, выход операционного усилителя 3 подключен к присоединительной клемме 6, а его инверсный вход подключен к присоединительной клемме 7, переключающий контакт 10 переключателя 4 соединен с неинверсным входом операционного усилителя 3, контакт 11 переключателя 4 подключен к одной клемме источника 2 напряжения, другая клемма которого и контакт 12 переключателя 4 подключены к общей шине 8 преобразователяThe current source 1 is connected to one connecting terminal 5 and the converter common bus 8, the output of the operational amplifier 3 is connected to the connecting terminal 6, and its inverse input is connected to the connecting terminal 7, switching contact 10 of switch 4 is connected to a non-inverse input of operational amplifier 3, contact 11 switch 4 is connected to one terminal of the voltage source 2, the other terminal of which and terminal 12 of switch 4 are connected to the common bus 8 of the Converter

Преобразователь подключают к тензорезисторному мосту (R1÷R4) (Фиг.1) или к одиночному тензорезистору R (Фиг.2) так, как это показано на фигурах.The Converter is connected to a strain gauge bridge (R1 ÷ R4) (Figure 1) or to a single strain gauge R (Figure 2), as shown in the figures.

Положение переключателя 4, при котором неинверсный вход операционного усилителя 3 соединен с общей шиной 8 (Фиг.1), соответствует режиму работы преобразователя с тензорезисторным мостом (R1-R4), а положение переключателя 4, при котором неинверсный вход операционного усилителя 3 соединен с источником 2 напряжения, соответствует режиму работы преобразователя с одиночным тензорезистором R (Фиг.2).The position of the switch 4, in which the non-inverse input of the operational amplifier 3 is connected to a common bus 8 (Figure 1), corresponds to the operating mode of the converter with a strain gauge bridge (R1-R4), and the position of the switch 4, in which the non-inverse input of the operational amplifier 3 is connected to the source 2 voltage corresponds to the mode of operation of the Converter with a single strain gauge R (Figure 2).

Операционный усилитель 3 охвачен глубокой отрицательной обратной связью, поэтому потенциал на его инвертирующем входе практически равен потенциалу на его неинвертирующем входе. Ток источника 1 тока протекает через клемму 5, тензорезистор R или тензорезисторный мост R1÷R4, клемму 6 на выход операционного усилителя 3. Инверсный вход операционного усилителя 3 подключен к датчику через клемму 7, через которую ток не протекает, поэтому потенциалы на обоих концах этого участка устройства равны, независимо от его длины и сопротивления соединительного провода.The operational amplifier 3 is covered by deep negative feedback, so the potential at its inverting input is almost equal to the potential at its non-inverting input. The current of the current source 1 flows through terminal 5, the strain gauge R or the strain gage bridge R1 ÷ R4, terminal 6 to the output of the operational amplifier 3. The inverse input of the operational amplifier 3 is connected to the sensor through terminal 7, through which current does not flow, so the potentials at both ends of this device sections are equal, regardless of its length and resistance of the connecting wire.

Если преобразователь подключен к тензорезисторному мосту (Фиг.1), ток от источника 1 тока протекает по одной диагонали моста (R1÷R4), полезный сигнал формируется на другой диагонали моста, одна вершина которой (так же, как и неинверсный и инверсный входы операционного усилителя 3) находится под потенциалом общей шины (0 В), а с другой вершины снимается выходной сигнал U преобразователя, величина которого (с точностью до знака) равна:If the Converter is connected to the strain gage bridge (Figure 1), the current from the current source 1 flows along one diagonal of the bridge (R1 ÷ R4), a useful signal is generated on the other diagonal of the bridge, one vertex of which (as well as the non-inverse and inverse inputs of the operating amplifier 3) is under the potential of the common bus (0 V), and the output signal U of the converter is removed from the other vertex, the value of which (up to the sign) is:

Figure 00000002
или U=IΔR,
Figure 00000002
or U = IΔR,

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 (R1-R4);where ΔR is the increment of the resistance of the strain gages of the bridge (R1-R4);

(см., напр., Карандеев К.Б. Специальные методы электрических измерений. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963, с.100).(see, e.g., Karandeev KB Special methods of electrical measurements. M. - L .: Gosenergoizdat, 1963, p.100).

При работе преобразователя с одиночным тензорезистором (Фиг.2) потенциал одного из выводов тензорезистора R всегда будет практически равен напряжению Е источника 2 напряжения. Выходной сигнал U преобразователя здесь равен разности напряжения Е и падения напряжения на тензорезисторе R:When the Converter is operating with a single strain gauge (Figure 2), 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 2. 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=E-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.

Характеристика преобразователя как функция от приращения сопротивления ΔR здесь может быть и несимметричной (если требуется) соответствующим выбором соотношения величины напряжения Е источника 2 напряжения и величины тока I источника 1 тока.The characteristic of the converter as a function of the increment of the resistance ΔR here can be asymmetric (if required) by the appropriate choice of the ratio of the voltage value E of the voltage source 2 and the current value I of the current source 1.

