SU1571436A1 - Способ измерени механических величин - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени  - повышение чувствительности и точности измерени , обеспечение линейной зависимости между входной и выходной величинами. Способ измерени  механических величин, заключающийс  в том, что при проведении измерений механических величин с помощью сегнетоэластичного датчика выдел ют характеристические интервалы времени, ограниченные моментами перехода управл ющего сигнала треугольной или трапециевидной формы через сформированный опорный уровень с одной стороны и моментами по влени  импульсов на выходном сигнале датчика с другой стороны, причем характеристические интервалы выдел ютс  без приложени  к датчику нагрузки, при приложении к датчику эталонной нагрузки и при приложении к датчику измер емой нагрузки или измер емой нагрузки и эталонной одновременно, что определ ет три такта измерений. По найденным интервалам определ ют измер емую нагрузку. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерению механических величин, в частности усилий, давлений, вибраций, деформаций и т.д., и может быть использовано при измерении как посто нных, так и переменных механических величин.

Цель изобретени  - повышение чувствительности и точности измерени , а также обеспечение линейной зависимости выходной величины от входной при использовании в измерени х сегне- тоэластичного преобразовател .

На фиг„1 изображены эпюры напр жений; на фиг.2 - структурна  схема варианта устройства, реализующего данный способ.

Сущность способа заключаетс  в том, что в процессе измерени , который состоит из трех тактов, на электрические входы сегнетоэластичного датчика подают бипол рный управл ющий .сигнал треугольной или трапециевидной формы, формируют короткие импуль- .сы в моменты времени tH,14,t2,13,t4, t 5- и t6 перехода управл ющего сигнала через опорный уровень, нормируют по знаку, амплитуде и длительности выходные импульсы сегнетоэластичного датчика, затем в первом такте измерени  в положительный и отрицательный полупериоды управл ющего сиг- кала выдел ют, измер ют и запоминаСЛ

Ј. СО 0

ют соответственно временные интерва- Лы AtHM t H t:H и ut,, t , - t,, Ограниченные сверху моментами време- Йи t H и t A по влени  выходных им Пульсов сегнетоэластичного датчика без приложени  к нему внешней механической величины,во втором такте и в положительный полупериод управл ющего сигнала выдел ют,измер ют и запомина ют временной интервал U, - t2, , ограниченный сверху моментом времени t 2 по влени  выходных импульсов сегнетоэластичного датчика при приложении к нему нормированной механи- ческой величины, в третьем такте в положительный полупериод управл ющего сигнала выдел ют, измер ют и запоминают временной интервал ut - t - t$ , ограниченный сверху мо- центом времени t по влени  выходных импульсов сегнетоэластичного датчика при приложении исследуемой механической величины, причем выделенные интервалы времени снизу ограничивают соответственно моментами времени tjijt-oti и Ь4 перехода управл ющего сигнала через опорный уровень: дл  первого такта - как в положительном, так и в отрицательном направлени х, а дл  второго и третьего тактов - только в положительном направлении, затем наход т характеристические интервалы времени lut A l

чн

и

lit, &. t

- At,

на основании коII пс. u.ti.v- j-) «д. jrijri s

торых определ ют значение исследуемой механической величины по выражению

рх P0(uti /utM О О) дл  случа , когда в третьем такте из-

мерени  действие нормированной механической величины не исключают, а наоборот, слагают с действием исследуемой механической величины или по выражению

Рх PftAt, /4tM (2) дл  случа ,когда в третьем такте измерени  действие нормированной механической величины на сегнетозластич- ный датчик исключают. Один из вариан- тов устройства реализации данного способа представлен на фиг.2.

Устройство содержит датчик 1, генератор 2 пилообразного напр жени , формирователь 3 импульсов, логический элемент И-НЕ 4, первый триггер 5, компаратор 6, измеритель 7 временных интервапов, арифметическое устройство 8, отсчетно-регистрирующее устрой

0

С

Q

5

5

ство 9, входную клемму 10 сигналов автоматического управлени  АУ, управл емый делитель 11 напр жени , источник 12 опорного напр жени , генератор 13 одиночных импульсов (с ручным управлением), логический элемент И-НЕ-ИЛИ 14, триггер 15, счетчик 16 импульсов, первый дешифратор 17, индикатор 18 тактов измерени , цифро- аналоговый преобразователь 19, первый одновибратор 20, дополнительный счетчик 21 импульсов, второй дешифратор 22, логический элемент ИЛИ 23, второй одновибратор 24, трехполюсный переключатель 25, первое и второе запоминающие устройства 26 и 27, вычитающее устройство 28 и нуль-индикатор 29.

