Датчик силы

 

ДАТЧИК СИЛЫ, содержащий пьезопластину, на одной стороне которой расположен спиральный преобразователь поверхностных акустических волн, подключенный к выводам усилите-ля , отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен двумя усилителями, один из которых дифференциальный, двумя встречно-готьфевыми преобразователями , двумя фазовыми детекторами и дополнительным спиральным преобразователем поверхностно-акустических волн, расположенным на противоположной стороне пьезопластины и соединенным с усилителем, при этом одни входы фазовых детекторов соединены с выходами соответствующих . усилителей, а другие входы - с первыми выводами встречно-штыревых преобразователей, вторые вьгаоды которых заземлены, причем выходы фазовых детекторов соединены с входами дифференциального усилителя, пье зопластина выполнена с плоскими гранями ,а встречно-штыревые преобразовате (О ли поверхностных акустических волн размещены на тех же сторонах пьезопластины , что и спиральные преобразователи . 00 Ф 00 со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1113689 А зш С 01 Ь 1/16

l3

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3507105/18-10 (22) 28. 10. 82 (46) 15.09.84. Бюл. Ф 34 (72) Ю.А. Асмоловский (71) Омский политехнический институт (53) 531.781(088.8) (56) 1. Патент США Ф 3878477, кл. G 01 В 7/16, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

9 917007, кл. G 01 Т. 1/16,25.08.80 (прототип). (54)(57) ДАТЧИК СИЛЫ, содержащий пьезопластину, на одной стороне которой расположен спиральный преобразователь поверхностных акустических волн, подключенный к выводам усилите-ля, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен двумя усилителями, один из которых дифференциальный, двумя встречно-штыревыми преобразователями, двумя фазовыми детекторами и дополнительным спиральным преобразователем поверхностно-акустических волн, расположенным на противоположной стороне пьезопластины и соединенным с усилителем, при этом одни входы фазовых детекторов соединены с выходами соответствующих . усилителей, а другие входы — с первыми выводами встречно-штыревых преобразователей, вторые выводы которых заземлены, причем выходы фазовых детекторов соединены с входами дифференциального усилителя, пье" зопластина выполнена с плоскими гранями,а встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн размещены на тех же сторонах пьезопластины, что и спиральные преобразователи.

E 1 13689

20

30

40

50

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий в машиностроении, Известны датчики силы, в которых изменение времени запаздывания поверхностных акустических волн преобразуется в частоту или напряжение. Указанный датчик силы содержит консольно закрепленную пьезопластинку прямоугольного и равного сечения, к свободному концу которой прикладывается перпендикулярно ппоскости пластинки измеряемая сила,уси-. литель, фазовый детектор. На поверхности пьезопластинки нанесены возбуждающий и приемный преобразователи поверхностных акустических волн, образуя линию задержки. Пье- зопластинка с нанесенными преобразователями является чувствительным элементом датчика. Под действием измеряемой силы чувствительный элемент деформируется, в результате чего изменяется время запаздывания поверхностных акустических волн. В автогенераторном варианте датчика (при измерении статических и квазистатических усилий) преобразователи подключены к входу и выходу усилителя. При измерении переменных усилий с целью последующего, например, спектрального анализа измеряемая величина преобразуется в напряжение. В этом варианте датчика электрический сигнал на возбуждающий преобразователь чувствительного элемента подается от внешнего генератора, возбуждающий и приемный преобразователи соединены с входами фазового детектора, Для уменьшения дестабилизирующего влияния температуры и увеличения коэффициента преобразования измеряемой величины в частоту или напряжение датчик выполняется по дифференциальной схеме 12.

Однако коэффициент преобразования измеряемой силы в деформацию, соответствующую результирующему фазовому сдвигу, в данном чувствительном элементе мал, так как он зависит при прочих равных размерах (толщине и щирине пьезопластинки) от расстояния между заделкой и геометрическим центром линии задержки.

Наряду с этим уменьшение погрешности измерения от температуры в автогенераторном варианте датчика < ивы ограничено неидентичностью,,параметров усилителей. Разнесение чувствительного н активных элементов на расстояние, включающее дестабилизирующее влияние температуры на усилители, осложняется тем, что каждая половина дифференциального чувствительного элемента подключается к усилителю по схеме четырехполюсника, при этом число соединительных кабелей увеличивается.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является датчик силы, содержащий пьезопластину,. на одной стороне которой расположен спиральный преобразователь поверхностных акустических волн, подключенный к выводам усилителя 12 3.

Недостатком устройства является низкая чувствительность.

Цель изобретения — повышение чувствительности устройства.

Цель достигается тем, что датчик силы, содержащий пьезопластину, на одной .стороне которой расположен спиральный преобразователь поверхностных акустических волн, подключенный к выводам усилителя, снабжен двумя усилителями, один из которых дифференциальный, двумя встречно-штыревыми преобразователями, двумя фазовыми детекторами и дополнительным спиральным преобразователем поверхностно-акустических волн, расположенным на противоположной стороне пьезопластины и соединенным с усилителем, при этом одни входы фазовых детектоп в соединены с выходами соответствующих усилителей, а другие — с первыми выводами встречно-штыревых преобразователей, вторые выводы которых заземлены, причем выходы фазовых детекторов соединены с входами дифференциального усилителя, пьезопластина выполнена с плоскими гранями, а встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн размещены на тех же сторонах пьезопластины, что и спиральные преобразователи.

