RU2654905C1 - Device for converting the resistance changes into voltage - Google Patents

Device for converting the resistance changes into voltage Download PDF

Info

Publication number
RU2654905C1
RU2654905C1 RU2017128650A RU2017128650A RU2654905C1 RU 2654905 C1 RU2654905 C1 RU 2654905C1 RU 2017128650 A RU2017128650 A RU 2017128650A RU 2017128650 A RU2017128650 A RU 2017128650A RU 2654905 C1 RU2654905 C1 RU 2654905C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
amplifier
parallel
signal
resistor
Prior art date
Application number
RU2017128650A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Генрик Иванович Буранов
Владимир Александрович Котляров
Виктор Антонович Лисовский
Дмитрий Юрьевич Просяной
Original Assignee
Акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова"
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 Акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" filed Critical Акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова"
Priority to RU2017128650A priority Critical patent/RU2654905C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2654905C1 publication Critical patent/RU2654905C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R17/00—Measuring arrangements involving comparison with a reference value, e.g. bridge
    • G01R17/02—Arrangements in which the value to be measured is automatically compared with a reference value
    • G01R17/06—Automatic balancing arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to electrical measurement techniques, in particular to electrotensometry, and can be used in the aircraft industry, engineering, construction for the study of the structures strength with the help of a single strain gage in the frequency range from 0 to 5,000 Hz and more at an increased level of interfering factors – electromagnetic interference and thermoEMF. Device for converting changes of resistance to voltage comprises a strain gage, a resistor, a switch, a differential amplifier, a bipolar rectangular current source and a subtraction circuit, the current source outputs through the normally closed switch contacts are connected in parallel to the strain gage and through normally open contacts – parallel to the resistor, the inputs of the differential amplifier are connected through normally closed contacts in parallel to the strain gage and through normally open contacts – parallel to the resistor. Output of the differential amplifier is connected to the input of the subtraction circuit. In addition, sequentially coupled synchronous inverting amplifier, a low-pass filter and an output amplifier, the output of the subtracting circuit being connected to the input of a synchronous inverting amplifier, and the output of the output amplifier generates the output of the device. Input of the low-pass filter receives an additive mixture of a unipolar sequence of pulses modulated by a useful signal according to AIM-1, and a bipolar sequence of pulses modulated by an interference signal. Low-pass filter rates allocate a spectrum of the useful signal and effectively compensates for the noise pulses in a wide frequency range, while the amplitude of the useful signal at the output of the filter does not depend on the frequency of the signal. Output amplifier enhances the signal from the low pass rates filter to the desired level, the output of the output amplifier is the output of the device. Result of the conversion is the amplified signal of the strain gage, while the frequency range of the conversion is extended and the non-informative signal components that determine the basic measurement errors are compensated.
EFFECT: technical result consists in increasing the measurement accuracy in the extended frequency range of the measured processes up to 5,000 Hz and more against the background of disturbing factors – electromagnetic interference and termoemf at a clock rate not more than 16 kHz.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к электротензометрии, и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, строительстве для исследования прочности конструкций с помощью одиночного тензорезистора в частотном диапазоне от 0 до 5000 Гц и более при повышенном уровне мешающих факторов - электромагнитных помех и термоэ.д.с.The invention relates to electrical engineering, in particular to electrotensometry, and can be used in the aviation industry, engineering, construction to study the strength of structures using a single strain gauge in the frequency range from 0 to 5000 Hz or more with an increased level of interfering factors - electromagnetic interference and thermoelectric power .ds

Известны преобразователи изменения сопротивления в напряжение с подключением одиночного тензорезистора по трехпроводной схеме в одно из плеч моста, к питающей диагонали моста подключен источник питания, выходной сигнал снимают с выходной диагонали моста (М.Л. Дайчик, Н.И. Пригоровский, Г.Х. Хуршудов. Методы и средства натурной тензометрии: справочник «Основы проектирования машин». - М.: Машиностроение, 1989, стр. 51, рис. 6). Применение трехпроводного включения тензорезистора с равными сопротивлениями проводов линии связи в мост устраняет влияние начальных сопротивлений проводов, но остаются погрешности от разницы их сопротивлений, что в наибольшей степени сказывается при работе в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. Кроме того, такие преобразователи незащищены от влияния внешних помех ввиду несимметричности схемы включения тензорезистора.Known are converters of resistance to voltage conversion by connecting a single strain gauge in a three-wire circuit to one of the bridge arms, a power source is connected to the supply diagonal of the bridge, the output signal is taken from the output diagonal of the bridge (M.L.Daichik, N.I. Prigorovsky, G.Kh. Khurshudov Methods and means of full-scale tensometry: a reference book “Fundamentals of designing machines.” - M.: Mashinostroenie, 1989, p. 51, Fig. 6). The use of a three-wire inclusion of a strain gauge with equal resistance of the wires of the communication line in the bridge eliminates the influence of the initial resistances of the wires, but there remain errors from the difference in their resistances, which is most affected when working in a wide range of changes in ambient temperature. In addition, such converters are unprotected from external interference due to the asymmetry of the strain gauge switching circuit.

