620.172.21
Тензометрическая станция для испытания
демпферов
С. А. ГУДКОВ, А. А. КУМАРИН
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет), Самара, Россия, e-mail: alky_samara@mail.ru
Описана тензометрическая станция для динамических испытаний демпферов. Измерение механических напряжений проводится с помощью тензорезистивных датчиков, включенных в измерительную схему моста Уитстона. Приведена аргументация выбора электронных компонентов и практические рекомендации для разработки аналогичных устройств.
Ключевые слова: тензометрия, тензодатчик, мост постоянного тока, мост Уитстона, подавление помех в аналоговых схемах, смешанные аналого-цифровые схемы, аналого-цифровые преобразования.
The strain measurement station for dynamic inertial dampers testing is described. The mechanical strains measurement is carried out by means of tensoresistive sensors included in Wheatstone bridge measuring circuit. The practical recommendations for similar devices development and selection of electronic components have been presented.
Key words: strain measurements, tensoresistive, DC bridge, Wheatstone bridge, noise reduction in analog circuits, analog-to-digital conversions mixed, analog-digital circuit.
Во время полета ракет-носителей часто возникают ударные перегрузки, способные вывести из строя ракету и ее полезную нагрузку. Для защиты от импульсных перегрузок используют демпферы. Частью процедуры ввода в строй новых и существующих демпферных систем являются динамические испытания, которые проводят на специальном стенде, моделирующем ударные нагрузки. Для измерений возникающих деформаций применяют резистивные тензодат-чики.
Цель работы — создание тензометрической станции (тен-зостанции), удовлетворяющей определенным критериям проведения экспериментов. Тензостанцию разрабатывали для замены морально устаревшей ЛХ-7000. Одним из ключевых требований была низкая стоимость по сравнению с аналогами — тензостанциями ZET 017-Т8 (Россия) и TS32L1 (Беларусь).
Использование известных тензостанций оказалось невозможным из-за: отсутствия внешнего стартового сигнала для начала измерений, аппаратной поддержки датчика угла, применяемого во время динамических испытаний демпферов; необходимости обеспечения измерений импульсных сигналов, что подразумевает достаточно высокую частоту дискретизации; значительных габаритных размеров и стоимости.
Анализ условий проведения испытаний показал, что разрабатываемый комплекс должен удовлетворять следующим требованиям:
число независимых каналов измерений..................8
число одновременно работающих каналов................2
частота измерений на канал........................ 1 кГц
связь с персональным компьютером........через ивВ-порт
номинальное сопротивление тензодатчиков......... 200 Ом
приведенная погрешность измерений сопротивления, не более..........................................1 %
Также необходимо, чтобы процесс измерений начинался по сигналу от установки (контактора) и происходил опрос датчика угла — вращающегося диска с делениями, при касании которых щеточным контактом на вход тензостанции подается напряжение 27 В.
Согласно указанным требованиям была разработана тензостанция ТС-1, представляющая программно-аппаратный комплекс: блок измерений и управления (БИУ); программное обеспечение для ПК.
Аппаратная часть. Структурная схема БИУ тензостанции показана на рис. 1. Для измерений сопротивления используют включения тензорезисторов в виде плеча, полумоста и моста, представленные на рис. 2. Схема включения «плечо» не обеспечивает необходимую точность измерений относительно простыми методами. Наиболее эффективна схема полного моста [2], однако конструктивные особенности стенда динамических испытаний допускают ситуации, когда на демпфере установлены только два тензорезистора. Поэтому предусмотрена возможность достраивать внешний полумост до моста внутрисхемно. Для этого в схему ТС-1 вводят по два тензорезистора на канал.
Одним из существенных факторов, оказывающих влияние на точность измерений, является температурный дрейф сопротивления. Когда все тензорезисторы в мосту имеют один и тот же коэффициент температурного дрейфа, то изменение температуры не влияет на его выходной сигнал при условии, что на датчике поддерживается постоянное напряжение. Так как датчики присоединяются к тензостанции кабелями длиной до 5 м, то отклонение напряжения на датчике, обусловленное температурной чувствительностью материала кабелей и наводками на их сопротивлениях, на порядки превышает погрешность, вносимую температурным дрейфом сопротивления. Поэтому для питания датчиков
Рис. 1. Структурная схема БИУ тензостанции: Х1 — Х8 — входы тензодатчиков; Х9 — вход датчика угла; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ПК — персональный компьютер
вместо постоянного напряжения используют постоянный ток. Чтобы обеспечить максимальную точность измерений, необходимо градуировать датчики непосредственно перед испытаниями. Поскольку температура в цехе поддерживается постоянной, для среднеточных измерений градуировку достаточно провести один раз.
