Способ измерения механических величин

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А 1 091 (10 ЕНИЯ ДЕТЕЛЬСТ РСНОМ изтоэластичноНа фиг. жений; на ф варианта ус данный спос азователя.ны эпюры напря преоображ руктурная схем реализующего.2 -ойств ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ И(56) Авторское свидетельство СССР У 629508, кл. С 01 К 19/22, 1977.Авторское свидетельство СССР У 541094, кл. С 01 1. 1/04, 1977. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН(57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения, обеспечение линейной зависимости мЕжду входной и выходной величинами. Способ измерения механиИзобретение относится к измерению механических величин, в частности усилий, давлений, вибраций, деформаций и т.д., и может быть использовано при измерении как постоянных, так и переменных механических величин.Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения, а также обеспечение линейной зависимости выходной величины от входной при использовании в измерениях сегне(51)5О 11/00 1 12 ческих величин, заключающийся в том,что при проведении измерений механических величин с помощью сегнетоэластичного датчика вьделяют характеристические интервалы времени, ограниченные моментами перехода управляющего сигнала треугольной или трапециевидной формы через сформированныйопорный уровень с одной стороны и моментами появления импульсов на выходном сигнале датчика с другой стороны,причем характеристические интервалывыделяются без приложения к датчикунагрузки, при приложении к датчикуэталонной нагрузки и при приложениик датчику измеряемой нагрузки илимеряемой нагрузки и эталонной одновременно, что определяет три тактаизмеренийПо найденным интерваламопределяют измеряемую нагрузку.2 ил. Сущность способа заключается в ай том, что в процессе измерения, кото- фЬ рый состоит иэ трех тактов, на элект- ф) рические входы сегнетоэластичного Ф цатчика подают биполярный управляющий сигнал треугольной или трапециевидной формы, формируют короткие импульсы вмоменты времени С,1, э Си ь перехода управляющего сигнала через опорный уровень, нормируют по знаку, амплитуде и длительности выходные импульсы сегнетоэластичного датчика, затем в первом тактеизмерения в положительный и отрицательный полупериоды управляющего сигкала выделяют, измеряют и запоминают соответственно временные интерва,Пы ДС= Е - С:и ДЕ, = 1 - , ограниченные сверху моментами времеЙи сипоявления выходных им 1пульсов сегнетоэластичного датчика без приложения к нему внешней механической величины, во втором такте и в по-, ложительный полупериод управляющего сигнала выделяют, измеряют и запомина ют временной интервал Д,с, =С -9ограниченный сверху моментом времени 1 появления выходных импульсов1Ясегнетоэластичного датчика при приложении к нему нормированной механи ческой величины, в третьем такте в положительный полупериод управляющего сигнала выделяют, измеряют и запоминают временной интервал М 44ограниченный сверху мо ,ментом времени Г 4 появления выходных импульсов сегнетоэластичного датчика при приложении исследуемой механической величины, причем выделенные интервалы времени снизу ограничивают 25 соответственно моментами времении 4 перехода управляющего сигнала через опорный уровень: для первого такта - как в положительном, так и в отрицательном направлениях, 3 О а для второго и третьего тактов только в положительном направлении, затем находят характеристические интервалы времени, М = Ь 1.Д11 и Дс = Д г 44 - Д 1 1 на основании которых определяют значение исследуемой механической величины по выраже, ниюР Р (Д Й 1) (1) для случая, когда в третьем такте измерения действие нормированной механической величины не исключают, а наоборот, слагают с действием исследуемой механической величины или по выражению 45Р = РД 1, /ДС 1 (2)для случая, когда в третьем такте измерения действие нормированной механической величины на сегнетоэластичный датчик исключают, Один из вариантов устройства реализации данного способа представлен на фиг.2.