Цифровой динамометр

(цИвСА ИЗОБ ЕТЕ У ТЕЛ ЬСТ долг тора пряж НИЯ муйяж тор им вления попари и олярносмостовой ы ключей тивоположно о к шинам ков напряжения по ти исто пи управления п соответствующе диодов, при этосхеме, асоединень1 С-цепей группоивыход ерез два амплит лок масштабных рным коммутатороды которого соествующие повтори ым коммутатором памяти отрицате дных де- елителей усилителя тектора и связан с выи инены чевторои вых ез соответ ряели на блоко ьного ния с вторалоговойяжения, а ыи выход второго нен с вольтметр аналоговой памя коммутатора сое второй выход -м,и сравнения, чет четчиком времени выход - со схемтый выход - со ОСУДАРСТВЕННЫй КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ АВТОРСКОМУ( СВ(56) Авторское свидетельство СССР В 463882, кл, С 01 1. 5/02, 1971.Авторское свидетельство СССР Кф 637739, кл. С 01 1. 5/02, 1977, (54)(57) ЦИФРОВОЙ ДИНАМОМЕТР, содержащий датчики деформации упругого элемента, усилитель и соединенный с ним цифровой вольтметр, счетчик времени, генератор импульсов и логический блок, блок питания, о т л и - . ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличе ния амплитуды и уменьшения скважности питающего тензомост напряжения, в него введены два амплитудных детектора, два аналоговых устройства временнои памяти, два к блок масштабных делител ния, два повторителя на схема сравнения и генер ов, содержащий цепь упр ыре ключа, подключенных оложительного напряжения, третинИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследований способности мышц руки к физическим нагрузкам, выносливости, а также способности к распознаванию малых различий усилия, особенно в области психофизиологических исследований профессиональной ориентации и спорта. 10Целью изобретения является повышение точности измерения усилий. На фиг.1 приведена блок-схема цифрового динамометра; на Фиг,2 - схема 15 генератора стабильных импульсов.Цифровой динамометр содержит генератор 1 стабильных по амплитуде разнополярных симметричных импульсов. Генератор 1 питается от стабилизато ра 2 напряжением положительной, а стабилизатора 3 - отрицательной нолярности, По абсолютной величине напряжения обоих стабилизаторов с высокой точностью равны друг другу. Отрицательный полюс стабилизатора 2 и положительный сгабилизатора 3 соединены в одну общую точку "0" (корпус). Генератор 1 выполнен на четырех ключах 4-7, содержащих попарно соединенные 30 транзисторы противоположного типа проводимости, причем ключи попарно подсоединены к шинам стабильного напряжения противоположной полярности стабилизаторов 2 и 3 и к выходным .ши З 5 нам, образуя мостиковую схему. Цепи управления пары ключей 4 и 5 соединены с функциональной группой 8 из КС-цепей и диодов и с одной выходной шиной 9, Функциональная группа 8 подсоединена также к стабичизированному напряжению обеих полярностей и общей "0" точке. Выходная шина 9 подключена через функциональную группу 8 к цепям управления ключей 6 и 7,подключенных к второй выходной шине 10.Генератор 1 подключается проводами к датчику 11 деформаций, Датчик 11 представляет собой четыре соединенных в мостовую схему тензорезистора,кото рые прикреплены с обеих сторон плоской пружины упругого элемента плоскопружинного динамометра. Такое конструктивное решение обеспечивает независимость показаний от температурных де формаций упругого элемента и самих тензорезисторов, а также способствует повышению чувствительности,поскольку два тензорезистора работаютна растяжение, а два - на сжатие.