Частотно-импульсный датчик

Республи К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ етельстваависимое от авт.1397041 Я 8-24явкиМ, 1 л. 6 010 5 Заявлено 26,1,197с присоединениемПриоритет Комитет по делам зобретений и открытий при Совете Министров СССРУДЕ 531,14.083,8(088.8) бликовано 14,11.1972. Бюллетень10 описания 15.1 т,.1972 ата опуоликован Авторизобретен А. ф. Терещенко явитель ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ДАТЧИ Изобретение относится к измерительцои технике, а именно к устройствам для преобразования измеряемой механической или физической величины в частоту следования импульсов.Известные устройства аналогичного назначения выполняются обычно на базе автоколебательных мультивибраторов, управляемых выходным сигналом с первичного генераторного или параметрического датчика, запитываемого от источника постоянного напряжения.Однако эти устройства имеют низкую чувствительность (рабочий диапазон напряжения на входе составляет 2 в, тока 1 ма). Это объясняется тем, что усиление сигнала в тракте от датчика до мультивибратора производится при постоянном токе. При этом имеет место дрейф нуля усилителя как с течением времени, так и при изменении температурного режима работы схемы, Это ограничивает возможности применения указанных устройств, поскольку многие типы датчиков выдают сигналы низкого уровня (порядка 10 мв).Предлагаемый датчик имеет более высокую чувствительность преобразования сигналов от первичных параметрических датчиков типа тензоэлементов, фоторезисторов и т, д, Это достигается тем, что входной мост с параметрическим датчиком подключается попеременно к двум разнополярным источникам питания одинакового цо величине напряжения с помощью двух ключевых схем, управляемых с соответствующих выходов автоколебательного мультивибратора, оба входа которого, в 5 свою очередь, соединены с выходом параметрического моста через дифференциальный усилитель и разделительные конденсаторы.Благодаря такой структуре реализуютсяпринципы импульсного двух пол упериодцого 0 питания датчика, усиления сигнала и управления мультивибратором на переменном токе с непосредственным фазочувствительным преобразованием амплитудно-импульсной модуляции в частотно-импульсную. Все это обеспечи- Б вает не только высокую чувствительность, нои компактность устройства в целом.На чертеже представлена схема частотноимпульсного датчика.Устройство содержит входной мост 1, вклю чающий первичный датчик 2 и дополнительные элементы 3 - б. Мост питается от разно- полярных источников 7 и 8, напряжение с которых поочередно поступает на питающую диагональ моста через две ключевые схемы 9 5 и 10, имеющие управляющие входы 11 и 12соответственно. Измерительная диагональ моста непосредственно или через разделительцые конденсаторы (или через согласующий трансформатор) соединена с первым и 0 вторым входами дифференциального усилителя 18, первый и второй выходы которого через разделительные цепи 14 и 15 соединены соответственно с первым и вторым аналоговыми входами автоколебательного управляемого напряжением мультивибратора 1 б, частота которого линейно зависит от амплитуды входного сигнала.Разделительные цепи содержат конденсаторы 17 и 18 в последовательной ветви и резисторы 19 и 20 в,параллельной ветви. В качестве резисторов могут быть использованы входные резисторы схемы мультивибратора,Выходы мультивибратора соединены соответственно с выходными клеммами 21 и 22 и одновременно с управляющими входами 11 и 12 ключевых схем, Вследствие подсоединения их к разным выходам мультивибратора ключи 9 и 10 работают в противофазе; в течение одного полупериода один из них замкнут, а другой разомкнут, в течение же следующего полупериода состояния ключей меняются на противоположные.Соединение входов и выходов составных звеньев преобразователя осуществлено таким образом, что положительному приращению параметра датчика 2 соответствует увеличение частоты мультивибратора, При перемене зажимов только в одной паре модуляционная характеристика меняет знак на противоположный,В исходном положении, когда на датчик не поступает измеряемого воздействия, мост 1 находится в равновесии, баланс которого достигается регулировкой переменного элемента б. При этом на выходе моста имеются лишь весьма узкие экспоненциальные импульсы напряжения, соответствующие моментам переключения ключей 9 и 10, амплитуда же прямоугольных импульсов на входе и выходе дифференциального усилителя равна нулю, и поэтому частота мультивибратора имеет номинальное значение.При действии измеряемой механической или физической величины параметр датчика 2 получает приращение, вследствие чего мо т 1 выходит из состояния равновесия и па измерительной его диагонали появляются прямоугольные импульсы напряжения положительной и отрицательной полярности, фаза которых определяется знаком приращения входной величины, Эти импульсы усиливаются и проходят через разделительные цепи 14 и 15 на управляющие входы мультивибратора 1 б,Поскольку постоянное или медленно изменяющееся напряжение с каждого выхода усилителя не пропускается разделительной цепью 14 или 15, то на первом и втором входах мультивибратора двуполярные прямоугольные импульсы имеют одинаковую амплитуду, но находятся в противофазе относительно друг друга,В каждый полупериод на работу мультивибратора оказывает влияние лишь сигнал на одном входе, управляющий током разряда конденсатора хронирующей цепи и, следователь 60 65 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 но, временем закрытого состояния транзистора (,1 а 1 пы) мультив 11 братора, На второе плечо мультивибратора с открытым транзистором в этот полупериод импульсы на управляющем входе влияния не оказывают, Зато в следующий полупериод импульсное напряжение на этОм входе мульт;виоратора управляет разрядом конденсатора второй ропирующей цепи, а импульсы на первом входе пе оказывают влияния на процессы восстановления открытого плеча,Таким образом, при наличии постоянного по величине входного воздействия полупериоды мультивибратора получают одинаковое по величине и по знаку приращение. Несмотря па импульсную запитку датчика благодаря использованию двух вь 1 ходов дифференциального усилителя, получаем двхполуперпод 1 ое управление мультивибратором, совершенно аналогичное управлепшо непрерывным входным на 11 ряжением. Следовательно, в дан:1 ой схеме нет необходимости в применении фильтра нижних частот для выделения медленно изменяющегося спп 1 ала - аналога входного воздействия, Кроме того, устранен также и фазочувствительный демодулятор АМ-п 1 пульсов, что упрощает схему и позышает точность ее работы.