Известно тензометрическое устройство с одиночным тензорезистором, включенным по трехпроводной схеме, содержащее три пассивных плеча моста, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, аналоговый фильтр, аналого-цифровой преобразователь, цифровой фильтр и блок управления. Пассивные плечи моста выполнены на стабильных резисторах и расположены на плате измерительного канала. Питание тензомоста осуществляется от источника постоянного напряжения (Руководство по эксплуатации системы сбора данных КАМ-500 ACRA control ltd, 2012).A strain gauge device with a single strain gauge connected in a three-wire circuit is known, comprising three passive bridge arms, a programmable gain amplifier, an analog filter, an analog-to-digital converter, a digital filter, and a control unit. The passive shoulders of the bridge are made on stable resistors and are located on the board of the measuring channel. The tensor bridge is powered from a constant voltage source (Operation manual for the KAM-500 ACRA control ltd data collection system, 2012).

Недостатком устройства является влияние изменения сопротивления проводов линии связи и трех сопротивлений моста на погрешность измерения при изменении температурных условий эксплуатации и низкий уровень помехозащищенности устройства ввиду асимметрии измерительной линии.The disadvantage of this device is the effect of changes in the resistance of the wires of the communication line and the three resistances of the bridge on the measurement error when changing the temperature conditions of operation and the low noise immunity of the device due to the asymmetry of the measuring line.

Существуют различные схемы преобразователей с тензорезистором, подсоединенным по трехпроводной схеме, в которых решаются задачи по снижению погрешности от влияния сопротивления проводов линии связи, коррекции погрешности от нелинейности, вычитанию постоянного значения напряжения, соответствующего начальному значению напряжения на тензорезисторе, и др., но не устраняется погрешность от влияния внешних помех на результат измерения (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988. - Стр. 76, рис. 2.11).There are various schemes of converters with a strain gauge connected in a three-wire circuit, which solves the problem of reducing the error from the influence of the resistance of the wires of the communication line, correcting the error from nonlinearity, subtracting a constant voltage value corresponding to the initial voltage value on the strain gauge, etc., but is not eliminated error from the influence of external noise on the measurement result (Gutnikov BC Integrated electronics in measuring devices. - 2nd ed., revised and additional - L.: Energoat mizdat, Leningrad Dep-tion, 1988. - p. 76, Figure 2.11)...

Известны преобразователи изменения сопротивления в напряжение с подключением одиночного тензорезистора по четырехпроводной схеме, в которых достигается более полная коррекция погрешностей, вызванных активным сопротивлением проводов соединительной линии. Наилучшие характеристики обеспечиваются при питании тензорезистора от источника тока (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988. - Стр. 78÷80, рис. 2.12, 2.13). При использование двух одинаковых источников тока (или одного взвешенного) и опорного резистора компенсируется начальное значение напряжения на тензорезисторе, но не компенсируются неинформативные составляющие сигнала, в том числе и погрешность от внешних помех.Known converters of resistance to voltage with a single strain gauge connected in a four-wire circuit, in which a more complete correction of errors caused by the active resistance of the wires of the connecting line is achieved. The best performance is ensured when the strain gauge is powered by a current source (Gutnikov BC Integrated electronics in measuring devices. - 2nd ed., Revised and additional - L .: Energoatomizdat, Leningrad Department, 1988. - Pages 78 ÷ 80 , Fig. 2.12, 2.13). When using two identical current sources (or one weighted one) and a reference resistor, the initial voltage value on the strain gauge is compensated, but the non-informative components of the signal, including the error from external interference, are not compensated.

Известно устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, описанное в Российском патенте на изобретение №2366966 G01R 27/02, 2006 г. Устройство содержит тензорезистор, резистор и источник тока, соединенные последовательно, два дифференциальных усилителя и переключатель, при этом входы одного дифференциального усилителя через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а входы второго дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно резистору и через нормально разомкнутые - параллельно тензорезистору, при этом выходы дифференциальных усилителей являются выходом устройства.A device for converting a change in resistance to voltage is described in Russian patent for invention No. 2366966 G01R 27/02, 2006. The device comprises a strain gauge, a resistor and a current source connected in series, two differential amplifiers and a switch, while the inputs of one differential amplifier through normally closed switch contacts are connected parallel to the strain gauge and through normally open contacts are connected parallel to the resistor, and the inputs of the second differential amplifier are connected via rmalno closed contacts parallel resistor and through normally open - parallel to the strain gauges, the outputs of differential amplifiers are output devices.

