Патент на изобретение №2238570

(54) МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к тензометрии, и может использоваться в качестве преобразователя сигналов мостовых тензорезисторных датчиков. Технический результат заключается в повышении чувствительности мостового преобразователя и увеличение величины выходного сигнала мостового преобразователя. Преобразователь сигналов мостовых датчиков (МД) содержит источник питания МД, подключенный к одному выводу питающей диагонали МД, и операционный усилитель (ОУ), выход которого соединен с другим выводом питающей диагонали МД, а инверсный вход – с одним выводом выходной диагонали МД, причем между сопротивлением другого вывода выходной диагонали МД и неинверсным входом ОУ включен делитель напряжения (ДН); ДН выполнен в виде двух, последовательно соединенных резисторов. Так как выход ДН нагружен на очень высокое входное сопротивление ОУ, сам ДН всегда может быть выполнен с использованием высокоомных резисторов, что позволит практически не нагружать выходную диагональ МД и избежать влияния сопротивления выходного провода МД на результат преобразования. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к тензометрии, и может быть использовано в качестве преобразователя сигналов мостовых тензорезисторных датчиков.

Широко известен мостовой преобразователь с источником питания, подключенным к питающей диагонали моста, и выходным сигналом, снимаемым с выходной диагонали моста (Хорна О. Тензометрические мосты. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, рис.1). Однако сопротивление соединительных проводов и их вариации вносят существенные погрешности в результат преобразования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является мостовой преобразователь, приведенный на фиг.1, содержащий источник питания моста I/E (генератор тока или генератор напряжения), подключенный к одному выводу питающей диагонали моста R1/R2/R3/R4, и операционный усилитель У, выход которого соединен с другим выводом питающей диагонали моста, а инверсный вход – с одним выводом выходной диагонали моста, неинверсный с общей шиной устройства (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980, рис.5-12в, стр.124 и рис.5-14а, стр.128). В таком мостовом преобразователе значительно уменьшены погрешности от влияния сопротивлений соединительных проводов и их вариаций, источник питания моста связан с общей шиной устройства, выходной сигнал преобразователя снимается относительно общей шины устройства.

При источнике питания моста, представляющем собой источник напряжения Е, выходной сигнал U мостового преобразователя равен:

(см. там же, формула 5-13).

Для рабочего дисбаланса моста:

R1=R+R; R2=R-R; R3=R+R; R4=R-R,

выходной сигнал имеет вид:

.

При источнике питания моста, представляющем собой источник тока I, выходной сигнал U мостового преобразователя равен:

Для рабочего дисбаланса моста здесь выходной сигнал имеет вид:

U=IR.

Однако выходной сигнал U такого мостового преобразователя имеет малую величину, что, как известно, для большинства задач недостаточно, и требуется дополнительно вводить усилительные устройства, которые неизбежно вносят свои дополнительные погрешности (в частности, например, увеличивают шумовую составляющую полезного сигнала и соответствующий его дрейф).

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности мостового преобразователя.

Техническим результатом изобретения является существенное, например в 10 раз, увеличение выходного сигнала мостового преобразователя.

Технический результат достигается тем, что в мостовом преобразователе, содержащем источник питания моста, подключенный к одному выводу питающей диагонали моста, и операционный усилитель, выход которого соединен с другим выводом питающей диагонали моста, а инверсный вход с одним выводом выходной диагонали моста, между другим выводом выходной диагонали моста и неинверсным входом операционного усилителя включен делитель напряжения, при этом делитель напряжения выполнен в виде двух, последовательно соединенных резисторов.

На фиг.1 дана схема прототипа; на фиг.2 – схема предлагаемого мостового преобразователя.

Мостовой преобразователь содержит мост R1/R2/R3/R4, операционный усилитель У, источник питания моста I/E и делитель напряжения Д, состоящий, например, из резисторов r1 и r2 (фиг.2).

Мостовой преобразователь работает следующим образом.