Другая диагональ моста датчика 11соединена через согласующее устГойство 12 с входом усилителя 13. Устройство 12 предназначено для подавления восприимчивости усилителя 13 к выходному сигналу датчика 11 во время переходных процессов при переключенииключей генератора 1. Дифференциальныйусилитель 12 имеет выполненные каждыйна своем операционном усилителемикросхеме - два полностью идентичные по схеме, монтажу и параметрам пассивных элемента (особенно обратных связей), входных электрически симметричных канала усиления. Поэтомукоэффициент подавления синфаэных помех в данном усилителе весьма высок. Выход усилителя подсоединен к входу канала 14 отрицательной полярности и канала 15 положительной полярности амплитудного детектора 16.Между выходами каналов 14 и 15 амплитудного детектора 16 подключенымасштабные делители 17 напряжения. Коммутатор 18 предназначен для подключения того из масштабных делителей 17 напряжения, который соответствует диапазону шкалы упругого элемента, используемого при работе с прибором, С выходами коммутатора 18 соединены вход повторителя 19 напряжения положительной полярности ивход повторителя 20 напряжения отрицательной полярности. Коммутатор 21 имеет переключатели в режим "Измерение", соединяющие клеммы вольтметра 22 с выходами повторителей 19и 20, а также выход повторителя 19с одним из входов схемы 23 сравнения. Кроме того, выход повторителя 20 непосредственно соединен с аналоговым устройством 24 долговременной памяти.В режиме Память выходы устройства 24 и такого же устройства 25 для сигнала положительной полярности подключены через коммутатор 21 к клеммам вольтметра 22 вместо выходов повторителя 19 и 20, а выходыповторителей 19 и 20 подключены квходам устройства 24 и 25 долговременной памяти. Кроме того, к выходуустройства 25 постоянно подсоединен,резистивный делитель 26, выход кото-рого подан на другой вход схемы 23сравнения. Выход схемы 23 сравнения1185 цкюх) 1)аепеця счетс четиь л( Е 1)емец, Ус триства договременцой памяти сбрасываются нануль клавишей Стцрацие памяти вкоммутаторе 21. Также в коммутато 5ре 21 имеется клавиша сброса ца нульсчетчика времени,Генератор импульсов (фиг,2) состоит из четырех транзисторных ключей4-7, представляющих собой пары транзисторов противоположного типа проводимости. В каждой ларе-ключе увходящих в пару транзисторов базаодного соединена с коллектором другого, Ключ 4 состоит из транзисторов28 и 29, ключ 5 содержит транзисторы 30 и 31, ключ 6 - транзисторы32 и 33, а ключ 7 - транзисторы 34и 35. Транзисторы 29, 31, 33 и 35являются управляющими, а транзисторы 28, 30, 32 и 34 могут быть болеемощными, поскольку через них при выдаче генератором импульсов протекает ток нагрузки. Конденсатор 36 является управляющим для ключа 4,25конденсатор 37 - переходньп и служитдля передачи импульса от ключей 4 и5. Конденсатор 38 является управляющим для ключа 5. Резистор 39 и диод40 служат для передачи импульса науправляющие цепи ключа 7, а резистор41 и диод 42 - для той же цели в отношении ключа 6. Диоды 43 и 44 и резисторы 45 и 46 образуют зарядно-перезарядцые цепи конденсатора 36, Ту35же функцию выполняет и резистор 47.Диоды 48, 49 и 50, резисторы 4, 51и 52 образуют зарядно-перезарядныецепи конденсатора 38. Резистор 53входит вместе с резистором 47 также40в цепи заряда-разряда конденсатора37. Форма импульсов генератора показана ца фиг.З. Пауза между импульсами Т, где , - длительность ими льса. 45Генератор работает следующим образом.При включении схемы положительный потенциал, действуя через незаряженный конденсатор 36, закрывает диод 50 43. Все ключи остаются закрытыми и генератор находится в своем первом стабильном состоянии, соответствующим паузе в его работе. Потенциал на шинах 1 и 11 равен нулю, поскольку 55 эти шины соединены с нулевой обшей точкоц источников напряжения - стабилизаторов 2 и 3, Происходит заряд 130 4конденсатора 36 по пепи: шина поло- ) жительной полярности - диод 44 - резистор 45 - шина отрицательной полярности. Как только потенциал на обкладке конденсатора 36, соединенный с резистором 45, становится отрицательным по отношению к общей точке "0", диод 43 открывается и по цепи: шина отрицательцои полярности - резистор 45 - диод 43 - эмиттерно в