Устройство содержит датчик 1, генератор 2 пилообразного напряжения, формирователь 3 импульсов, логический элемент И-НЕ 4, первый триггер 5, компаратор 6, измеритель 7 временных интервалов, арифметическое устройство 8, отсчетно-регистрирующее устройство 9, входную клемму 10 сигналовавтоматического управления АУ, управляемый делитель 11 напряжения, источник 12 опорного напряжения гене 1ратор 13 одиночных импульсов (с ручным управлением), логический элементИ-НЕ-ИЛИ 14, триггер 15, счетчик 16импульсов, первый дешифратор 17, индикатор 18 тактов измерения, цифроаналоговый преобразователь 19, первый одновибратор 20, дополнительныйсчетчик 21 импульсов, второй дешифратор 22, логический элемент ИЛИ 23,второй одновибратор 24, трехполюсныйпереключатель 25, первое и второезапоминающие 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 деления, блок 37 перемножения и задатчик 38 чисел.Устройство работает следующим об-.разом,На управляющие входы сегнетоэластичного датчика 1 поступает биполярный управляющий сигнал треугольнойили трапециевидной формьГ с первогои второго выходов генератора 2 пилообразного напряжения (см.фиг.2 и 1).Одновременно сигнал с первого выхода генератора 2 поступает на второй вход компаратора 6, на первыйвход которого 1 как и на 11 суммирующий 11вход генератора 2, поступает сигналопорного уровня с выхода управляемогоделителя 11 напряжения. Этот сигналв начальный момент времени по своемузначению может быть близким к нулю,Поп=ОС помощью компаратора.6 формируются короткие импульсы (см.фиг.1,а) вмоменты времени перехода управляющегосигнала датчика через опорный уровень Б , т.е. в моменты: времени1 1 ГуСз 11 д СиЭти импульсьНВ 11 11,ф Ъ 1 4 ф, 5предназначены для установки триггера 5 в единицу.Поскольку чувствительный элементсегнетоэластичного датчика 1 имеетпрямоугольную петлю гистерезиса, то вмоменты времени ,ьй,11 Су 1 З 1"4 и(см.фиг.1,б,в,г) на выходе сегнетоэластичного датчика 1 появляются разнополярные импульсы, которые поступают на входы формирователя 3, С помощью формирователя 3 формируютсяоднополярные выходные импульсы датчика 1 (см.фиг.2,б,в,г)Эти импульсы поступают на входустановки нуля триггера 5 в указанные моменты времени, устанавливаяего в нулевое (исходное) состояние,Устройство готово к работе,Перед началом измерения исследуемой механической величины, когда надатчик 1 механическая величина невоздействует, устанавливают режимкоррекции" измерительного устройства,Это осуществляется путем .переводатрехполюсного переключателя 25 в положение, противоположное уыазанномуна фиг,2 а. В этом положении трехполюсного переключателя 25 осуществляют установку опорного уровня, а следовательно, и смещение управляющегосигнала на +Бпутем изменения коэффициента передачи делителя напряжения 11, выполненного, например, в виде резистивного моста постоянного тока,Установку опорного уровня Б производят до момента равенства временных интервалов ЬТ и Ь Сн, которыйконтролируется по показанию нульиндикатора 29.Процесс установки равенства временных интервалов, а следовательно,и опорного уровня осуществляется следующим образом. С выхода. генератора 13 одиночных импульсов поступаетодиночный импульс, соответствующийлог,1", который разрешает прохождение выходного импульса компаратора 6на вход установки единицы триггера 1(см.фиг.2 а). В результате триггер 15переводится в состояние лог. "1" навыходе,Если в начальный момент временитриггер 5 находился в состоянии нуляна его выходе, то первый же импульс,прошедщий логический элемент И-НЕ 4с выхода компаратора 6, установиттриггер 5 в состояние лог."1" наего выходе. Согласно способу заэтим импульсом последует выходной импульс датчика 1, соответствующий моменту времени равенства мгновенногозначения управляющего сигнала и коэрцитивного напряжения. В результатес помощью триггера 5 формируетсяпрямоугольный импульс. длительностью,например, йяц =- Ея, который поступает на вход измерителя 7 временных интервалов и на вход первого 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 одновибратора 20. С помощью измерителя 7 временных интервалов измеряется длительность этого импульса. Результат измерения в вице, например,цифрового кода поступает на первыевходы арифметического устройства 8,первого и второго запоминающих устройств 26 и 27.