RU2685443C2

RU2685443C2 - Force-measuring device

Info

Publication number: RU2685443C2
Application number: RU2016146003A
Authority: RU
Inventors: Леонид Юрьевич Яшнов
Original assignee: Акционерное общество "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ" (АО "НИИМаш")
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2019-04-18
Also published as: RU2016146003A; RU2016146003A3

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used in measuring mechanical forces of various origins. Force-measuring device comprises a dynamometric platform on elastic supports, displacement sensor, program-controlled signal generator connected through an amplifier to a reverse electromagnetic transducer, current sensor and recorder of sensor signals. Additionally, a program-computing unit is introduced, which is connected between the recorder of sensor signals and programmable generator. In the program-computing unit, an output signal of the generator is set, which contains a constant component and alternating sinusoidal component with an amplitude which provides compensation for the measured force in the entire range of its expected values, on both the ascending and descending waves of the sinusoid, as well as calculated value of measured force based on values of compensating current at zero signals of the displacement sensor.EFFECT: high accuracy of measuring forces from dynamic objects.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении механических усилий различного происхождения.The invention relates to measuring equipment and can be used when measuring mechanical forces of different origin.

Известно устройство для измерения усилий, содержащее чувствительный элемент на опорах, датчик перемещения, замкнутый через усилитель отрицательной обратной связи на обратный преобразователь (а.с. СССР №441459, кл. G01L 1/08, 1971).A device for measuring forces is known, which contains a sensitive element on supports, a displacement sensor, closed through an amplifier of negative feedback to an inverse transducer (AS USSR №441459, class G01L 1/08, 1971).

Недостаток устройства состоит в низкой точности измерения усилий.The disadvantage of the device is the low accuracy of the measurement of forces.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения усилий, содержащее чувствительный элемент на опорах, датчик перемещения, замкнутый через усилитель отрицательной обратной связи на обратный электромагнитный преобразователь, в котором для повышения точности измерения введен генератор сигналов, выход которого соединен с обратным электромагнитным преобразователем (а.с. СССР №640150, кл. G01L 1/08, 1978).The closest in technical essence to the invention is a device for measuring forces containing a sensitive element on supports, a displacement sensor closed through a negative feedback amplifier to an inverse electromagnetic transducer, in which, to improve measurement accuracy, a signal generator is inputted, the output of which is connected to an inverse electromagnetic transducer (A.S. The USSR №640150, CL. G01L 1/08, 1978).

Недостаток данного устройства состоит:The disadvantage of this device is:

- во-первых, в постоянстве амплитуды сигнала от генератора, компенсирующего погрешность гистерезиса. Данное устройство не компенсирует погрешность гистерезиса, возникающего как от изменения уровня измеряемой величины, так и от влияния внешних условий: температуры, давления, вибраций.- firstly, in the constancy of the amplitude of the signal from the generator, compensating for the hysteresis error. This device does not compensate for the error of hysteresis that occurs as a result of changes in the level of the measured value, and from the influence of external conditions: temperature, pressure, vibrations.

- во-вторых, в устройствах с замкнутой обратной связью возникают резонансные автоколебания при действии усилий от объектов динамического характера, то есть обладающих инерционной массой, соизмеримой по значению с измеряемой силой, например, при измерении реактивных сил, что может приводить не только к потере точности, но и выходу устройств из строя.- secondly, in devices with closed feedback, resonant self-oscillations occur under the action of forces from objects of a dynamic nature, that is, having inertial mass, comparable in value to the measured force, for example, when measuring reactive forces, which can lead not only to loss of accuracy but also the failure of devices.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение точности и расширение диапазона измерения для усилий от объектов динамического характера.The problem solved by the invention is to improve the accuracy and the expansion of the measurement range for efforts from objects of a dynamic nature.

Указанная задача решается в устройстве для измерения усилий, содержащем динамометрическую платформу на упругих опорах, датчик перемещения, программно-управляемый генератор сигналов, подключенный через усилитель к обратному электромагнитному преобразователю, датчик тока и регистратор сигналов датчиков. Для повышения точности измерения усилий от объектов динамического характера в устройство введен программно-вычислительный блок, включенный между регистратором сигналов датчиков и программируемым генератором. В программно-вычислительном блоке задается выходной сигнал генератора, содержащий постоянную составляющую и переменную синусоидальную составляющую с амплитудой, обеспечивающей компенсацию измеряемого усилия во всем диапазоне его ожидаемых значений, как на восходящей, так и на нисходящей волне синусоиды, а также производится вычисление величины измеряемого усилия по значениям компенсирующего тока при нулевых сигналах датчика перемещения.This problem is solved in a device for measuring forces, which contains a dynamometric platform on elastic supports, a displacement sensor, a program-controlled signal generator connected through an amplifier to an inverse electromagnetic transducer, a current sensor and a sensor signal recorder. To improve the accuracy of measuring forces from objects of a dynamic nature, a software-computing unit is inserted in the device, connected between a sensor signal recorder and a programmable generator. In the computational software unit, the generator output signal is set, which contains a constant component and a variable sinusoidal component with an amplitude that compensates for the measured force over the entire range of its expected values, both on the upward and downward sinusoidal waves, and also calculates the value of the measured effort by the values of the compensating current at zero signals of the displacement sensor.

