Спосіб вимірювання механічних напруг і пристрій для його здійснення

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в упругих элементах с помощью резисторных тензометров. Для измерения механических напряжений применяют чувствительные элементы в виде тензорезисторов, в которых механические напряжения пропорциональны измеряемым в упругом элементе и изменяют его активное сопротивление. Приклеиванием осуществляется тесная связь между тензорезистором и упругим элементом при одновременном обеспечении достаточного сопротивления и высокой электрической прочности изоляции между упругим элементом и тензорезистором. Известен способ измерения механических напряжений (Бауман Э. Измерение сил электрическими методами. Пер. с нем. / Под ред. И.И. Смыслова. - М.: Мир, 1978. - С.243 - 245), при котором на упругий элемент, деформируемый внешней силой, устанавливают рабочий и компенсационный тензорезисторы, включенные в мостовую схему, и измеряют выходное напряжение тензомоста, по которому определяют значение механического напряжения. При измерении механических напряжений в широком диапазоне значений возникают большие погрешности из-за дрейфа нуля тензомоста и усилителя постоянного напряжения, включенного на выходе моста, кроме того, чувствительность тензомоста при больших механических напряжениях существенно уменьшается, что ограничивает диапазон измеряемых напряжений. Известен также способ измерения механических напряжений (Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: В 2 - х кн. - Кн.1. - М.: Мир, 1992. - С.450 - 451), заключающийся в размещении рабочего и компенсационного тензорезисторов на упругом элементе, включении тензорезисторов в плечи тензомоста, подаче на входы тензомоста переменного напряжения и измерении амплитуды переменного напряжения на выходе тензомоста. При этом по значению амплитуды выходного напряжения судят об измеряемом механическом напряжении в упругом элементе. Питание тензомоста переменным напряжением позволяет легко повышать чувствительность за счет бездрейфового усиления выходного переменного напряжения тензомоста. Однако, зависимость коэффициента относительной тензочувствительности рабочего тензорезистора от значения измеряемого механического напряжения и температуры, а также нелинейная зависимость выходного напряжения тензомоста от относительного изменения сопротивления тензорезистора не позволяет исключить погрешности от нелинейности тензорезистивного мостового преобразователя и тем самым обеспечить высокоточные измерения механических напряжений в широком диапазоне значений. Известно устройство для измерения механических напряжений (Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - С.48 - 50), содержащее источник постоянного напряжения, четырехплечий мост, дополнительные резисторы во входной и выходной цепях моста для регулировки чувствительности и линеаризации преобразовательной характеристики, а также вольтметр для измерения выходного напряжения моста. Нецелесообразность использования усилителя постоянного тока с большим коэффициентом усиления в выходной цепи тензомоста ограничивает чувствительность и диапазон измеряемых механических напряжений. Известно также устройство для измерения механических напряжений (Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. Пер. с англ. / Под ред. У. Томпкинса., Дж. Уэбстера. - М.: Мир, 1992. - С.372 - 377, рис.9.13), содержащее тензомост с рабочим и компенсационным тензорезисторами, источник переменного напряжения, усилитель переменного напряжения, фазочувствительный выпрямитель, аналого-цифровой преобразователь, микроЭВМ и цифровой индикатор, при этом вход тензомоста соединен с источником переменного напряжения, выход тензомоста соединен через усилитель переменного напряжения с первым входом фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого подключен к источнику переменного напряжения, кодовый выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микроЭВМ, первый выход которой соединен с цифровым индикатором. Кроме того, выход тензомоста через усилитель и фазочувствительный выпрямитель непосредственно соединен со входом аналогоцифрового преобразователя. Питание тензомост от источника переменного напряжения имеет определенные преимущества: уровень шумов усилителя на несущей частоте ниже, а фазочувствительный выпрямитель ослабляет помехи на частоте сети переменного тока. Обработка выходного напряжения тензомоста с помощью микроЭВМ позволяет линеаризовать