Арифметическое устройство 8 содержит три запоминающих устройства 30-32, три вычитающих устройства 33-35, блок 36 делени , блок 37 перемножени  и задатчик 38 чисел.

Устройство работает следующим об-, разом.

На управл ющие входы сегнетоэластичного датчика 1 поступает бипол рный управл ющий сигнал треугольной или трапециевидной формьГ с первого и второго выходов генератора 2 пилообразного напр жени  (см.фиг.2 и 1).

Одновременно сигнал с первого выхода генератора 2 поступает на второй вход компаратора 6, на первый вход которого, как и на суммирующий вход генератора 2, поступает сигнал опорного уровн  с выхода управл емого делител  11 напр жени . Этот сигнал в начальный момент времени по своему значению может быть близким к нулю, т.е. .

С помощью компаратора 6 формируютс  короткие импульсы (см.фиг.а) в моменты времени перехода управл ющего сигнала датчика через опорный уро- . вень Uot1 , т.е. в моменты времени tH,t, ,t2,t,t4,t5 и ts. Эти импульсы предназначены дл  установки триггера 5 в единицу.

Поскольку чувствительный элемент сегнетоэластичного датчика 1 имеет пр моугольную петлю гистерезиса, то в моменты времени tH,t, t2,Ц ,Ци 15 (см.фиг.1,б,в,г) на выходе сегнетоэластичного датчика 1 по вл ютс  раз- нопол рные импульсы, которые поступают на входы формировател  3. С помощью формировател  3 формируютс 

51

однопол рные выходные импульсы датчика 1 (см.фиг.2,6,в,г).

Эти импульсы поступают на вход установки нул  триггера 5 в указанные моменты времени, устанавлива  его в нулевое (исходное) состо ние. Устройство готово к работе.

Перед началом измерени  исследуемой механической величины, когда на датчик 1 механическа  величина не воздействует, устанавливают режим коррекции измерительного устройства Это осуществл етс  путем перевода трехполюсного переключател  25 в положение , противоположное указанному на фиг.2а. В этом положении трехполюсного переключател  25 осуществл ют установку опорного уровн , а следовательно , и смещение управл ющего сигнала на ±Uon путем изменени  коэффициента передачи делител  напр жени  11, выполненного, например, в виде резистивного моста посто нного тока .

Установку опорного уровн  U производ т до момента равенства временных интервалов AtНни AtM, который контролируетс  по показанию нуль- индикатора 29.

Процесс установки равенства временных интервалов, а следовательно, и опорного уровн  осуществл етс  следующим образом. С выхода генератора 13 одиночных импульсов поступает одиночный импульс, соответствующий лог. 1, который разрешает прохождение выходного импульса компаратора 6 на вход установки единицы триггера 15 (см.фиг.2а). В результате триггер 15 переводитс  в состо ние лог. 1 на выходе.

Если в начальный момент времени триггер 5 находилс  в состо нии.нул  на его выходе, то первый же импульс, прошедщий логический элемент И-НЕ 4 с выхода компаратора 6, установит триггер 5 в состо ние лог. М на его выходе. Согласно способу за этим импульсом последует выходной импульс датчика 1, соответствующий моменту времени равенства мгновенного значени  управл ющего сигнала и коэрцитивного напр жени . В результате с помощью триггера 5 формируетс  пр моугольный импульс, длительностью, например, &tHH t M - tH, который поступает на вход измерител  7 временных интервалов и на вход первого

714366

одновибратора 20. С помощью измерител  7 временных интервалов измер етс  длительность этого импульса. Ре-

зультат измерени  в виде, например, цифрового кода поступает на первые входы арифметического устройства 8, первого и второго запоминающих устройств 26 и 27.