При питании мостов с тензорезисторами с сопротивлением 200 Ом напряжением менее 12 В максимальное значение диагонального напряжения не достигает 100 мВ (за максимальное изменение сопротивления приняты 3 %), поэтому оптимально использовать усилители с коэффициентом усиления (КУ) 20—200 в зависимости от того, в каком диапазоне лежат нагрузки в конкретном эксперименте. Так как эти диапазоны зависят от модели испытываемого демпфера и моделируемого процесса нагрузки демпфера, используют усилители с изменяемым КУ. При этом усилитель должен быть инструментальным (измерительным). Главное преимущество данного типа усилителей в высоком входном сопротивлении, поэтому они являются оптимальными для
Рис. 2. Схемы включения тензорезисторов: а — плечо; б — полумост; в — полный мост; Р, S — питания и сигнальные, соответственно
усиления дифференциального сигнала малой амплитуды [1]. Для обеспечения необходимой точности измерений каждый канал имеет собственный усилитель, что позволяет им работать в разных диапазонах деформаций и повышает скорость измерений, исключая необходимость новой градуировки после переключения с одного канала на другой. В качестве усилителей применяют микросхемы LTC6915IGN, имеющие 14 программируемых КУ. Собственные шумы данного усилителя не превышают 2,5 мкВ при напряжении питания 5 В. Возможность задавать КУ обеспечивает высокоскоростной последовательный SPI-совместимый интерфейс управления. Применение данных усилителей снижает напряжение питания мостов с 12 до 9 В, так как входное напряжение усилителей по абсолютному значению не должно превышать напряжение питания. Погрешность задания КУ может достигать 0,1 % от номинального значения (статические погрешности, вызванные неточностью лазерного метода изготовления резисторного массива внутри микросхемы). Однако данный недостаток полностью компенсируется градуировкой. Для каждого канала КУ устанавливают перед градуировкой и меняют его только при смене диапазона деформаций, требующей новой градуировки.
Одна из ключевых особенностей выбранного усилителя — его режим работы: входной сигнал заряжает конденсатор, который затем отключается от входа и подключается к дифференциальному усилителю. Это позволяет избежать ряда ограничений на входной синфазный сигнал, свойственных классической схеме на трех операционных усилителях [1]. Кроме того усилитель работает как дополнительный фильтр, защищающий от высокочастотных помех, а его недостаток — ограничение частоты дискретизации 3 кГц, что допустимо для разрабатываемого устройства.
Как было указано выше, тензостанция должна поддерживать как мостовое, так и полумостовое включение тензо-резисторов. Для переключения режимов БИУ тензостанции содержит систему коммутации. В качестве коммутаторов используют аналоговый мультиплексор MAX395EWG с достаточным количеством каналов, низким внутренним сопротивлением и последовательным интерфейсом управления. С его помощью сигнал с полумоста на плате поступает на один из входов усилителя, выбираемый оператором ПК в зависимости от использованной схемы включения в разъем. Схема коммутации режимов для одного канала представлена на рис. 3.
Для удовлетворения требований к точности ТС-1 использован 24-битный сигма-дельта АЦП типа ADS1256IDBT, имеющий восемь входных каналов, входной буфер, выделенную тактирующую цепь. Для тактирования применен внешний кварцевый резонатор на 8 МГц. В качестве источника опорного напряжения (ИОН) служит микросхема ADR421ARZ,
обеспечивающая высокую ± 0,04 % точность выходного напряжения и малый 3-10-6 К-1 температурный коэффициент. Из-за внешней тактирующей цепи АЦП создает шум на входе опорного напряжения и аналоговых входах, на каждый из которых приходится устанавливать фильтры низких частот с частотой среза около 50 кГц. Фильтр эффективно подавляет шумы, проникающие с тактирующей линии с частотой 8 МГц; АЦП поддерживает скорость работы до 30 кГц, но из-за переключения каналов, а также с учетом ограничений усилителя реальная скорость составляет не более 3 кГц/канал.
Питающее напряжение ТС-1 — стандартное 24 В для цеха проведения испытаний. Система питания включает импульсный преобразователь NSD10-12S12 напряжения 24 В в 12 В. Преобразователь гальванически развязан с входной сетью, что предотвращает негативное влияние недостаточно стабильной заводской сети на внутреннюю схему БИУ. Чтобы исключить значительное расхождение потенциалов между общими проводами 24 В и БИУ тензостанции, на последнюю устанавливают высоковольтный конденсатор. Для питания тензодатчиков используют LDO-преобразователь с выходным напряжением 9 В, а для большинства микросхем — 5 В и 3,3 В.
Генераторы тока для питания тензодатчиков построены по классической схеме на микросхемах MCP6H01 и полевых транзисторах IRFR210PBF. Управляющий сигнал формирует цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) микроконтроллера. Для повышения стабильности систем питания внутри БИУ тензостанци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.