При отсутствии внешних помех устройство не содержит неинформативных составляющих и обеспечивает высокую точность измерения низкочастотного полезного сигнала.In the absence of external interference, the device does not contain uninformative components and provides high accuracy of measuring the low-frequency useful signal.

Недостатком устройства является низкая защищенность от внешних электромагнитных помех. Напряжение помехи на выходе устройства отсутствует лишь при равенстве уровня напряжений помех на входах дифференциальных усилителей. При отсутствии помехи по входу одного из дифференциальных усилителей на выходе устройства присутствует усиленная помеха по входу второго дифференциального усилителя. Поэтому необходимо располагать тензорезистор и резистор в непосредственной близости и обеспечивать идентичность параметров соединительных линий.The disadvantage of this device is low immunity from external electromagnetic interference. The interference voltage at the device output is absent only if the level of interference voltages at the inputs of differential amplifiers is equal. In the absence of interference at the input of one of the differential amplifiers, an amplified interference at the input of the second differential amplifier is present at the output of the device. Therefore, it is necessary to place the strain gauge and resistor in close proximity and to ensure the identity of the parameters of the connecting lines.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, патент RU №2473919 С1, 27.09.2011 г., содержащее тензорезистор, резистор, двухполярный источник тока прямоугольной формы, переключатель, дифференциальный усилитель и схему вычитания, при этом выходы источника тока через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, входы дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а выход дифференциального усилителя соединен с входом схемы вычитания, при этом выход схемы вычитания образует выход устройства.Closest to the proposed invention is a device for converting a change in resistance to voltage, patent RU No. 2473919 C1, 09/27/2011, containing a strain gauge, a resistor, a bipolar rectangular current source, a switch, a differential amplifier and a subtraction circuit, while the outputs of the current source through normally closed contacts of the switch are connected in parallel with the strain gauge and through normally open contacts - in parallel with the resistor, the inputs of the differential amplifier are connected through normally closed Tide gages parallel contacts and through normally open - parallel to the resistor and the differential amplifier output is connected to the input of the subtractor, the subtractor circuit forms the output of the output device.

Устройство обеспечивает высокую точность измерения низкочастотных процессов на фоне низкочастотных помех.The device provides high accuracy in measuring low-frequency processes against low-frequency interference.

Недостатком является невысокая точность измерения высокочастотных процессов - от десятков Гц до 5000 Гц и более.The disadvantage is the low accuracy of measuring high-frequency processes - from tens of Hz to 5000 Hz or more.

Действительно, в процессе работы устройства с выхода схемы вычитания следуют положительная и отрицательная последовательности импульсов, полученных во 2-м и 4-м тактах работы (фиг. 3, в). Результирующей формулой преобразования является разность значений напряжений 2-го и 4-го тактов измерения. При этом полезные сигналы двух тактов суммируются, а сигналы помех вычитаются. Таким образом, на дальнейшую обработку поступает свободная от помех последовательность однополярных импульсов, амплитуда которых пропорциональна амплитуде измеряемого процесса лишь в случае статических процессов (фиг. 3, д). При измерении динамических процессов амплитуда результирующих импульсов резко падает с ростом частоты процесса.Indeed, in the process of operation of the device, the positive and negative sequences of pulses obtained in the 2nd and 4th clock cycles follow from the output of the subtraction circuit (Fig. 3, c). The resulting transformation formula is the difference between the voltage values of the 2nd and 4th measurement cycles. In this case, the useful signals of two clocks are added up, and the interference signals are subtracted. Thus, for further processing, a sequence of unipolar pulses free of interference arrives, the amplitude of which is proportional to the amplitude of the measured process only in the case of static processes (Fig. 3, e). When measuring dynamic processes, the amplitude of the resulting pulses drops sharply with increasing frequency of the process.

Падение амплитуды связано с процессом вычисления разности разнесенных по времени 2-го и 4-го тактов измерения. Для вычисления, например, в аналоговом виде необходимо мгновенное значение напряжения 2-го такта расширить на 3-й-4-й такты. В результате амплитуда расширенных импульсов оказывается пропорциональной мгновенному значению измеряемого процесса и сохраняется постоянной во время действия импульса, что соответствует модуляции АИМ-2 (фиг. 2, г).The drop in amplitude is associated with the process of calculating the difference of the second and fourth measurement clocks spaced in time. To calculate, for example, in analog form, it is necessary to expand the instantaneous voltage value of the 2nd cycle to the 3rd-4th cycle. As a result, the amplitude of the extended pulses is proportional to the instantaneous value of the measured process and remains constant during the pulse, which corresponds to the modulation of AIM-2 (Fig. 2, d).

Амплитуда каждого импульса 4-го такта работы следует за изменениями измеряемого процесса в течение всего времени существования импульса согласно амплитудной импульсной модуляции АИМ-1 (фиг. 2, г).The amplitude of each pulse of the 4th work cycle follows the changes in the measured process during the entire time the pulse exists according to the amplitude pulse modulation of AIM-1 (Fig. 2, d).