}0 Выходной импульс триггера 5 (длительностью At нн) запускает одновибра- тор 20 (см.фиг.2). Последний формирует счетные импульсы посто нной длительности и крутизны фронтов, кото15 рые подсчитываютс  счетчиком 21 импульсов . На выходе счетчика 21 установлен дешифратор 22, преобразующий выходной код счетчика 21 в позиционный код на четыре направлени .

20 При поступлении первого импульса ( &tHH) на первом выходе дешифратора 22 по вл етс  сигнал, разрешающий запись результата измерени  NHH в запоминающие устройства 26 и 31

25 (см.фиг.2а,б).

Как видно из эпюр напр жений, представленных на фиг.1,а,б, в момент времени t, очередной импульс с выхода компаратора 6 поступает че30 рез логический элемент И-НЕ 4 на вход установки единицы триггера 5. Запрета на его прохождение нет, так как триггер 15 по-прежнему находитс 

в состо нии лог. 1 на его выходе. На выходе триггера 5 устанавливаетс 

уровень, соответствующий лог. М.

Затем в момент времени t с выхода формировател  3 на вход установки нул  триггера 5 поступае-т новый

импульс, который устанавливает триггер 5 в состо ние лог. 1 на его выходе. В результате на выходе триггера 5 формируетс  второй пр моугольный импульс длительностью Л t,, t ,,- t,

(см.фиг.1 д).

Пр моугольный импульс длительностью ut(1 поступает, как и предыдущий импульс длительностью ЛЈНн, на измеритель временных интервалов 7 и на

одновибратор 20. При поступлении на вход счетчика 21 через одновибратор 20 второго импульса на втором выходе дешифратора 22 по вл етс  сигнал , разрешающий запись результата

измерени  N временного интервала utH в запоминающее устройство 27 (см.фиг.2а) и сбрасывающий счетчик 21. С помощью вычитающего устройства 28 определ етс  разность чисел, записанных в запоминающие устройства 26 И 27. Результат вычитани  N NHH - Nj, с помощью цифр о аналогов о г о преобразовател  19 преобразуетс  в аналоговый сигнал 11д, который поступает ha нуль-индикатор 29, обеспечива  контроль за моментом времени достижени  равенства временных интервалов AtHHH it,,, . Причем в каждый период управл ющего сигнала в запоминающие устройства 26 и 27 записываютс  коды кисел NHH и N4, , отличные от первоначальных , полученных до изменени  коэффициента передачи управл емого делител  11 напр жени  при формировании опорного уровн . При достижении нулевого показани  нуль-индикатора 29 (U д 0) трехполюсный переключатель 25 устанавливаетс  в положе- ние, указанное на фиг.2а. Прибор готов к измерению.

Формирование опорного уровн  необходимо дл  достижени  высокой чув- ствительности и точности измерени  механических величин, расширени  динамического диапазона измер емых величин и исключени  вли ни  усили , создаваемого силоввод щим элементом сегнетоэластичного датчика. Действие последнего в некоторых сегнетоэлас- тичных датчиках компенсируетс  конструктивным решением.В этом случае чувствительный элемент датчика имеет симметричную петлю гистерезиса относительно осей координат. Тогда временные интервалы At н( и &t( формируютс  равными по длительности, а в качестве опорного уровн  используют ну левой уровень.

Если конструкци  датчика не обеспечивает компенсацию указанного усили , то формируют опорный уровень, при котором &tHW b.t . Причем раве ство временных интервалов u.tHHH kt при формировании опорного уровн  достигаетс  за счет смещени  управл ющего сигнала на посто нный уровень, который используют в качестве опорного уровн . Направление смещени  зависит от знака разности временных интервалов &.t нн и utj,, .

Сам процесс измерени  состоит из трех тактов. Причем в первый, второй и третий такты получают результаты измерени ; 1) без приложени  к датчику механической величины; 2) с приложением нормированной механической

Q

0

5

величины и 3) с приложением к датчику исследуемой механической величины.

В положении трехполюсного переключател  25, указанном на фиг.2а, триггер 5 переводитс  в состо ние лог.О на его выходе: в первый такт измерени  - после прохождени  первого и второго пр моугольных импульсов на счетчик 21, а во второй и третий такты - после прохождени  третьего и четвертого импульсов (см.фиг.1д).