преобразовательную характеристику программными средствами. Это осуществляется путем записи нелинейной характеристики в память ЭВМ и сопоставления кодов выходного напряжения тензомоста с кодами этой характеристики в виде электронной таблицы и выдачи соответствующих кодов измеряемого механического напряжения. Однако реальная нестабильность тензорезисторов, особенно полупроводниковых, обуславливает нестационарные изменения градуировочной характеристики, которые трудно учесть при программной линеаризации, что снижает точность измерения механических напряжений в широком диапазоне значений. В основу изобретения положена задача создания таких способа и устройства измерения механических напряжений, в которых введение новых операций по дополнительному нагреву тензорезисторов, повторение этих операций при калибровке и измерении, введение новых элементов по формированию напряжения, которые обеспечивают дополнительный нагрев в соответствии с программой работы микроЭВМ, позволило бы исключить влияние нелинейности и нестабильности характеристики тензорезистивного моста на томность измерения механических напряжений. Поставленная задача решается тем, что в способе измерения механических напряжений, заключающемся в размещении рабочего и компенсационного тензорезисторов на упругом элементе, включении тензорезисторов в плечи тензомоста, подаче на входы тензомоста переменного напряжения и измерении амплитуды переменного напряжения на выходе тензомоста, согласно изобретению на выход тензомоста подают постоянное напряжение, дополнительно нагревают рабочий и компенсационный тензорезисторы постоянным током, вновь измеряют амплитуду переменного напряжения на выходе тензомоста, выключают постоянное напряжение, а механическое напряжение определяют за время охлаждения тензорезисторов по формуле где sx и sk - измеряемое и калибровочное значения механического напряжения; U1' и U1" - амплитуда переменного напряжения на выходе тензомоста при калибровке и измерении; U2' и U2" - амплитуда переменного напряжения на выходе тензомоста с дополнительным нагревом тензорезисторов при калибровке и измерении. При этом дополнительный нагрев тензорезисторов производят до температуры, при которой за счет фиктивной деформации в рабочем тензорезисторе механическое напряжение уменьшается или увеличивается в зависимости от характера первичной деформации не более, чем на 1 - 2%, и не менее 5 - 10 порогов чувствительности тензомоста. Поставленная задача решается также тем, что устройство для измерения механического напряжения, содержащее тензомост с рабочим и компенсационным тензорезисторами, источник переменного напряжения, усилитель переменного напряжения, фазочувствительный выпрямитель, аналого-цифровой преобразователь, микро-ЭВМ и цифровой индикатор, при этом вход тензомоста соединен с источником переменного напряжения, выход тензомоста соединен через усилитель переменного напряжения с первым входом фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого подключен к источнику переменного напряжения, кодовый выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микроЭВМ, первый выход которой соединен с цифровым индикатором, согласно изобретению снабжено цифроаналоговым преобразователем и двумя автоматическими ключами, первый из которых включен между выходом фазочувствительного выпрямителя и аналоговым входом аналогоцифрового преобразователя, второй выход микроЭВМ соединен с кодовым входом цифроаналогового преобразователя, аналоговый выход которого через второй автоматический ключ соединен с потенциальным выходом тензомоста, третий выход микроЭВМ соединен с управляющим входом первого автоматического ключа, четвертый выход микроЭВМ соединен с управляющим входом второго автоматического ключа. Именно дополнительный нагрев постоянным током тензорезисторов, включенных в плечи тензомоста, который питается переменным напряжением, измерение амплитуды переменного напряжения на выходе тензомоста при калибровке и измерении обеспечивает получение информации об изменении крутизны нелинейной характеристики при измерении механического напряжения относительно его калибровочного значения и учете этого изменения при определении измеряемого механического напряжения по предложенной формуле, что исключает влияние нелинейности и нестабильности характеристик тензомоста на результат измерения, благодаря чему повышается точность измерения механических напряжений в широком диапазоне значений. Нагрев тензорезисторов