базов пе - реход транзистора 29 - шина 1 - резистор 47 - общая "0" точка потечет ток, что приводит к лавинообразному открытию клю)а 4. Шина 1 оказывается соединенной с шиной положительного потенциала через транзистор 28. Положительньп потенциал с этой шины через переходньп транзистор 37, резистор 39, диод 40 подается на эмиттер транзистора 35, база которого через шину 11 и резистор 53 соединена с точкой "0. Это приводит к лавинообраэому открытию ключа 7 и подаче на шину 11 отрицательного потенциала шины стабилизатора 3 через транзистор 34, Открытие ключей 4 и 7 фактически является единым лавинообразным процессом в результате сложения соответствующих процессов для каждого из ключей.Указанный процесс переводит генератор во второе стабильное состояние, когда шина 1 имеет положительньп потенциал, а шина 11 - отрицательньп. Если длительность паузы при данной емкости С конденсатора 36 определяется сопротивлением резистора 45, то длительность второго стабильного состояния определяется тем же параметром резистора 46.Действительно, при открытом диоде 43 и ключе 4 связанная с диодом 43 пластинка конденсатора 36 может рассматриваться в качестве наглухо соеди;енной с шиной положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе Зб в момент открытия диода 43 было равно напряжению стабилизатора 2, то теперь потенциал обкладки конденсатора 36, связанной с диодом 44, становится вдвое вьппе этого напряжения, и диод 44 закрьвается. Начинается перезарядка конденсатора 36 по цепи: шина положительного потенциала - ключ 4 - диод 43 - конденсатор 36 - резистор 46 - шина отрицательного потенциала. Когда наВ момент закрытия диода 43 в конце второго стабильного состояния генератора, когда закрывается ключ 4, а также в результате снятия положительного потенциала с цицы 1 цапряжецием конденсатора 37 оказывается закрытым диод чО, что приводит к закрьтию ключа 7, закрываются также напряжением на конденсаторе 38 диоды 50 и 48. Начинается перезаряд конденсатора 38 ца цепи; шина полоО20253035 жительного потенциала - резистор51 - конденсатор 38 - диод 49 - эмиттерцо-базсвьц переход управляющеготранзистора 31 - шина 1 - резистор47 - общая точка "0" источников напряжения. Это приводит к лавинообразному процессу открывания ключа 5 иподачи на шину 1 через транзистор 30отрицательного потенциала, Последнийчерез переходный конденсатор 37, диод 42, резистор 41 подается (с учетомсоответствующего падения напряжения)на эмиттер транзистора 33, база которого через шину 11 и резистор 53 соединена с общей точкой "0" источниковнапряжения. Это приводит к протеканиютока через базо-эмиттерную цепь транзистора 33 и лавинообразному открытиюключа 6. Закрытие ключей 4 и 7 и открытие ключей 5 и 6 представляет собой единый лавинообразный процесс,переводящий генератор в его третьестабильное состояние,пряженне ца конденсаторе 36 становится близким к нулю, диод 4 открьвается, диод 43 закрывается, и начинается снова зарядка конденсатора 36 через резистор 45, определяющий длительность паузы. Однако генератор переходит не в состояние паузы, а в третье стабильное состояние.Во время первой после включения генератора паузы (как и во время последующих пауз) происходит практически мгноненная зарядка конденсатора 38 по цепи; общая точка "0" источников тока - резистор 47 - диод 50 - конденсатор 38 - диод ч 8. Во время второго стабильного состояния генератора также практически мгновенно происходи-. дозаряд конденсатора 38 до полного напряжения между шинами источников тока по цепи шина положительного потенциала - ключ 4 шина 1 - диод 50 - резистор 52 диод 48,В цач о т 3 ц г е о с аоцзос -1 о 5 ия потенциала ц обксе ое цциала 18, с о,цццци с:цодом 48Второе цжечем потециа" ца ицеотрицательного готеццала источниковнапряжения, диод 48 закрыт, Происходит церезаряд конденсатора 38 поцеп: ица положительного потенциаларезистор 