Мост R1/R2/R3/R4 через его диагональ питания запитывается совместно источником питания I/E и операционным усилителем У. В результате полезного дисбаланса имеется полезный выходной сигнал моста, равный разности потенциалов на его выходной диагонали _d–_b. Потенциалы на неинверсном и инверсном входах операционного усилителя У практически равны (из-за его большого коэффициента усиления), т.е. _b=_д. Поэтому поступление на неинверсный вход операционного усилителя части потенциала моста _d, т.е. потенциала _д, увеличивает потенциал _b и, естественно, в свою очередь увеличивает потенциал _d, который и является выходным сигналом мостового преобразователя U.

При источнике питания моста, представляющем собой источник напряжения Е, имеем в первом приближении следующую систему уравнений:

Здесь i1, i2, i3, i4 – токи через соответствующие сопротивления моста R1, R2, R3, R4; _a, _b, _c, _d – соответствующие потенциалы вершин моста; n – коэффициент деления делителя; r1, r2 – резисторы делителя; _д – потенциал на выходе делителя, Е – напряжение источника питания, U – выходное напряжение мостового преобразователя.

Проведем соответствующие преобразования:

_c=_b-R2i2=U-R3i3;

U-R3i3=_b-R2i2;

UR1R4-ER1R3+UR1R3=nUR1R4-ER2R4+nUR2R4;

U(R1R4+R1R3-nR1R4-nR2R4)=E(R1R3-R2R4);

Для рабочего дисбаланса моста:

где – коэффициент усиления полезного сигнала.

При источнике питания моста, представляющем собой источник тока I, имеем в первом приближении следующую систему уравнений:

Проведем соответствующие преобразования:

R1i1+_b=R4(I-i1)+U;

R1i1+_b=R4I-R4i1+U;

_b-R2i1=U-R3(I-i1);

U-_b=R3I-(R3+R2)i1;

(U-_b)(R1+R4)-R3I(R1+R4)+R4I(R2+R3)+(U-_b)(R2+R3)=0;

(U-_b)(R1+R2+R3+R4)=I[R3(R1+R4)-R4(R2+R3)];

Для рабочего дисбаланса моста:

U=KIR.

Т.е., как и в предыдущем случае, полезный сигнал усилен в К раз. Например, при коэффициенте деления делителя n=0,9 полезный сигнал предлагаемого мостового преобразователя в 10 раз больше, чем у прототипа, причем без каких-либо дополнительных усилительных элементов, которые могли бы внести дополнительные погрешности за счет своих шумовых и дрейфовых составляющих.

Следует заметить, что делитель напряжения может быть выполнен по любой известной схеме, например потенциометрической с регулировкой коэффициента деления с помощью переменных резисторов. Т.к. выход делителя нагружен на очень высокое входное сопротивление операционного усилителя, сам делитель всегда может быть выполнен с использованием высокоомных резисторов, что позволит практически не нагружать выходную диагональ моста и избежать влияния сопротивления выходного провода моста на результат преобразования.

По данному предложению в институте выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных преобразователей, которые подтверждают возможность осуществления рассмотренных мостовых преобразователей и возможность получения заявленного технического результата.

Реализация предложения в ИИС для прочностных исследований авиационных конструкций позволит существенно повысить достоверность результатов испытаний, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию конструкций летательных аппаратов.

Формула изобретения

1. Преобразователь сигналов мостовых датчиков, содержащий источник питания моста, подключенный к одному выводу питающей диагонали моста, и операционный усилитель, выход которого соединен с другим выводом питающей диагонали моста, а инверсный вход – с одним выводом выходной диагонали моста, отличающийся тем, что между сопротивлением другого вывода выходной диагонали моста и неинверсным входом операционного усилителя включен делитель напряжения.

2. Мостовой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что делитель напряжения выполнен в виде двух последовательно соединенных резисторов.

РИСУНКИ