Выходной импульс триггера 5 (длительностью М я) запускает одновибратор 20 (см.фиг.2). Последний формирует счетные импульсы постоянной длительности и крутизны фронтов, которые подсчитываются счетчиком 21 импульсов. На выходе счетчика 21 установлен дешифратор 22, преобразующийвыходной код счетчика 21 в позицион.ный код на четыре направления,При поступлении первого импульса( Ь Ся) на первом выходе дешифратора 22 появляется сигнал, разрешающийзапись результата измерения Х взапоминающие устройства 26 и 31(см.фиг.2 а,б),Как видно из эпюр напряжений,представленных на фиг.1,а,б, в момент времени 1 очередной импульс свыхода компаратора 6 поступает через логический элемент И-НЕ 4 навход установки единицы триггера 5.Запрета на его прохождение нет, таккак триггер 15 по-прежнему находитсяв состоянии лог. "1" на его выходе.На выходе триггера 5 устанавливаетсяуровень, соответствующий лог."1".Затем в момент временис выхода формирователя 3 на вход установки нуля триггера 5 поступает новыйимпульс, который устанавливает триггер 5 в состояние лог,"1" на его выходе,В результате на выходе триггера 5формируется второй прямоугольный импульс длительностью А С =(см.фиг.1 д).Прямоугольный импульс длительностью 6 й поступает, как и предыдущийимпульс длительностью ЬС , на измеритель временных интервалов 7 и наодновибратор 20. При поступлении навход счетчика 21 через одновибратор 20 второго импульса на втором выходе дешифратора 22 появляется сигнал, разрешающий запись результатаизмерения Бц временного интервалаМв запоминающее устройство 27(см.фиг.2 а) и сбрасывающий счетчик 21С помощью вычитающего устройства 28определяется разность чисел, запи 1571436санных в запоминающие устройства 26 И 27. Результат вычитания БЬ= Нн - - Мц с помощью цифроаналогового преобразователя 19 преобразуется в анало 5 Говый сигнал У, который поступает йа нуль-индикатор 29, обеспечивая контроль за моментом времени достижеНия равенства временных интервалов ЬС и Ьц . Причем в каждый периодНнуправляющего сигнала в запоминающие устройства 26 и 27 записываются коды1чисел Бц и Н отличные от первоначальных, полученных до изменения коэффициента передачи управляемого делителя 11 напряжения при формировании опорного уровня. При достижении нулевого показания нуль-индикатоРа 29 (Б Ь =О) трехполюсный переключатель 25 устанавливается в положе ние, указанное на фиг.2 а. Прибор готов к измерению. Формирование опорного уровня необходимо для достижения высокой чувствительности и точности измерениямеханических величин, расширения динамического диапазона измеряемых величин и исключения влияния усилия,создаваемого силовводящим элементом 30сегнетоэластичного датчика. Действиепоследнего в некоторых сегнетоэластичных датчиках компенсируется конструктивным решением, В этом случаечувствительный элемент датчика имеетсимметричную петлю гистерезиса относительно осей координат, Тогда временные интервалы Ь 1и Ьй н формируются равными по длительности, а в качестве опорного уровня используют нулевой уровень,Если конструкция датчика не обеспечивает компенсацию укаэанного усилия, то формируют опорный уровень,при котором Ь 1 д = Ь. Причем равен ство временных интервалов Ьии Ьопри формировании опорного уровня достигается за счет смещения управляющего сигнала на постоянный уровень,который используют в качестве опорного уровня. Направление смещениязависит от знака разности временныхинтервалов Е д и ЬСам процесс измерения состоит иэтрех тактов. Причем в первый, второй55и третий такты получают результатыизмерения: 1) без приложения к датчику механической величины; 2) с приложением нормированной механической величины и 3) с приложением к датчику исследуемой механической величины.