Дл  получени  результатов измерени  временных интервалов AtHH HUt при установленном значении опорного уровн  в первом такте измерени  вручную запускают генератор 13 одиночных импульсов. Процесс формировани  и измерени  временных интервалов ut и At 1( вновь повтор етс . В первый такт измерени  в запоминающее устройство 31 запишетс  код числа N,HH N4, соответствующий i установленному опорному уровню Uor).

После окончани  первого такта измерени  вручную или автоматически к сегнетоэластичному датчику 1 прикладывают нормированную механическую величину РО , цифровой эквивалент NH которой устанавливают на втором выходе задатчика чисел 38.

После приложени  нормированной механической величины Pg вновь запускают генератор 13 одиночных импуль- / сов и процесс измерени  повтор етс  аналогичным образом. Во втором такте измерени  формируют и измер ют временной интервал (см.фиг.1,д), ограниченный моментами времени t и t2 (см.фиг.1,а,в).

Результат измерени  N22записываетс  в запоминающее устройство 30, поскольку при поступлении третьегсз импульса на счетчик 21, разрешающий потенциал по витс  на третьем выходе дешифратора 22, а следовательно, и на управл ющем входе запоминающего устройства 30.

С помощью первого вычитающего устройства 33 результаты измерени  временных интервалов, записанные в запоминающих устройствах 30 и 31,вычитаютс . Код числа N 1г цнс вых° да вычитающего устройства 33 поступает на вход Делитель блока 36 делени .

Во втором такте измерени  триггер 15 устанавливаетс  в состо ние лог. llf на его выходе только на вре91

м  формировани  с помощью триггера 5

одного пр моугольного импульса длительностью &t22(см.фиг.1,д).

По окончании второго такта измере ни  вручную или автоматически к сегне тоэластичному датчику прикладываетс  исследуема  механическа  величина Рд . Нормированна  механическа  величина РО в рассматриваемом случае не снимаетс . Процесс измерени  в третьем такте измерени  повтор етс  аналогичным образом, как и во втором такте. Результат измерени  N44временного интервала t - tHHпоступает в запоминающее устройство 32, так как четвертый импульс, поступивший на счетчик 21, обеспечивает по вление импульса разрешени  записи на четвертом выходе дешифратора 22, соединенном с управл ющим входом запоминающего устройства 32.

Код числа N44поступает с выхода запоминающего устройства 32 на вход Уменьшаемое второго вычитающего устройства 34. С выхода последнего код числа N N44 МццпостУпает на вход Делимое блока 36 делени . В результате делени  двух чисел ( N,,) на вход Уменьшаемое 1 третьего вычитающего устройства 35 поступит код числа N, N2/Nf , а на вход Вычитаемое - код единички. С выхода третьего устройства 35 вычитающего на вход Множимое блока 37 перемножени  поступит код числа N-j N2l- 1. На вход Множитель блока 37 поступает код числа NH, эквивалентный нормированной механической величине.

С помощью блока 36 перемножени  обеспечиваетс  получение результата измерени  в тех же единицах, что и измер емые механические величины. С выхода блока 37 перемножени  код числа N), N -NH поступает наотсчет- но-регистрирующее устройство 9, которое отображает результат измерени  исследуемой механической величины в цифровом виде.

Подставим значени  N и NH в выражение дл  Nx через N2 и N( . Тогда получим

Nx 5™- ° V

(3)

что соответствует выражению (1). Индикатор 18 тактов измерени  представл ет собой схему с трем  све- тодиодами, соответственно числу так

714361°

тов измерени , которые поочередно загораютс  после окончани  каждого из трех тактов измерени . Это необходимо дл  визуального контрол  окончани  каждого такта измерени , готовности прибора к последующему такту измерени  и прин ти  решени  по установке на датчик 1 нормированной или исследуемой механических величин. Управление индикацией осуществл ют посредством счетчика 16 и дешифратора 17. Следует отметить, что сформированна  указанным образом перва  па5

10

ра временных интервалов содержит в

себе информацию об отсутствии воздействи  на сегнетоэластичный датчик внешней механической величины, а также информацию о степени асимметрии