до температуры, при которой механическое напряжение в тензорезисторе уменьшается или увеличивается не более, чем на 1 - 2% и не менее 5 - 10 порогов чувствительности тензомоста, позволяет оптимизировать получение информации об изменении крутизны нелинейной характеристики тензомоста, что также способствует повышению точности измерения механических напряжений в широком диапазоне значений. Введение в структуру устройства на основе тензомоста переменного тока с микро-ЭВМ цифроаналогового преобразователя в качестве источника постоянного напряжения, двух автоматических ключей, включенных указанным образом, позволяет по программе ЭВМ периодически нагревать и охлаждать тензорезисторы при калибровке и измерении, запоминать в памяти микро-ЭВМ результаты промежуточных измерений и в процессоре ЭВМ вычислять измеряемое механическое напряжение с исключением изменяющихся в процессе измерения и эксплуатации характеристик тензомоста на результат измерения, благодаря чему повышается точность измерения механических напряжений в широком диапазоне значений. На фиг.1 представлена структурная схема устройства для измерения механических напряжений; на фиг.2 - блок-схема алгоритма работы устройства на основе встроенной микроЭВМ. Устройство содержит тензомост 1, в смежные плечи которого включены рабочий тензорезистор R1 и компенсационный тензорезистор R2. В два других плеча тензомоста 1 включены постоянные резисторы R3 и R4. Питание тензомоста 1 осуществляется от симметричного источника 2 переменного напряжения. К потенциальному выходу тензомоста 1 через усилитель 3 переменного напряжения подключен первый вход фазочувствительного выпрямителя 4, второй вход которого соединен с выходом источника 2 переменного напряжения. К выходу фазочувствительного выпрямителя 4 через автоматический ключ 5 аналоговым входом подключен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, кодовый выход которого соединен со входом микроЭВМ 7. Первый выход микроЭВМ 7 соединен с кодовым входом цифрового индикатора 8, второй выход - с кодовым входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 9, третий выход - с управляющим входом автоматического ключа 5, а четвертый выход - с управляющим входом автоматического ключа 10. Аналоговый выход ЦАП 9 через ключ 10 соединен с потенциальным выходом тензомоста 1. Способ осуществляется следующим образом. В процессе калибровки упругий элемент, на который наклеены рабочий и компенсационный тензорезисторы, нагружают известной силой, создающей в рабочем тензорезисторе механическое напряжение sk, которое выбирают внутри диапазона измеряемых значений. Для уменьшения кратности измеряемого и калибровочного значений напряжения калибровочное напряжение sk выбирают из соотношения где smin и smax - минимальное и максимальное значения измеряемого напряжения. Если тензомост 1 (фиг.1), питаемый от источника 2 переменного напряжения, предварительно сбалансирован (R1 = R2 = R3 = R4 = R0) при температуре q, то при возникновении механического напряжения в тензорезисторе R1 его сопротивление в зависимости от характера деформации изменяется на ±DR (R1 = R0 ± DR). В результате разбаланса равноплечего тензомоста на его выходе возникает переменное напряжение с амплитудой где U0 - амплитуда напряжения питания тензомоста; Kk коэффициент относительной тензочувствительности при механическом напряжении sk; E - модуль упругости материала, из которого изготовлен тензорезистор. Так как чувствительность тензомоста зависит от сопротивления разбаланса DR, а коэффициент Kk является функцией относительной деформации тензорезистора e = DI 1/I 0 = sk/E, то уравнение преобразования (2) можно представить в виде квазилинейной зависимости с переменной чувствительностью S и переменным коэффициентом K где чувствительность моста, соответствующая калибровочному напряжению sk; коэффициент относительной тензочувствительности, соответствующий калибровочному напряжению sk. Амплитуду переменного напряжения U1' измеряют и запоминают. Далее, на выход тензомоста 1 подают постоянное напряжение U3 от внешнего источника 9. Под действием этого напряжения через тензорезистор R1 начинает протекать постоянный ток. который подогревает его. Так как тензорезистор R1 и постоянный резистор R3 включены последовательно по постоянному току, то электрическая мощность, рассеиваемая тензорезистором R1, определяется выражением После математических преобразований выражение (4) можно представить как Так как член DR/2R0