В положении трехполюсного переключателя 25, укаэанном на фиг.2 а, триггер 5 переводится в состояние лог."0" на его выходе; в первый такт измерения - после прохождения первого и второго прямоугольных импульсов на счетчик 21, а во второй и третий такты - после прохождения третьего и четвертого импульсов (см.фиг.1 д).Для получения результатов измере" ния временных интервалов ЬСцц и ЬТ при установленном значении опорного уровня в первом такте измерения вручную запускают генератор 13 одиночных импульсов. Процесс формирования и измерения временных интервалов Ь 1 и и 4 С, вновь повторяется, В первый такт измерения в запоминающее устрой-, ство 31 запишется код числа М;,щ= Н, соответствующийустановленному опорному уровню УПосле окончания первого такта измерения вручную или автоматически к сегнетоэластичному датчику 1 прикладывают нормированную механическую величину Ро, цифровой эквивалент Ня которой устанавливают на втором выходе задатчика чисел 38.После приложения нормированной механической величины Р вновь запускают генератор 13 одиночных импуль-. сов и процесс измерения повторяется аналогичным образом. Во втором такте измерения формируют и измеряют временной интервал Ьй (см.фиг.1,д), ограниченный моментами времении С (см.фиг,1,а,в).Результат измерения Вд записывается в запоминающее устройство 30, цоскольку при поступлении третьегб импульса на счетчик 21, разрешающий потенциал появится на третьем выходе дешифратора 22, а следовательно, и на управляющем входе запоминающего устройства 30.С помощью первого вычитающего устройства 33 результаты измерения временныщ интервалов, записанные в запоминающих устройствах 30 и 31 вычитаются. Код числа Н = Н - Ынс выхода вычитающего устройства 33 поступает на вход "Делитель" блока 36 деленияВо втором такте измерения триггер 15 устанавливается в состояние лог. "1 на его выходе только на вреФ О р м у л а изобретения 9 15мя формирования с помощью триггера 5 .одного прямоугольного импульса длительностью(см.фиг.1,д),По окончании второго такта измерения вручную или автоматически к сегнетоэластичному датчику прикладываетсяисследуемая механическая величина РНормированная механическая величинаР в рассматриваемом случае. не снимается. Процесс измерения в третьемтакте измерения повторяется аналогичным образом, как и во втором такте.Результат измерения М 44 временного интервала АС 44 - 4 - йпоступает в запоминающее устройство 32, так какчетвертый импульс, поступивший насчетчик 21, обеспечивает появлениеимпульса разрешения записи на четвертом выходе дешифратора 22, соединенном с управляющим входом запоминающего устройства 32.Код числа И 44 поступает с выходазапоминающего устройства 32 на вход"Уменьшаемое" второго вычитающегоустройства 34. С выхода последнего код числа И = И 44 - Инпоступаетна вход "Делимое" блока 36 деления.В результате деления двух чисел(Ии М) на вход пуменьшаемоеи третьего вычитающего устройства 35 поступит код числа Б,= Б/И 1, а навход "Вычитаемое" - код единички,С выхода третьего устройства 35 вычитающего на вход "Множимое" блока 37перемножения поступит код числаИ = М, - 1. На вход "Множитель" блока 37 поступает код числа И, эквивалентный нормированной механическойвеличине.С помощью блока 36 перемноженияобеспечивается получение результатаизмерения в тех же единицах, что иизмеряемые механические величины.С выхода блока 37 перемножения кодчисла И= Б -Ия поступает наотсчетно-регистрирующее устройство 9, которое отображает результат измеренияисследуемой механической величины вцифровом виде.Подставим значения И и Ид в выражение для М через Н и И 1. Тогдаполучим МИ (- -- 1) ИНф(3) что соответствует выражению (1).Индикатор 18 тактов измерения представляет собой схему с тремя светодиодами, соответственно числу так 71436 10тов измерения, которые поочереднозагораются после окончания каждогоиз трех тактов измерения. Это необходимо для визуального контроля окончания каждого такта измерения, готовности прибора к последующему такту измерения и принятия решения по установке на датчик 1 нормированной илиисследуемой механических величин. Управление индикацией осуществляютпосредством счетчика 16 и дешифратора 17. Следует отметить, что сформированная указанным образом первая паРа временных интервалов содержИтсебе информацию об отсутствии воздействия на сегнетоэластичный датчиквнешней механической величины, а также информацию о степени асимметриипетли гистерезиса, вызванной, например, усилием силовводящего элементадатчика или асимметрией управляющегосигнала, т.