Частотный преобразователь для тензодатчиков

,1320 5 4 С 01 В. 2 ТЕТ СССРИ ОТНРЫТИЙ Сцъч,В 13,", ВаИ 11: -ЭОБРЕТЕ СА ИДЕТЕЛЬСТ ОРСКОМ(54) ЧАСТОТНЪЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯТЕНЗОДАТЧИКОВ(57) Изобретение может быть использовано в измерительных устройствах М ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НО ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИ лля измерения силы и давления. Преобразователь содержит опорный генератор 1, два тензорезисторных моста 2 и 3, Фильтр 4 верхних частот, сум матор 5, однополюсные смесители 7, 8, 1 и 13, псрестраиваемый генератор 9, частотозависимый Фазовращатель О, резонансный усилитель 12, фазовый детектор 14 и блок 15 управления частотой перестраиваемого генератора. Введение тензорезисторн го моста 3, сумматора 6 и образование новых функциональных связей повышают точность измерения путем повыщения крутизны и линейности харак теристики преобразования. 1 ил.1370608 ОИзобретение относится к измерительной технике, а именно к частотным преобразователям для тензодатчиков, и может быть использовано в измерительных устройствах для измерения силы или давления.Цель изобретения - повьппение точности измерения путем повыщения крутизны и линейности характеристики преобразования.На чертеже представлена блок-схема преобразователя. Устройство содержит опорный генератор 1, два тензорезисторных моста 2 и 3, фильтр 4 верхних частот, два сумматора 5 и 6, первый 7 и второй 8 однополюсные смесители, перестраиваемый генератор 9, частотоэависимый фа эовращатель 10, третий однополюсный смеситель 11, резонансный усилитель 2, четвертый однополюсный смеситель 13, а также фазовый детектор 14 и блок 15 управления частотой перестра иваемого генератора. При этом вход опорного генератора 1 соединен с входами тензореэисторных мостов 2 и 3, выходы которых подключены к первым входам сумматоров 5 и 6 соответ ственно, и с входом фильтра 4 верх - них частот, подключенного выходом к вторым входам сумматоров 5 и 6, выходы которых соединены с первыми входами первого 7 и второго 8 одно- полосных смесителей соответственно, выход первого однополосного смесителя 7 подключен к входу четвертого однополосного смесителя 13. Второй 8 и третий 11 однополосные смесители 40 11, резонансный усилитель 12 и четвертый однополосный смеситель 13, выход которого соединен с вторым входом третьего однополосного смесителя 11, включены последовательно. Кроме того, выходы опорного генератора 1 и резонансного усилителя 12 соединены соответственно с первым и вторым входами фазового детектора 14, выход перестраиваемого генератора 9 подключен к второму входу второго однополосного смесителя 8, а фазовый детектор 14, блок 15 управления частотой перестраиваемого генератора перестраиваемый генератор 9 и часто" тоэависимый фазовращатель 10, выход которого подключен к второму входу первого однополосного смесителя 7, соединены последовательно. Тензорезясторные мосты состоят иэ резисторов, включенных по мостовой схеме (так называемые четырехполюсники с перекрестными связями ), причем один или несколько резисторов являются датчиками измеряемой физической величины, например давле - ния. Тензореэисторные мосты выполнены таким образом, что воздействие измеряемой физической величины дифференциально изменяет их коэффициенты передачи, т.е. одно и то же измеряемое воздействие (например, давление) приводит к равным по абсолютной величине, но противоположным по знаку изменениям их коэффициентов передачи, причем в стационарном состоянии один иэ тензорезисторных мостов сбалансирован, а другой раэбалансирован или оба тензорезисторных моста сбалансированы.Однополосные смесители 7, 8,11 и 3 выполнены по фильтровой или фаэокомпенсационной схеме. В первом случае для выделения колебаний либо с суммарной, либо с разностной частотой используется фильтр, установленный на выходе перемножителясмесителя ) сигналов. Во втором случае выделение одной боковой полосы осуществляется благодаря соответствующему включению двух или трех перемножителей и двух или трех фазовращателей в однополосном смесителе. Кроме того, частотоэависимый фаэовращатель выполнен таким образом, что фазовый сдвиг в нем прямо пропорционален частоте входных колебаний. В качестве частотозависимого фазовращателя может быть установлена, например, линия задержки.Устройство работает следующим образом.