51 - конденсатор 38 - диод49 - ключ 5 - шина отрицательного потециала. Когда напряжение ца конденсаторе 38 становится равным нулю, диод 48 открынается, диод 49 закрывается, ключ 5 закрывается, на шине 1восстанавливается нулевой потенциал,закрывается диод 42, а значит и ключб. Схема скачком переходит н исходноепервое стабильное состояние (состояние паузы),Длительность третьего стабильногосостояния при данной емкости конденсатора 38 определяется величиной сопротивления резистора 51, Общая продолжительность второго и третьегосостояний определяет длительность :мпульсов 1 (смфиг3). Поскольку дли -тельность положительной и отрицатепьной части импульса в конкретном исполнении подгонкой резисторов 51 и 56установлены равными, то пауза междуимпульсами составляет Т - 7 /2: Т,Устройство работает следующим образом.В исходном положении упругий элемент цифрового динаглометра, к которому подклеены тензорезисторы датчика 11 деформаций, не деформирован. Сигнал на выходе датчика деформаций равен нулю. Динамометр с помощью выведенных на лицевую панель клавишей коммутатора 21 устанавливается в режим "Память", Коммутатор 18 также клавишей подключается к тому из мас)штабных делителей напряжения, который соответствует пределу измерения используемого упругого элемента. Счетчик времени и каналы долговременной памяти соответствующими клавишами устанавливаются на нуль, При появлении деформации на выходе датчика 11 появляется импульсный сигнал, который после усиления усилителем 13 поступает ца амплитудный детектор 16. Лмпнитудный детектор 16 на выходе ныдает сигнап, который в момент прохождения импульсного сигнала, соответствующего наибольшей деформации,равен по абсолютной величине размаху (удвоенной амплитуде) этого импульсного сигнала, пропорционального максимуму приложенной силы и деформа 5 ции упругого элемента. Напряжение на выходе амплитудного детектора 16, таким образом, следит за величиной уменьшающегося импульсного сигнала с отставанием до десятых долей секунды, а за величиной увеличивающегося импульсного сигнала следит практически .без отставания. Из-за инерции цифровых вольтметров и человеческого глаза отставание показаний при умень шенин усилий существенного значения не имеет. В режим "Память" сигнал с выхода амплитудного детектора, пропорциональный усилию на упругом элементе, попадает через повторители 19 и 20 напряжения на каналы 24, 25 аналогового устройства долговременной памяти, выход которого подсоединен в режиме "Память" к вольтметру 22. Поэтому вольтметр показывает макси- р 5 мальное значение усилия, которое может быть записано вручную или с использованием вычислительной техники (перфоратора или цифро-печатающего устройства).30Затем клавишей коммутатора 21 динамометр переводится в режим "Измерение. В этом случае сигнал с выхода повторителей 19 и 20 напряжения поступает на вольтметр, который показывает текущее значение усилия, Делителем 26 напряжения задается усилие в долях от максимального, развитого испытуеькм. Испытуемому сообщается величина усилия, которую он должен развить и поддерживать.Следя эа индикатором вольтметра, испытуемый развивает заданное усилие, При этом величина напряжения на выходе повторителя 19, подаваемого через коммутатор 21 на схему сравнения 23, становится больше, чем напряжение, подаваемое на другой вход схемы сравнения 23 от делителя 26, Схема сравнения 23 выдает сигнал, разрешающий счет времени. Счет времени происходит до тех пор, пока испытуемый развивает усилие большее или равное заданному. При снижении усилия до меньшей величины схема сравнения 23 выдает сигнал, который запрещает работу счетчика времени, поскольку полярность напряжения на входе схемы 23 изменяется при этом на противоположную. Таким образом, счетчик времени показывает время выдержки усилия,Цикл испытания может быть проведен неограниченное количество раз.