е. информацию о систематической погрешности измерения. Временной интервал 11 содержит информациюкак о степени асимметрии петли гистерезиса и управляющего сигнала, так ио значении нормированной механическойвеличины Р . В целом временной интер О вал Ьсодержит инФормацию как онормированной механической величине,так и о систематической погрешностиизмерения. Временной интервал ЬС 44сформированный в третий такт измерения, содержит информацию как О систематической погрешности измерения,так и о значении исследуемой механической величины Р . Способ измерения механических величин, заключающийся впоочередном приложении к чувствительному элементу 45 сегнетоэластичного датчика нормированной и исследуемой механических величин, предварительно преобразованныхв сосредоточенное усилие, в измерении временных параметров выходного 50 электрического сигнала датчика и определении измеряемой механическойвеличины по определенному алгоритму,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения чувствительности и 55точности измерения, а также Обеспечения линейной зависимости выходной величины от входной, при измерении временных параметров сначала на электри ческие входы сегнетоэластичного дат 1115 чика подают биполярный управляющий сигнал треугольной или трапециевидной, фбрмы, формируют короткие импульсы в мрменты времени йн,Г 1 фЗ 4 з и,; 1 перехода управляющего сигнала через опорный уровень, нормируют по зеваку, амплитуде и длительности выходные импульсы сегнетоэластичного датчика, затем в режиме настройки в цоложительный и отрицательный полупериоды управляющего сигнала выделяют, змеряют и добиваются равенства вреенных интервалов М н= йн - г.н и1- й 1, ограниченных сверхуФ4оментами времени йни 1 появления ыходных импульсов сегнегоэластичноо датчика без приложения к нему внешней механической величины, затем в первом такте измерения в положительный полупериод управляющего сигнала йьщеляют, измеряют и запоминают временной интервал Ь 1 И , во втором таке в положительный полугериод управляющего сигнала выделяют, измеряют и апоминают временной интервал 6 м =ограниченный сверху моментом времени й появления выходных Импульсов сегнетоэластичного датчика Ори приложении к нему нормированной механической величины Ро,в третьем1143 б12 такте в положительный полупериод управляющего сигнала вьщеляют, измеряют и запоминают временной интервалЬ 144 " С 4 - С 4 , ограниченный сверху 5 моментом времени С 4 появления выходных импульсов сегнетоэластичного датчика при приложении исследуемой механической величины Р 1 причем выделенные интервалы времени снизу ограничивают соответственно моментами времени Сн,11,С и С 4 перехода управляющего сигнала через опорный уровень для первого такта в положительном и отрицательном направлениях, а для второго и третьего тактов положительном направлении, затем находят характеристические интервалы времени 6 г.н = ЙС - 6 С нн и М, 20 = 6144 -Ьйн определяют значение ис" следуемой механической величины по выражению Р = Р ( Ь, Й н - 1)для случая, когда в третьем такте измерения действие нормированной механической величины слагают с действием исследуемой механической величины,по выражению Р= Р М 1 / А И когда в третьем такте измерения действие нормированной механической величины на сегнетоэластичный датчик ,исключают, йм ЯЪ ЛдСоставитель А,КокаревРедактор А.Долинин Техред И,Дцдык Корректо вку Подписно цраж ч 8 ССР ри ГК 31 13оиэводственно-издате.н скнй комбинат Патент , г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Заказ 1505ЯИИИПИ Госуда енного комитета по изобретениям и открытия 13035, Москва, ЖРаушская наб д. 4/5