Устройство для измерения силы

 

УСТРОПСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ, содержащее консольно закрепленный биморфный пьезрэлемент с двумя парами электродов, одна из которых соединена с усилителем заряда, . состоящим из усилителя, охваченного обратной связью с помощью емкости, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения силы при вариации точки ее приложения , оно снабжено вторым усилителем заряда и дифференциальным усилителем, входы которого подключены к выходам усилителей зарядов, при этом другая пара электродов биморфного пьезоэлемента подключена к второму усилителю заряда, а отношение емкостей усилителей заряда выбрано равным отношению длин соответствующих пар электродов. (О

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

COUHAËÈÑÒÈ×ECHÈÕ

РЕСПУБЛИК

3(5П С "t)1 L 1/16

ОПИСЯНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ц

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3571270/18-10 (22) 04 ° 04.83 (46) 23.05.84. Вюл. Р 19 (72) A.Ô. Терещенко (53) 531.781(088.8) (56) 1. Иоршн Ю. И. Виброметрия. М., Наука, 1963,c.. 569..

2. Патент CItlA 9 3603921, кл. 34010, 1971 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО Д)1Я ИЗМЕРЕНИЯ

СИЛЫ, содержащее консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент с двумя парами электродов, одна из которых соединена с усилителем заряда, „SU 22 А состоящим из усилителя, охваченного обратной связью с помощью емкости, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения силы при вариации точки ее приложения, оно снабжено вторым усилителем заряда и дифференциальным усилителем, входы которого подключены к выходам усилителей зарядов, при этом другая пара электродов биморфного пьезоэлемента подключена к второму усилителю заряда, а отношение емкостей усилителей заряда выбрано равным отношению длин соответствующих пар электродов.

1 11 () 3 9 2 2

Изобретение относится к технике измерения силы, массы, ускорения н других величин с помощью применения пьезоэлектрических преобразователей, работающих на изгиб.

Известны устройства для измерения силы, содержащие консольно закрепленный в опоре пьезоэлектрический преобразователь и электронный усилитель, согласующий преобразователь с оконечным измерительным прибором. В ка- 1р честне согласующего усилителя в последнее время преимущественно используется усилитель заряда (1).

Недостатком этих устройств является нестабильность коэффициента пре- 5 образования силы в электрический сиг« нал при вариациях точки ее приложения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является уст ройство для измерения силы, содержащее консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент с двумя парами электродов, одна из которых соединена с усилителем заряда, состоящим из усилителя, охваченного обратной связью с помощью емкости.

Работа устройства основана на прямом поперечном пьезоэффекте. При приложении измеряемой силы к свободному концу преобразователя перпендикулярно его широким граням пьезопластины, в результате изгиба испытывают деформации растяжения-сжатия, так что возникающие электрические заряды на гранях пластин и снимаемые с элек З5 тродов преобразователя сигналы оказываются пропорциональными действующей силе (2).

Однако коэффициент преобразования известного устройства зависит от 4р координаты точки приложения измеряемой силы на продольной оси преобразователя, что приводит к низкой точности измерений при вариациях места приложения силы. 45

Белью изобретения является повышение точности измерения силы при вариации точки ее приложения.

Поставленная цель достигается тем,5p что устройство для измерения силы, содержащее консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент с двумя парами электродов, одна из которых соединена с усилителем заряда, состоящим иэ усилителя, охваченного обратной связью с помощью емкости, снабжено вторым усилителем заряда и дифференциальным усилителем, входы которого подключены к выходам усилителей зарядов, при этом другая пара элект- 6Р родов биморфного пьезоэлемента подключена к второму усилителю заряда, а отношение емкостей усилителей заря. да выбрано равным отношению длин соответствующих пар электродон. 65

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства. устройство содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, консольно закрепленный в неподвижной опоре 2, первый усилитель 3 заряда с интегрирующим конденсатором 4, второй усилитель 5 заряда с интегрирующим конденсатором б и дифференциальный усилитель 7 напряжения. Преобразователь

1, в свою очередь, содержит. две соединенные вместе (например, склеенные или спаянные) прямоугольные постоянной толщины пьеэопластины 8 и 9, снабженные внутренним электродом 10 и днумя внешними электродами, разделенными узкими поперечными зазорами

11 и 12 на перную и вторую прямо угольные секции (части) 13, 14 и 15, l6 соответственно.

Секции 13 и 15 расположены одна против другой и имеют одинаковый размер в направлении продольной оси преобразователя. Аналогично секции

14 и 16 расположены одна против другой и имеют одинаковую длину, не равную длине секций 13 и 15. Ширина у нсех электродов и пьезопластин одинакова. На пьезопластинах 8 и 9 по всей их ширине предусмотрены прямоугольные участки 17 и 18, свободные от электродных покрытий 14 и 16 и расположенные одна против другой. Эти участки являются местом приложения измеряемых сил.