Величина измеряемого усилия в устройстве рассчитывается по среднему значению тока обратного преобразователя в моменты нулевого - уравновешенного положения динамометрической платформы на восходящей и нисходящей волне.The magnitude of the measured force in the device is calculated by the average value of the current of the inverter at the moments of zero-balanced position of the dynamometric platform on the ascending and descending waves.

На фиг. 1 схематично показано устройство, реализующее данную схему измерения. На фиг. 2 приведены графики измерительных сигналов.FIG. 1 schematically shows a device that implements this measurement scheme. FIG. 2 shows the graphs of the measuring signals.

Устройство для измерения усилий состоит из динамометрической платформы 1 закрепленной на упругих растяжках 2, объекта 3 с инерционной массой m воздействующего на динамометрическую платформу с силой F, датчика перемещения динамометрической платформы 4, программируемого генератора 5, соединенного через усилитель тока 6 с обратным электромагнитным преобразователем 7, датчика электрического тока обратного преобразователя 8, регистратора сигналов датчиков 9, программно-вычислительного блока 10, соединенного с генератором 5 и регистратором 9.The device for measuring forces consists of a dynamometric platform 1 mounted on elastic stretch marks 2, an object 3 with an inertial mass m acting on a dynamometric platform with force F, a displacement sensor of a dynamometric platform 4, a programmable generator 5 connected through a current amplifier 6 with an inverse electromagnetic converter 7, an electric current sensor of the inverter 8, a sensor signal recorder 9, a software and computing unit 10 connected to a generator 5 and a recorder 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При воздействии измеряемого усилия F динамометрическая платформа 1, закрепленная на упругих растяжках 2 смещается и датчик перемещения 4 фиксирует это смещение. Обратным электромагнитным преобразователем 7 создается компенсирующая сила с переменной синусоидальной составляющей. Постоянная составляющая компенсирующей силы равна математическому ожиданию измеряемого усилия, а размах амплитуды переменной составляющей соответствует 105-110% диапазона ее ожидаемых значений, что обеспечивает гарантированную компенсацию силы F как на восходящей, так и на нисходящей волне синусоиды. Необходимые параметры компенсирующей силы: постоянная составляющая, амплитуда и частота переменной составляющей формируются генератором 5 по программе от блока 10. Для исключения возбуждения автоколебаний частота синусоидальной составляющей компенсирующего тока задается в 3-5 раз меньшей частоты основной гармоники собственных колебаний динамометрической платформы с объектом измеряемого усилия. Сигналы от датчика перемещения динамометрической платформы 4 и от датчика электрического тока обратного преобразователя 8 записываются в память регистратора 9. Графики этих сигналов приводятся на фиг. 2. Программно-вычислительный блок 10 производит вычисление среднего из четного числа мгновенных значений компенсирующего тока при нулевых значениях сигнала датчика перемещения и умножение этого среднего значения тока на передаточную функцию обратного преобразователя.The proposed device works as follows. When exposed to the measured force F, the dynamometric platform 1 fixed on the elastic braces 2 is displaced and the displacement sensor 4 detects this displacement. Inverse electromagnetic transducer 7 creates a compensating force with a variable sinusoidal component. The constant component of the compensating force is equal to the mathematical expectation of the measured force, and the amplitude amplitude of the variable component corresponds to 105-110% of the range of its expected values, which provides a guaranteed compensation of the force F on both the upward and downward sinusoid waves. The necessary parameters of the compensating force: the constant component, the amplitude and frequency of the variable component are generated by the generator 5 according to the program from block 10. To eliminate the excitation of self-oscillations, the frequency of the sinusoidal component of the compensating current is set 3-5 times lower than the frequency of the fundamental harmonic of the oscillation platform with the object of the measured force. The signals from the displacement sensor of the dynamometric platform 4 and from the electric current sensor of the inverter 8 are recorded in the memory of the recorder 9. The graphs of these signals are shown in FIG. 2. Computing unit 10 calculates the average of an even number of instantaneous values of the compensating current at zero values of the displacement sensor signal and multiplies this average current by the transfer function of the inverter.

В предлагаемом устройстве для измерения усилий полностью компенсируется погрешность гистерезиса, в том числе от влияния внешних условий. Использование устройства с программной компенсацией измеряемого усилия с синусоидальной переменной в диапазоне ее ожидаемых значений позволяет исключить появление устойчивых автоколебаний, характерное для систем с обратной связью и повысить точность измерения.In the proposed device for measuring efforts, the hysteresis error is fully compensated, including from the influence of external conditions. The use of a device with software compensation of the measured force with a sinusoidal variable in the range of its expected values makes it possible to eliminate the appearance of stable self-oscillations characteristic of systems with feedback and to improve the measurement accuracy.

Claims

A device for measuring forces that contains a dynamometer platform on elastic supports, a displacement sensor, a program-controlled signal generator connected through an amplifier to an inverse electromagnetic transducer, a current sensor and a sensor signal recorder, characterized in that a computational unit connected between a sensor signal recorder and a programmable generator, which sets the generator output signal containing a constant component and a variable sinusoid nuyu component with an amplitude, which provides compensation for the measured force throughout its range of expected values, both on uplink and on downlink sine wave, and also computes the value of the measured force by the values of the compensating current at zero displacement sensor signals.