петли гистерезиса, вызванной, например , усилием силоввод щего элемента датчика или асимметрией управл ющего сигнала, т.е. информацию о систематической погрешности измерени . Временной интервал 22содержит информацию как-о степени асимметрии петли гистерезиса и управл ющего сигнала, так и о значении нормированной механической величины РО . В целом временной интервал Ut2zсодержит информацию как о

i

нормированной механической величине,

так и о систематической погрешности измерени . Временной интервал &t44 сформированный в третий такт измерени , содержит информацию как о систематической погрешности измерени , так и о значении исследуемой механической величины Рх .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ измерени  механических величин , заключающийс  в поочередном приложении к чувствительному элементу сегнетоэластичного датчика нормированной и исследуемой механических величин , предварительно преобразованных в сосредоточенное усилие, в измерении временных параметров выходного электрического сигнала датчика и определении измер емой механической величины по определенному алгоритму, отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности и точности измерени , а также обеспечени  линейной зависимости выходной величины от входной, при измерении временных параметров сначала на электрические входы сегнетоэластичного дат11

   чика подают бипол рный управл ющий сигнал треугольной или трапециевидной фЬрмы, формируют короткие импульсы в мрменты времени tM,t,t4,t,,t5 и; t6 перехода управл ющего сигнала через опорный уровень, нормируют по знаку, амплитуде и длительности выходные импульсы сегнетоэластичного датчика, затем в режиме настройки в положительный и отрицательный полупе- р иоды управл ющего сигнала выдел ют, измер ют и добиваютс  равенства вре- м|енных интервалов &t WH t - tM и t«- t1, - t

   157143612

   такте в положительный полупериод управл ющего сигнала выдел ют, измер ют и запоминают временной интервал i

   At

   44

   10

   j, ограниченных сверху 1 -- по влени 

   моментами времени t( выходных импульсов сегнетоэластично- г(о датчика без приложени  к нему внешней механической величины, затем в Нервом такте измерени  в положительный полупериод управл ющего сигнала выдел ют, измер ют и запоминают временной интервал AtWH , во втором так- te в положительный полупериод управл ющего сигнала выдел ют, измер ют и Запоминают временной интервал &t22 tj - tt , ограниченный сверху моментом времени t 4 по влени  выходных импульсов сегнетоэластичного датчика При приложении к нему нормированной механической величины Р0,в третьем

   - U

   t4 С4 ограниченный сверху моментом времени по влени  выходных импульсов сегнетоэластичного датчика при приложении исследуемой механической величины Ру, причем выделенные интервалы времени снизу ограничивают соответственно моментами времени tH,t,,t и Ц перехода управл ющего сигнала через опорный уровень дл  первого такта в положиU тельном и отрицательном направлени х а дл  второго и третьего тактов в положительном направлении, затем наход т характеристические интервалы времени &п „ йС2г- at WH и At

   20 ,определ ют значение исследуемой механической величины по выражению Рх Р0 ( &t,/utн - 1), дл  случа , когда в третьем такте измерени  действие нормированной механи25 ческой величины слагают с действием исследуемой механической величины, по выражению Рх PQ &t , / it,j , когда в третьем такте измерени  действие нормированной механической ве2Q личины на сегнетоэластичный датчик исключают.

   l-tSm&ttm ЛРфаюнт SttJmaftm

   т т т

   ют и запоминают временной интервал i

   At

   44

   t4 С4 ограниченный сверху моментом времени по влени  выходных импульсов сегнетоэластичного датчика при приложении исследуемой механической величины Ру, причем выделенные интервалы времени снизу ограничивают соответственно моментами времени tH,t,,t и Ц перехода управл ющего сигнала через опорный уровень дл  первого такта в положительном и отрицательном направлени х, а дл  второго и третьего тактов в положительном направлении, затем наход т характеристические интервалы времени &п „ йС2г- at WH и At

   0 ,определ ют значение исследуемой механической величины по выражению Рх Р0 ( &t,/utн - 1), дл  случа , когда в третьем такте измерени  действие нормированной механи5 ческой величины слагают с действием исследуемой механической величины, по выражению Рх PQ &t , / it,j , когда в третьем такте измерени  действие нормированной механической веQ личины на сегнетоэластичный датчик исключают.

   Фиг1