С выхода опорного генератора 1 колебание с частотой ы, поступает на входы первого 2 и второго 3 тензорезисторных мостов и одновременно на вход фильтра 4 верхних частот. С выходов тенэорезисторных мостов 2 и 3 колебания поступают соответственно на первые входы первого 5 и второго 6 сумматоров, на вторые входы которых поступает колебание с выхода фильтра 4 верхних частот. Тензорезисторные мосты 2 и 3 и фильтр 4 верхних частот, входы которых сое1370608 10 15 20 25 3035о"агс 18 где Кц 7 Ки н К динены, и сумматоры 5 и 6, подключенные первыми н 7 Содами к выходам первого 2 и второго 3 тензорезисторныхмостов соответственно, а вторымивходами - к выходу фильтра 4 верхнихчастот, образуют частотоэанисимыйфаэовращатель, величины фаэоньм сднигов на ньмодах ксторого относительно входного колебания определяютсязначениями коэффициентов передачитензорезисторных мостов. В стационарном состоянии при отсутствии измеряемого воздействия первый тенэорезисторный мост 2 сбалансирован иего коэффициент передачи равен нулю,при этом фазовый сдвиг колебания навыходе первого сумматора 5 по отношению к колебанию на входе фазовращателя г= агс 18 1/ гдепостоянная времени фильтра 4 верхнихчастот (прп условии использованияфильтра верхних частот первого порядка ). В то же время второй тензорезисторный мост 3 находится н состоянии, напржер, максимального разбаланса и его коэФфициент передачиравен некоторому максимальному значению, при этом фазовый сдвиг колебания на выходе второго сумматора 6по отношению к колебанию на входефазовращателя нкап агс 1 а 1 р = агсг.8 --- " Фт Кц+ сон К, коэффициент передачи второго тензорезисторнаго моста 3;максимальное значение40 коэффициента передачи нторого тенэорезисторного моста;- модуль коэффициента передачи фильтра 4 верхних частот. С ныходов первого 5 и второго 6 сумматоров колебания поступают на входы первого 7 и второго 8 однополосньм смесителей, На второй вход второго однополосного смесителя 8 поступает колебание с выхода перестраинаемого генератора 9. Одновременно колебание с выхода перестраиваемого генератора 9 через частотозависимый фазовращгтель 10 поступает на второй вход первого однополасного смесителя 7. Колебания с выходов второго 8 и первого 7 однополосных смесителей поступают на входы третьего 11 и четвертого 13 однаполосных смесителей соответственно, Выход третьего однополосного смесителя 11 г одключен к входу резонансного усилителя 12, выход которого соединен с нторьи входом четвертого однополосного смесителя 13. подключенного выходом к второму входу третьего олнополосного смесителя 1. Выход резонансного усилителя 12 подключен к второму входу четвертого однополосного смесигеля 13 и к входу фазового детектора 14. Включенные в кольцевое соединение третий однаполосный смеситель 11, резонансный усилитель 12 и четвертый однополосный смеситель 13, ныход которого соединен с вторым входом третьего однопалосного смесителя 11, образуют автоколебательную систему, н которой в стационарном состоянии при выполнении условий баланса фаз и амплитуд существуют устойчивые колебания с частотой, равной частоте ы, опорного генератора,На входы фазового детектора 14 поступают колебания одинаковой частаты. вследствие чего управляющеенапряжение на его ныходе равно нулюи блок 15 управления удерживает значение частоты перестраиваемого генератора 9 равным номинальному ы.При этом на выходах первого 7 и второго 8 однополосных смесителей ныделяются колебания с частотой ы, + ы,7равной сумме (или разности ы, - ю,и , - ы, на выходах смесителей 7 и8 соответственно ) частот колебаний,поступающих на их входы,В последовательно соединенных однополосных смесителях 13 и 11 происходит возвратное гетеродиниронание колебаний. На выходе смесителя 11 выделяется колебание с частотой 2 о, + +г 7 равной сумме (или разности 2 Ы - ы, ) частот колебаний, посту - пающих на его входы. На выходе смесителя 12 вь 7 деляется колебание с частотой ы равной разности (или сумме ) частот колебаний, поступающих на его входы. В результате возвратного гетеродинирования на нЪмоде однополосного смесителя 11 выделяется колебание, сдвинутое по фазе относительно колебания на выходе резонансного усилителя 12 на величину- М - Р - +ы си ,1 ф,З сне ф ф пго в +Ц -Р -ЫЛ 4 4 рт,м, сев ф 1 Рф пго- суммарный фазовыйсдвиг колебания вцепях фильтрации смесителей 7,11 и 13;- фазовый сдвиг колебасм 6ния в цепях фильтрации смесителя 8; 1где К = О, 1, 2,;- фазовый набег колебания вРУрезонансном усилителе.