Таким образом, вычислению разности подвергаются импульсы двух разнополярных последовательностей, одна из которых модулирована АИМ-1, а вторая - АИМ-2.Thus, the pulses of two different-polarity sequences are subjected to the calculation of the difference, one of which is modulated by AIM-1, and the second by AIM-2.

Если измеряемый процесс (модулирующее напряжение) является синусоидальной функцией r(е)=rмакс sin(Ωt+ϕ), то в составе спектра АИМ-1 он содержится в виде (Ю.П. Борисов, П.И. Пенин. Основы многоканальной передачи информации. М., Связь, 1967, стр. 223, рис. 5.12):If the measured process (modulating voltage) is a sinusoidal function r (e) = r max sin (Ωt + ϕ), then in the AIM-1 spectrum it is contained in the form (Yu.P. Borisov, PI Penin. Basics of multichannel information transfer. M., Communication, 1967, p. 223, Fig. 5.12):

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где В(Ω, t) - измеряемый процесс;where B (Ω, t) is the measured process;

Figure 00000002
- коэффициент амплитудной импульсной модуляции;
Figure 00000002
- coefficient of amplitude pulse modulation;

ААИМ _ постоянный коэффициент, определяющий крутизну модуляционной характеристики;A PAM _ constant coefficient that determines the slope of the modulation characteristic;

U0 - амплитуда смодулированных импульсов последовательности;U 0 - the amplitude of the modulated pulses of the sequence;

rмакс _ максимальная амплитуда измеряемого процессаr max _ maximum amplitude of the measured process

ТП и τ - период и длительность импульсов последовательности;T P and τ - period and pulse duration of the sequence;

Ω - угловая частота измеряемого процесса.Ω is the angular frequency of the measured process.

Тот же процесс в составе спектра АИМ-2 содержится в виде (Ю.П. Борисов, П.И. Пенин. «Основы многоканальной передачи информации». М., Связь, 1967, стр. 253,31,The same process in the AIM-2 spectrum is contained in the form (Yu.P. Borisov, P.I. Penin. "Fundamentals of multichannel information transfer." M., Communication, 1967, p. 253.31,

рис. 2.4):fig. 2.4):

Figure 00000003
Figure 00000003

где q - коэффициент, характеризующий удлинение импульсов.where q is the coefficient characterizing the elongation of the pulses.

Нетрудно установить, что расширение импульсов приводит к появлению зависимости амплитуды полезной компоненты спектра от частоты модуляции Ω, причем с ростом частоты величина коэффициента

Figure 00000004
резко падает, и, как следствие, падает амплитуда полезной компоненты.It is easy to establish that pulse expansion leads to the appearance of a dependence of the amplitude of the useful component of the spectrum on the modulation frequency Ω, and with increasing frequency, the coefficient
Figure 00000004
drops sharply, and, as a result, the amplitude of the useful component decreases.

Очевидно, что амплитуда полезной компоненты спектра результирующей последовательности также будет падать с ростом частоты измеряемого процесса. Уменьшить падение амплитуды полезной компоненты возможно за счет увеличения тактовой частоты устройства, но в реальных условиях бортовых измерений тактовая частота ограничена длительностью переходных процессов в линии связи «тензорезистор - устройство». При длине линии связи 40-50 метров тактовая частота не выходит за пределы 16÷20 кГц, иначе погрешность измерения от переходных процессов достигнет недопустимой величины.Obviously, the amplitude of the useful component of the spectrum of the resulting sequence will also decrease with increasing frequency of the measured process. It is possible to reduce the drop in the amplitude of the useful component by increasing the clock frequency of the device, but in real conditions of on-board measurements, the clock frequency is limited by the duration of the transient processes in the “strain gauge-device” communication line. With a communication line length of 40-50 meters, the clock frequency does not go beyond 16 ÷ 20 kHz, otherwise the measurement error from transients will reach an unacceptable value.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности измерения в расширенном диапазоне частот измеряемых процессов до 5000 Гц и более на фоне мешающих факторов - электромагнитных помех и термоэ.д.с. при тактовой частоте, не превышающей 16 кГц.The technical result to which the invention is directed is to increase the measurement accuracy in an extended frequency range of the measured processes to 5000 Hz or more against the background of interfering factors - electromagnetic interference and thermoelectric power. at a clock frequency not exceeding 16 kHz.