Теоретический анализ показывает, что применение двух источников питания 7 и 8 с выходным разнополярным и одинаковым по величине напряжением при указанной схеме включения звеньев позволяет наиболее полно осуществить двухполупериодпый принцип работы и повысить помехоустойчивость датчика к высокочастотным паразитным составляющим в спектре входного воздействия.Остановимся на практических вопросах реализации схемы. Мост 1 является частотно независимым и образуется пассивными элементами электрической цепи, сходными с первичным датчиком, В частности, если датчиком является тензоэлемент или фотосопротивление, то элементами 8 - б служат резисторы, если датчик 2 является фотокопденсатором, то элементы 8 - б должны быть конденсаторами ит.д.Общая точка источников питания 7 и 8 обычно соединяется с шиной заземления.Ключевые схемы 9 и 10 могут иметь ключевые элементы как в последовательной ветви, так и в параллельной. Последний случай более предпочтителен для управления ключами, так как управляющее напряжение здесь прикладывается относительно общей корпусной шины.В качестве ключевых элементов удобно использовать транзисторы. При этом, если выполнить ключи 9 и 10 на транзисторах различного типа проводимости, то управляющие входы 11 и 12 достаточно присоединить лишь к одному выходу мультивибратора.Ключевые схемы 9, 10 и источники 7, 8 могут быть совмещены с элементами схемы мультивибратора и источником его питания.5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 Это имеет место в случаях заппткп мультивибратора от двух разнополярных источников питания одинакового по величине напряжения при ключевых режимах работы элементов мультивибратора и при достаточно хорошей прямоугольности импульсного напряжения на его выходах. Тогда питающая диагональ моста подключается непосредственно к выходам мультивибратора, что еще более упрощает схему датчика.При питании мультивибратора от одного источника напряжения двухполупериодный режим работы входного моста достигается за счет использования переходного трансформатора, первичная обмотка которого подключается к выходам мультивибратора, а вторичная обмотка соединяется с питающей диагональю моста. В этом случае при заземлении средней точки вторичной обмотки трансформатора возможно применение входного полумоста вместо полного параметрического, а также возможность заземления второго входа дифференциального усилителя, соединением выхода полумоста с первым входом усилителя.В представленной на чертеже схеме частотно-импульсного датчика может использоваться дифференциальный усилитель как постоянного, так и переменного тока. В случае соединения общей точки источников питания 7 и 8 с корпусом (землей) усилителя необходимо, чтобы дифференциальный усилитель имел высокий коэффициент режекцпи (порядка 80 дб), что является легко достижимым для усилителей переменного тока.Подключение измерительной диагонали моста 1 к входам дифференциального усилителя может быть выполнено как путем непосредственной связи, так и через разделительные конденсаторы или переходной трансформатор. Последний выполняет также функции согласующего и разностного каскада, позволяя использовать усилитель с педифференциальным входом. В этом смысле применение переходного трансформатора эквивалентно включению питающего трансформатора к выходам мультпвибратора. В обоих случаях коэффициент режекции усилителя может быть значительно уменьшен по сравнению с указанным выше.Управляемый напряжением мультивибратор 1 б выполнен по симметричной схеме с двумя хронирующими цепями. Для достижения высокой линейности модуляционной характеристики в качестве разрядных цепей используются управляемые токозадающие источники тока, в частности управляемые коллекторноэмиттерные цепи дополнительных транзисторов.Проведенное макетирование представленной схемы датчика на транзисторах показало его работоспособность и высокую температурную стабильность. Нелинейность сквозной модуляционной характеристики не превышает 1 д/о, что является приемлемым во многих практических случаях. Девиации частоты на +50% соответствовало изменение параметра датчика па +1%.Датчик может найти применение в высокочувствительный спстемдх измерения, регистрации и передачи механических и физических величин, например в телеметрии и измерительной магнитной здппси а шлоговой информации,Предмет изобретения"1 астотно-импульсный ддтчш, содержащий мост с параметрическим датчиком, дифференциальный усилитель, разделительные цепи, мультивибратор, ключевые схемы и источники питания, отличи ои 1 ийся тем, что, с целью повышения чувствительности частотно-импульсного датчика, питающая диагональ моста соединена через две ключевые схемы с двумя разнополярпымп источппкамп питдппя одинакового по вели шне напряжения, а пзме 1 нтельная диагональ через дифференциальный усилитель и разделительные цепи - с управляющими входамп мультпвпбрдтора, выходы которого соединены с управляющими входамп соответствующих ключевых схем.Составитель Ю. Филимонов Редактор В. Девятов Текред А, Камышиикова Корректор В. Жолудева Заказ 941/8 Изд. М 375 Тнракк 448 ПодписноеЦНИИПИ Коаштета по делам изобретений и открьтнй прн Соьсте Министров СССРМосква, Ж, Раушская наб., д. 45Тинографил, пр. Сапунова, 2