В стационарном режиме на выходеперестраиваемого генератора 9 существует колебание с номинальнойчастотой Ф, соответствующей нулевому коэффициенту передачи первоготензореэисторного моста 2 и максимальному значению коэффициента передачи второго тенэорезисторного моста 3 в отсутствие измеряемого воздействия,В динамическом режиме при наличии измеряемого воздействия первыйтенэорезисторный мост 2 раэбалансирован и его коэффициент передачи отличен от нуля, второй тензореэисторный мост 3 также раэбалансирован изначение его коэффициента передачинесколько меньше максимального. Приэтом на первые входы сумматоров 5и 6 подаются колебания, прошедшие свыхода опорного генератора 1 черезтензореэисторные мосты 2 и 3 соответственно.Колебания на вторых входах сумматоров 5 и 6 формируются так же, каки при отсутствии измеряемого воэ 67 - групповое время запаз-,дывания сигнала в частотозависимом фаэовращателе 10,С учетом укаэанных фазовых соотношений условие баланса фаэ для автоколебательной системы, образованной включенными в кольцевое соединение третьим однополосным смесителем 11, резонансным усилителем 12 и четвертым однополосным смесителем 13, можно представить в виде К 11 п г 1- + совагсгК ;Ко действия. Суммарные колебания навыходах сумматоров 5 и 6 приобретаютфазовые сдвиги по отношению к колебанию на выходе опорного генератораравные: в 1 п агсг 8 агсТ 8 Ф Кв 1 пагсЩагсЩфг- . + совК 1К где чф, цф, - фазовые сдвиги на выф 1 ф фгходах сумматоров 5 и6 соответственно;К, - коэффициент передачипервого тензореэисторного моста 2;К, - коэффициент передачивторого тенэореэисторного моста 3;К- модуль коэффициентапередачи фильтра 4верхних частот.Изменение измеряемой физической величины приводит к изменению вели1 37 0608 чин коэффициентов передачи тензорезисторных мостов 2 и 3. Это вызываетизменение фазовых сдвигов на выходахсумматоров 5 и 6. Частота автоколебаний в автоколебательйой системе,образованной включенными в кольцевоесоединение блоками 11 - 13, отклоняется относительно номинального значения, так как условие баланса фаэ выполняется на другой частоте. здпагсгагсгц- + совК1агсдр -- -ло+ созагсЩ --- -ло агсеК 1 к,Иэ выражений Г 1 и (2) следует,что приращение частоты перестраиваемого генератора 9, вызванное измеряе мым воэдействием; 1здпагсТц в 111 о"т -- + агсглК 1 о 1о- + созагсщ - о1вдпагсЩ - - - 1 мо- агсгК 11 в + совагсг в в ,-1+ совагсЩЫовдпФормула изобретения 50Частотный преобразователь длятенэодатчиков, содержащий последовательно соединенные опорный генератор,тенэореэисторный мост и сумматор, атакже фильтр верхних частот, входкоторого соединен с входом тенэорезнсторного моста, а выход - с вторым входом сумматора, первый однополосный смеситель, последовательносоединенные второй и третий одно" где К = О, 1, 2,При этом величины фазовых сдвисм 7,11,1 ф см ВГОВ 1 Ч иостаются првк -РУтически неизменными. Иэ выражения (3) следует, что изменение частоты перестраиваемого генератора зависит от величин коэффициентов передачи К, и К, тензоре. зисторных мостов, а следовательно, от измеряемого воздействия, например силы или давления.Аналогичное соотношение можно по" лучить для случая, когда оба тензорезисторных моста сбалансированы в стационарном состоянии. На выходе фазового детектора 14 при этом появляется управляющий сигнал, который поступает на блок 15 управления. Блок 15 управления перестраивает генератор 9 на величину Ь 1 с 1 так что условие баланса фаэ в 1 сПГ фавтоколебательной системе, образованной блоками 11 - 13, снова выполняется на частоте 1,1, . Условие баланса фаэ в этом случае принимает видЗаказ 417/47 Тирах 772 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г.укгород, ул. Проектная, 4 полосные смесители, последовательно соединенный фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом опорного генератора, блок управления частотой перестраиваемого генератора, перестраиваемый генератори частотозависимый фазовращатель, атакыре четвертый однополосный смеситель и резонансный усилитель, выход 10которого соединен с вторым входомфазового детектора, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в негодополнительно введены последовательно соединенные второй тензорезисторный мост и второй сумматор, второйвход которого соединен с выходомфильтра верхних частот, а выход соединен с первым входом второго одно полосного смесителя, причем входвторого тензорезисторного мостаподключен к входу фильтра верхнихчастот, первый и второй входы первого однополосного смесителя соединены с выходами первого сумматора ичастотозависимого фазовращателя соответственно, а выход подключен кпервому входу четвертого однополосного смесителя, выход перестраиваемого генератора соединен с вторымвходом второго однополосного смесителя, выход четвертого однополосногосмесителя, второй вход которого подключен к выходу резонансного усилителя, соединен с вторым входом третьего однополосного смесителя, подключенного выходом к входу резонансного усилителя.