Для достижения технического результата в устройстве для преобразования изменения сопротивления в напряжение, включающем тензорезистор, резистор, переключатель, дифференциальный усилитель, двухполярный источник тока прямоугольной формы и схему вычитания, выходы источника тока через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, входы дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, выход дифференциального усилителя соединен с входом схемы вычитания, источник тока выполнен двухполярным с тактовой частотой, не превышающей 16кГц, дополнительно введены последовательно связанные синхронный инвертирующий усилитель, фильтр нижних частот и выходной усилитель, причем выход схемы вычитания соединен с входом синхронного инвертирующего усилителя, а выход выходного усилителя образует выход устройства.To achieve a technical result in a device for converting a change in resistance to voltage, including a strain gauge, a resistor, a switch, a differential amplifier, a rectangular bipolar current source and a subtraction circuit, the current source outputs are connected parallel to the strain gauge through normally closed contacts of the switch and parallel to the resistor through normally open contacts , the inputs of the differential amplifier are connected through normally closed contacts parallel to the strain gauge and through normally open - parallel to the resistor, the differential amplifier output is connected to the input of the subtraction circuit, the current source is made bipolar with a clock frequency not exceeding 16 kHz, a synchronous inverting amplifier, a low-pass filter and an output amplifier are additionally introduced, and the output of the subtraction circuit is connected to the synchronous input inverting amplifier, and the output of the output amplifier forms the output of the device.

Предлагаемое устройство иллюстрируется и поясняется чертежами:The proposed device is illustrated and illustrated by the drawings:

на фиг. 1 – блок-схема предлагаемого устройства;in FIG. 1 is a block diagram of the proposed device;

на фиг. 2 - (а, б, в, г, д) - диаграмма работы прототипа;in FIG. 2 - (a, b, c, d, e) - diagram of the work of the prototype;

на фиг. 3 - (а, б, в, г, д, е, ж) - диаграмма работы предлагаемого устройства.in FIG. 3 - (a, b, c, d, d, e, g) is a diagram of the operation of the proposed device.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства для преобразования изменения сопротивления в напряжение.In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device for converting changes in resistance to voltage.

Устройство содержит тензорезистор Rтр, резистор Ro, переключатель 1, двухполярный источник тока прямоугольной формы 7, дифференциальный усилитель 2, соединенные последовательно схему вычитания 3, синхронный инвертирующий усилитель 4, фильтр нижних частот 5 и выходной усилитель 6, выходы источника тока 7 и входы дифференциального усилителя 2 подключают параллельно Rтp и Ro через переключатель, выход дифференциального усилителя 2 соединен со входом схемы вычитания 3, выход выходного усилителя 6 является выходом устройства для преобразования изменения сопротивления в напряжение.The device contains a strain gauge Rtr, resistor Ro, switch 1, a bipolar current source of rectangular shape 7, a differential amplifier 2 connected in series by a subtraction circuit 3, a synchronous inverting amplifier 4, a low-pass filter 5 and an output amplifier 6, the outputs of the current source 7 and the inputs of the differential amplifier 2 are connected in parallel by Rtp and Ro through a switch, the output of the differential amplifier 2 is connected to the input of the subtraction circuit 3, the output of the output amplifier 6 is the output of the device for converting resistance to voltage.

Устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение работает следующим образом.A device for converting a change in resistance to voltage works as follows.

При первом состоянии переключателя (замкнуты К5÷К8, К1÷К4 разомкнуты) входы дифференциального усилителя 2 и выходы источника тока7 подключены параллельно Ro. При втором состоянии (замкнуты К1÷К4, К5÷К8 разомкнуты) входы дифференциального усилителя 2 и выходы источника тока 7 подключены параллельно Rтp.In the first state of the switch (closed K5 ÷ K8, K1 ÷ K4 open), the inputs of the differential amplifier 2 and the outputs of the current source 7 are connected in parallel Ro. In the second state (closed K1 ÷ K4, K5 ÷ K8 open), the inputs of the differential amplifier 2 and the outputs of the current source 7 are connected in parallel Rtp.

Процесс измерения состоит из четырех тактов. Первые два такта проводятся при положительном значении тока источника 7, третий и четвертый такты - при отрицательном (фиг. 3, а, б). При этом напряжения на Ro и Rтp меняют свой знак на обратный, а напряжение низкочастотной помехи не зависит от величины тока и его полярности и не меняет своего знака.The measurement process consists of four measures. The first two cycles are carried out with a positive current value of the source 7, the third and fourth cycles - with a negative (Fig. 3, a, b). In this case, the voltages at Ro and Rtp change their sign to the opposite, and the voltage of the low-frequency noise does not depend on the magnitude of the current and its polarity and does not change its sign.

В течение первого такта замыкаются контакты К5÷К8, контакты К1÷К4 разомкнуты. При этом резистор Ro подключен к источнику тока и входам дифференциального усилителя 2, напряжение на выходе дифференциального усилителя 2 равно:During the first cycle, contacts K5 ÷ K8 are closed, contacts K1 ÷ K4 are open. In this case, the resistor Ro is connected to the current source and the inputs of the differential amplifier 2, the voltage at the output of the differential amplifier 2 is equal to:

Uвых1=Кy⋅I⋅Ro,Uout1 = Ky⋅I⋅Ro,

где Ку - коэффициент усиления дифференциального усилителя 2; I - величина тока источника тока. Ro величина постоянная, выходное напряжение Uвых1 также постоянно и положительно в течение первого такта измерения. Uвых1 запоминается схемой вычитания 3 до конца второго такта измерения.where Ku is the gain of the differential amplifier 2; I is the magnitude of the current of the current source. Ro is a constant value, the output voltage Uout1 is also constant and positive during the first measurement step. Uout1 is stored by subtracting 3 until the end of the second measurement step.