Закрепление преобразователя 1 в опоре 2 осуществляется с помощью слоя клея 19 или винтового прижима.

Все электроды 10, 13-16 снабжены индивидуальными металлическими выводами 20-24..С их помощью внутренний электрод 10 подключается к общей шине 25, первые секции 13 и 15 внешних электродов параллельно подключаются ко входу 26 первого усилителя 3 заряда, а вторые секции 14 и 16 внешних электродов — ко входу 27 вто-. рого усилителя 5 заряда. В усилителях 3 и 5 применены. интегрирующие конденсаторы 4 и б, отношение емкостей которых является равным отношению длин первой и второй секций электродов. Выход усилителя 3 (зажим 28) и выход 29 усилителя 5 подключены к разноименным входам 30 и Çl дифференциального усилителя 7, к выходным зажимам 32 и 33 которого подключается . оконечный измерительный прибор (не показан).

В предпочтительном варианте исполнения пьезопластины 8 и 9 представляют собой пластины Х-среза кварца с одинаковым направлением их кристаллографических осей, причем механическая ось пластины совпадает с продольной осью пластины, оптическая осьнаправлена вдоль ширины пластины, а электрическая ось кристалла кварца

109392?

Составитель A.Ñåâåðèí

Техред A.A÷ Корректор A.Ôåðåíé

Редактор О.Черниченко

Заказ 3413/33 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул. Проектная, 4 направлена вдоль толщины пластины, например от пластины 9 к пластине 8.

Усилители 3 и 5 заряда, выполняемые на базе операционных высокоомных усилителей постоянного тока имеют в своем составе ключи 34 и 35, шунтирующие соответственно конденсаторы 4 и 6. В исходном положении ключи замкнуты, а перед началом эксперимента ключи 34 и 35 одновременно пере ключаются в разомкнутое положение по команде блока 36 управления.

Устройство работает следующим образом.

Под действием измеряемой силы, приложенной перпендикулярно широкой 15 грани пластины 8, на ее силоприемном участке 17 весь преобразователь 1 изгибается, в результате чего слои пьезопластины 8 испытывают деформации растяжения, а слои пьезопластины 20

9 — деформации сжатия в направлении продольной оси преобразователя. При этом происходит поляризация пьезопластин, причем вектор поляризации направлен в каждой пластине перпенди-25 кулярно их главньм граням от внутрен.— него слоя к наружным слоям.

Заряды, снимаемые с электродов поступают на входы усилителей 3 и 5 и преобразуются далее в напряжения и вычитаются в дифференциальном усилителе 7. Сигнал на выходе усилителя

7 не зависит от точки ее приложения, если отношение емкостей усилителей заряда выбирается равным отношению длин соответствующих пар электродов. 35

Предлагаемое устройство может быть выполнено в нескольких вариантах. В частности, в пьезоэлектрическом пре- . образователе 1 одна из пьезопластин может быть заменена упругой прямо- 4р угольной пластиной, например металлической. При этом металлическая подкрепляющая пластина, склеенная с единственной пьезопластиной или с двумя по разные стороны расположенными пьезопластинами, может выполнять функции электрода 10.

В другом варианте исполнения преобразователь 1 может быть выполнен с неразделенными внешними электродами, а поперечным зазором разделяется на две секции внутренний электрод 10

При этом внутреннее электродное покрытие наносится не полностью на сопрягаемые грани пьезопластин, а с обеспечением свободного от внутреннего электрода прямоугольного участк: на незакрепленном конце преобразователя.

Пьезопластины 8 и 9 могут выполняться как из кристалла пьезоэлектри ка, так и из пьезокерамики. В последнем случае обе пьезопластины на стадии их изготовления поляризуются одинаково в электрическом поле, направленном перпендикулярно широким граням пластин.

Усилители 3 и 5 заряда выполняютсм на базе операционных усилителей по стоянного тока, имеющих коэффициент усиления по напряжению порядка нескольких десятков тысяч раз, и дополненных электрометрическими входными каскадами. В некоторых случаях усилители 3 и 5 могут представлять собой измерительные электрометрические усилители или повторители напряжения без применения конденсаторсь 4 и 6 в цепях обратной связи.

Блок 36 управления ключами 34 и

35 усилителей заряда представляет собой программируемый или переключаемый оператором генератор импульсного напряжения.

В качестве ключей 34 и 35 и формирователей управляющих воздействий в устройстве используются электромагнитные и герконовые реле.

Технико-экономическая эффектив- ность предлагаемого устройства заключается в том, что по сравнению с известными устройствами, содержащими консольно закрепленный пьезоэлектрический преобразователь, оно обеспечивает повышение точности измерения силы или массы взвешиваемого предмета при вариациях точки ее приложения на силоприемном участке преобразователя.