К полезным характеристикам заявляемого технического решения следует отнести простоту автоматизации переключения режимов работы преобразователя выполнением переключателя 4 на базе электронных КМОП-схем с управляющим входом.The useful characteristics of the proposed technical solution include the simplicity of automation of the switching of converter operation modes by making switch 4 based on electronic CMOS circuits with a control input.

Данный преобразователь обладает целым рядом положительным свойств: возможность работы с удаленными датчиками с четырехпроводным подключением, возможность электронной коммутации датчиков четырехканальными микросхемами, малое количество используемых элементов, их однотипность в обоих режимах (что обеспечивает большую стабильность, надежность), прост в обслуживании.This converter has a number of positive properties: the ability to work with remote sensors with four-wire connection, the ability to electronically switch sensors with four-channel microcircuits, the small number of elements used, their uniformity in both modes (which provides greater stability, reliability), is easy to maintain.

Реализация предложения в многоточечных измерительных системах для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций в машиностроении 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.The implementation of the proposal in multi-point measuring systems for the analysis of the stress-strain state of structures in mechanical engineering 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 designs.

Claims (1)

Преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков, содержащий операционный усилитель и источник тока, подключенный к одной присоединительной клемме и общей шине преобразователя, выход операционного усилителя подключен ко второй присоединительной клемме, инверсный вход подключен к третьей присоединительной клемме, отличающийся тем, что в него введены источник напряжения и переключатель, переключающий контакт которого соединен с неинверсным входом операционного усилителя, два других контакта переключателя подключены соответственно к одной клемме источника напряжения и общей шине преобразователя, соединенной с другой клеммой источника напряжения.A strain gauge signal converter comprising an operational amplifier and a current source connected to one connection terminal and a common converter bus, an output of the operational amplifier is connected to a second connection terminal, an inverse input is connected to a third connection terminal, characterized in that a voltage source and a switch are inserted therein whose switching contact is connected to the non-inverse input of the operational amplifier, the other two contacts of the switch are connected respectively but to one terminal of the voltage source and the common bus of the converter connected to the other terminal of the voltage source.
RU2007102254/28A 2007-01-23 2007-01-23 Resistance strain gauge signal converter RU2335776C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007102254/28A RU2335776C1 (en) 2007-01-23 2007-01-23 Resistance strain gauge signal converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007102254/28A RU2335776C1 (en) 2007-01-23 2007-01-23 Resistance strain gauge signal converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2335776C1 true RU2335776C1 (en) 2008-10-10

Family

ID=39927932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007102254/28A RU2335776C1 (en) 2007-01-23 2007-01-23 Resistance strain gauge signal converter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2335776C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2622513C1 (en) * 2016-06-29 2017-06-16 ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук Transducer of voltage resistance increment

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RU 2007102252/28. ГУТНИКОВ B.C. «Интегральная электроника в измерительных устройствах», Л. «Энергия», 1980, рис.5-14а, стр.128. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2622513C1 (en) * 2016-06-29 2017-06-16 ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук Transducer of voltage resistance increment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20160115830A (en) Semiconductor strain gauge
CN101657729A (en) Device including a contact detector
JP2007057377A (en) Chain tension measuring method
RU2498249C1 (en) Manufacturing method of resistive strain-gauge pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system
CN101828100B (en) Temperature measurement circuit in flowmeter
DE602004024123D1 (en) MAGNETIC FIELD-SENSOR ASSEMBLY
JP2018532124A (en) Force measuring device
US9689757B2 (en) Strain transmitter
RU2335776C1 (en) Resistance strain gauge signal converter
CN102012279A (en) Dual-constant current source temperature measurement system for thermal resistor
RU2379695C2 (en) Converter of signals from single resistance strain gauges (versions)
Schäfer et al. DMP41-a new chapter of ultra-precision instrument for strain gauge transducers
CN201811808U (en) Multi-channel temperature measuring circuit
RU2505791C1 (en) Method of making pressure strain gage on basis of thin-film nano-and micro electromechanical system
JP2009174899A (en) Cable type load sensor
JP4255926B2 (en) Strain and temperature measuring device
JP4289226B2 (en) Load cell and physical property evaluation test equipment
JP2010127633A (en) Measuring apparatus
JP4735250B2 (en) Measuring device
RU2327174C1 (en) Resistance strain gauge signal transducers
JPH06347284A (en) Strain gauge type converter and initial value variation detecting method thereof
JP2010145373A (en) Resistance measuring apparatus
CN112284613A (en) Calibration method of force sensor
CN113155159A (en) Bridge type detector
CN116147823B (en) Flat membrane type thin film core body and flat membrane type nano thin film pressure transmitter

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090124