Во втором такте замыкаются контакты К1÷К4, контакты К5÷К8 разомкнуты. При этом резистор Rтp подключен к источнику тока 7 и входам дифференциального усилителя 2. Напряжение на выходе дифференциального усилителя 2 равно:In the second cycle, contacts K1 ÷ K4 are closed, contacts K5 ÷ K8 are open. In this case, the resistor Rtp is connected to the current source 7 and the inputs of the differential amplifier 2. The voltage at the output of the differential amplifier 2 is equal to:

Uвых2=Кy⋅I⋅ (Rтp+Δ Rтp2),Uout 2 = Кy⋅I⋅ (Rtp + Δ Rtp 2 ),

где Rтp=Ro - начальное сопротивление тензорезистора; Δ Rтp2 - величина, характеризующая непрерывное приращение сопротивления тензорезистора под действием измеряемой нагрузки в течение второго такта измерения. Напряжение Uвых2 положительно, и меняет свою величину согласно изменениям измеряемой нагрузки.where Rtp = Ro is the initial resistance of the strain gauge; Δ Rtp 2 - a value characterizing the continuous increment of the resistance of the strain gauge under the influence of the measured load during the second measurement step. The voltage Uout 2 is positive, and changes its value according to changes in the measured load.

Выходное напряжение схемы вычитания 3 во втором такте:The output voltage of the subtraction circuit 3 in the second cycle:

Ucx2=Uвых2-Uвых1=Кy⋅I⋅Δ Rтp2. Ucx 2 = Uout 2 -Uout 1 = Кy⋅I⋅Δ Rtp 2.

Выходное напряжение схемы вычитания во втором такте работы Ucx2 представляет собой положительный импульс, модулированный по амплитуде по закону измеряемого процесса, и с длительностью, равной длительности второго такта измерения (фиг. 3, в). Импульс далее поступает на вход синхронного инвертирующего усилителя.The output voltage of the subtraction circuit in the second cycle of operation Ucx 2 is a positive pulse, modulated in amplitude according to the law of the measured process, and with a duration equal to the duration of the second measurement cycle (Fig. 3, c). The pulse is then fed to the input of the synchronous inverting amplifier.

Процесс измерения в тактах 3 и 4 проводится при отрицательном значении тока и аналогичен работе в тактах первом и втором.The measurement process in steps 3 and 4 is carried out at a negative current value and is similar to the work in steps one and two.

Выходное напряжение схемы вычитания в четвертом такте:The output voltage of the subtraction circuit in the fourth cycle:

Ucx4=-Ky⋅I⋅ΔRтp4,Ucx 4 = -Ky⋅I⋅ΔRtp 4 ,

где ΔRтp4 - величина, характеризующая непрерывное приращение сопротивления тензорезистора под действием измеряемой нагрузки в течение четвертого такта измерения.where ΔRtp 4 is a value characterizing the continuous increment of the resistance of the strain gauge under the influence of the measured load during the fourth measurement step.

Выходное напряжение схемы вычитания 3 в четвертом такте работы Ucx4 представляет собой отрицательный импульс, модулированный по амплитуде по закону измеряемого процесса, и с длительностью, равной длительности четвертого такта измерения (фиг. 3, в). Импульс далее поступает на вход синхронного инвертирующего усилителя 4.The output voltage of the subtraction circuit 3 in the fourth cycle of operation Ucx 4 is a negative pulse, modulated in amplitude according to the law of the measured process, and with a duration equal to the duration of the fourth measurement cycle (Fig. 3, c). The pulse is then fed to the input of the synchronous inverting amplifier 4.

В процессе измерения на вход синхронного инвертирующего усилителя 4 непрерывно поступают положительная и отрицательная последовательности импульсов, полученных во втором Ucx2 и четвертом Ucx4 тактах работы и модулированных по амплитуде модулирующей функцией - измеряемым процессом. Амплитуда каждого импульса последовательностей следует за изменениями измеряемого процесса в течение всего времени существования импульса. Синхронный инвертирующий усилитель 4 пропускает на вход фильтра нижних частот импульсы, полученные во втором такте работы Ucx2 преобразователя без изменений, а импульсы четвертого такта Ucx4 - инвертирует. В результате на вход фильтра нижних частот 5 поступает однополярная последовательность импульсов, модулированная по амплитуде согласно амплитудной импульсной модуляции первого рода АИМ-1 (фиг. 3, г). Фильтр нижних частот 5 выделяет из спектра последовательности сигнал измеряемого процесса, амплитуда которого не зависит от его частоты. Выходной усилитель 6 усиливает сигнал до требуемого уровня (фиг. 3, д). При выполнении условий теоремы Котельникова частота измеряемого процесса в предлагаемом устройстве может быть близка к частоте возбуждения источника тока 8 кГц (тактовая частота 16 кГц) и в реальных условиях бортовых измерений достигать величин 5 кГц и более. Дальнейшая обработка сигнала не лимитируется частотой возбуждения источника тока, частота выборок сигнала определяется требуемой точностью.During the measurement, the input of the synchronous inverting amplifier 4 continuously receives the positive and negative sequences of pulses received in the second Ucx2 and fourth Ucx4 clock cycles and modulated in amplitude by the modulating function - the measured process. The amplitude of each pulse in the sequences follows the changes in the measured process over the entire duration of the pulse. The synchronous inverting amplifier 4 passes the pulses received in the second clock cycle of the Ucx2 converter without changes to the input of the low-pass filter, and inverts the pulses of the fourth clock Ucx4. As a result, the input of the low-pass filter 5 receives a unipolar sequence of pulses, modulated in amplitude according to the amplitude pulse modulation of the first kind AIM-1 (Fig. 3, d). The low-pass filter 5 extracts from the sequence spectrum the signal of the measured process, the amplitude of which does not depend on its frequency. The output amplifier 6 amplifies the signal to the desired level (Fig. 3, d). Under the conditions of the Kotelnikov theorem, the frequency of the measured process in the proposed device can be close to the excitation frequency of the current source 8 kHz (clock frequency 16 kHz) and in real conditions of on-board measurements reach values of 5 kHz or more. Further signal processing is not limited by the frequency of excitation of the current source, the sampling frequency of the signal is determined by the required accuracy.

Сигнал помехи Uп не зависит от измеряемого процесса и на выходе схемы вычитания 3 не меняет своего знака (фиг. 3, е). Синхронный инвертирующий усилитель 4, согласно работе во втором такте, пропускает сигнал помехи Uп без изменений, а в четвертом такте работы его инвертирует (фиг. 3, ж). При этом на вход фильтра нижних частот 5 поступают последовательности разнополярных импульсов, модулированных сигналом помехи Uп. Фильтр нижних частот 5 усредняет поступающие импульсы и уменьшает уровень низкочастотной помехи Uп до пренебрежимо малой величины.The interference signal Uп does not depend on the measured process and at the output of the subtraction circuit 3 does not change its sign (Fig. 3, f). Synchronous inverting amplifier 4, according to the work in the second cycle, passes the interference signal Uп without changes, and in the fourth cycle of work it inverts (Fig. 3, g). In this case, the input of the low-pass filter 5 receives a sequence of bipolar pulses modulated by an interference signal Uп. The low-pass filter 5 averages the incoming pulses and reduces the level of low-frequency noise Uп to a negligible value.

Фактически, на вход фильтра нижних частот 5 поступает аддитивная смесь однополярной последовательности импульсов, модулированных полезным сигналом согласно АИМ-1, и двухполярной последовательности импульсов, модулированных сигналом помехи. Фильтр нижних частот выделяет спектр полезного сигнала и эффективно компенсирует импульсы помехи в широком диапазоне частот, при этом амплитуда полезного сигнала на выходе фильтра не зависит от частоты сигнала.In fact, the additive mixture of the low-pass filter 5 receives an additive mixture of a unipolar sequence of pulses modulated by a useful signal according to AIM-1 and a bipolar sequence of pulses modulated by an interference signal. The low-pass filter selects the spectrum of the useful signal and effectively compensates for interference pulses in a wide range of frequencies, while the amplitude of the useful signal at the filter output is independent of the signal frequency.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает намного большее повышение точности измерения в расширенном диапазоне частот измеряемых процессов на фоне мешающих факторов - электромагнитных помех и термоэ.д.с.Thus, the proposed device in comparison with the prototype provides a much greater increase in measurement accuracy in the extended frequency range of the measured processes against the background of interfering factors - electromagnetic interference and thermoelectric power.

Предлагаемое устройство будет использоваться при создании бортовой многоканальной тензоизмерительной аппаратуры с одиночным тензорезистором для исследования прочностных характеристик элементов конструкции летательных аппаратов в полете в диапазоне частот от 0 до 5000 Гц.The proposed device will be used to create on-board multi-channel strain gauge equipment with a single strain gauge to study the strength characteristics of structural elements of aircraft in flight in the frequency range from 0 to 5000 Hz.

Claims (1)

Устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение, содержащее тензорезистор, резистор, двухполярный источник тока прямоугольной формы, переключатель, дифференциальный усилитель и схему вычитания, выходы источника тока через нормально замкнутые контакты переключателя подключены параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые контакты переключателя подключены параллельно резистору, входы дифференциального усилителя подключены через нормально замкнутые контакты параллельно тензорезистору и через нормально разомкнутые - параллельно резистору, а выход дифференциального усилителя соединен с входом схемы вычитания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно связанные синхронный инвертирующий усилитель, фильтр нижних частот и выходной усилитель, причем выход схемы вычитания соединен с входом синхронного инвертирующего усилителя, выход выходного усилителя образует выход устройства.A device for converting a change in resistance to voltage, containing a strain gauge, a resistor, a bipolar rectangular current source, a switch, a differential amplifier and a subtraction circuit, the outputs of the current source through the normally closed contacts of the switch are connected in parallel to the strain gauge and through the normally open contacts of the switch are connected in parallel to the resistor, the inputs of the differential the amplifier is connected through normally closed contacts parallel to the strain gauge and through the normal they are open, parallel to the resistor, and the output of the differential amplifier is connected to the input of the subtraction circuit, characterized in that it is additionally connected with a series-connected synchronous inverting amplifier, a low-pass filter, and an output amplifier, the output of the subtraction circuit being connected to the input of a synchronous inverting amplifier, the output is output amplifier forms the output of the device.
RU2017128650A 2017-08-11 2017-08-11 Device for converting the resistance changes into voltage RU2654905C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128650A RU2654905C1 (en) 2017-08-11 2017-08-11 Device for converting the resistance changes into voltage

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128650A RU2654905C1 (en) 2017-08-11 2017-08-11 Device for converting the resistance changes into voltage

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2654905C1 true RU2654905C1 (en) 2018-05-23

Family

ID=62202644

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017128650A RU2654905C1 (en) 2017-08-11 2017-08-11 Device for converting the resistance changes into voltage

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2654905C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06331664A (en) * 1993-05-21 1994-12-02 Nec Corp Resistance voltage converter circuit
RU2473919C1 (en) * 2011-09-27 2013-01-27 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Device to convert resistance variation into voltage
RU2612200C1 (en) * 2015-12-07 2017-03-03 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Resistance transducer and thermal electromotive force in tense
RU2645867C1 (en) * 2016-11-30 2018-02-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Measuring bridge with increase speed of response

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06331664A (en) * 1993-05-21 1994-12-02 Nec Corp Resistance voltage converter circuit
RU2473919C1 (en) * 2011-09-27 2013-01-27 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Device to convert resistance variation into voltage
RU2612200C1 (en) * 2015-12-07 2017-03-03 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Resistance transducer and thermal electromotive force in tense
RU2645867C1 (en) * 2016-11-30 2018-02-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Measuring bridge with increase speed of response

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2654905C1 (en) Device for converting the resistance changes into voltage
AU2012214000A1 (en) Device and method for evaluating signals of load cells with strain gauges
US3434053A (en) Circuits for an electrical rms measuring instrument
RU2586084C1 (en) Multi-channel converter of resistance of resistive sensors into voltage
Schäck High-precision measurement of strain gauge transducers at the physical limit without any calibration interruptions
Gervasoni et al. FPGA-based lock-in amplifier with sub-ppm resolution working up to 6 MHz
RU2417349C1 (en) Procedure for measurement of relative deformations of structures with multi-pointed tensometric measuring system
Beug et al. Dynamic bridge standard for strain gauge bridge amplifier calibration
RU2699303C1 (en) Bridge circuit imbalance voltage converter to frequency or duty ratio
RU2400711C1 (en) Strain-measuring transducer
WO2019076166A1 (en) Nonlinear load power output device
RU2473919C1 (en) Device to convert resistance variation into voltage
Sen et al. An arbitrary power-law device based on operational transconductance amplifiers
RU2536676C1 (en) Simulator of resistance strain gauge output signals
Islam et al. An oscillator based active bridge circuit for converting capacitance change into frequency for capacitive humidity sensor
RU2397500C1 (en) Resistance-to-voltage converter
CN113176006A (en) High-resolution temperature measuring device and multichannel temperature measuring system
RU147588U1 (en) ACTIVE RESISTANCE DEVICE
RU2549255C1 (en) Digital temperature meter
RU151194U1 (en) DEVICE FORMING THE OUTPUT SIGNAL OF A DIFFERENTIAL MEASURING TRANSMITTER
RU2579868C1 (en) Method of measuring weber-ampere characteristics of electrotechnical article and device therefor
JP2015105928A (en) Impedance measuring device and impedance measuring method
RU2366965C1 (en) Semi-bridge converter of resistance increment into voltage
RU148248U1 (en) TENZO MEASURING EQUIPMENT FOR FLIGHT TESTS OF CONSTRUCTIONS FROM NON-METAL AND COMPOSITE MATERIALS
RU145579U1 (en) ACTIVE RESISTANCE DEVICE