На чертеже представлен общий вид датчика силы.

Датчик силы состоит иэ пьезопластинки 1 из ниобата лития Y-среза, преобразователей поверхностных акустических волн 2,3 у виде прямоугольных спиралей, усилителей 4,5, 113689 4 пластинки 1 возникают локальные преобразователями 2,6 с одной стороны пьезопластинки 1 и 3 — с другой, причем как девиация частоты, так .и изменение запаздывания поверхностных акустических волн вызывает увеличение результирующего фазового сдвига в каждой из половин датчика. Таким образом., при деформации пьезоплас тинки i силой изменяется напряжение на выходах фазовьж детекторов 8,9 и

Zp .далее на выходе дифференциального

3 1 преобразователей поверхностных акустических волн 6,7, например, встречно-штыревого типа, фазовых детекторов 8,9,дифференциального усилителя 10, поглотителя поверхностных акустических волн 11. Преобразователи 2,3 расположены от заделки на расстоянии порядка 4 h, где 1 — толщина пластинки 1, а преобразователи

Ь и 7 на таком же расстоянии от свободного конца пластинки 1. Период витков преобразователей 2,3 поперек пластинки 1 выбирается таким образом, чтобы f, =fz где У„ и У частоты акустического синхронизма для продольного и поперечного направления распространения волн, а расстояние (L) от кромок пластины 1 до геометрического центра преобразователей 2,3 было кратно целому л л n%ç числу полуволн L = — — = —, где 3

2 длина волны; Y2 — скорость распространения волны в поперечном направлении. Период. встречно-штыревых структур приемных преобразователей

6,7 равен периоду витков в преобразователях 2,3, расположенных в продольном направлении.

Датчик. силы работает следующим образом.

При подключении усилителей 4,5 к преобразователям 2,3 в результате отражения волн от кромок пластинки

1 возбуждаются стоячие поверхностные акустические волны. Наведенные при резонансе электрические заряды распределяются по соответствующим виткам спиральных преобразователей

2,3, в результате на поверхностях пластинки 1 в продольном направлении возбуждаются бегущие волны, которые преобразуются приемными преобразователями 6,7 в электрические сигналы. Разность фаз сигналов с выходов усилителей 4,5 и преобразователей 6,7 детектируется соответствующими фазовыми детекторами 8,9, а разность напряжений с выходов детекторов 8,9 усиливается дифференциальным усилителем 10. Когда величина усилия равна нулю (Е = О), напряжения на выходах детекторов 8,9 незначительно отличаются, так как

f„ = f и сигнал с выхода усилителя 10 имеет фиксированное значение. При нагружении чувствительного элемента силой (F4 О) в зоне заделки пьезо30

55 механические напряжения, что вызывает изменение частот, и f автогенераторов с "поперечными" резонаторами. Резонансные частоты автогенераторов изменяются на одну и ту же величину, но с противоположными знаками. Наряду с этим происходит деформация звукопровода между усилителя 10.

Принцип работы датчика можно пояснить также с помощью следующих соотношений. Считая, что амплитудная модуляция автогенераторов пренебрежимо мала, а амплитуды сигналов с первого и второго автогенераторов, коэффициенты передачи соответствующих линий задержки и фазовых детекторов незначительно отличаются друг от друга, выражения для напряжений

1 с выходов первого и второго фазовых детекторов 8,9 имеет вид

g;(F) =u„ фц(р; И1 и; I: ÷ ;"()3 где = 1,2; U> = U — напряжения, соответствующие начальному фазовому сдвигу при F = О; ьИ,hg „-ÔÖ вЂ” приращение напряжения при В + О, обусловленное изменением частоты автогенератора; д Ц 5а ф" (Р)1 — поиоащение напряжения при РФ О, обуслов4 ленное изменением времени запаздывания поверхностных акустических волн. Знаки "+ или "- определяют приращение напряжений, соответствующее результирующему фазовому набегу поверхностных акустических волн, распространяющихся на верхней или нижней поверхности пьезопластинки 1. Например, при деформации растяжения на верхней и деформации сжатия на нижней поверхностях пьезопластинки 1 из ниобата лития Y -среза с "поперечным" резойатором, расположенным вдоль оси Е и линиями задержки вдоль оси Х, ..триргщения напряжений имеют соответственно знаки и+tt и и

1113689

Составитель А. Северин

Редактор О. Колесникова Техред М.Кузьма Корректор Е. Сирохман Заказ 6609/35 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Результирующее напряжение на выходе дифференциального усилителя 10 .выражается как

U(f- аО1Ь4(«)1 ЦГЧ (ФП () где К вЂ” коэффициент передачи усилителя.

Компоненты фазовых сдвигов y,(г) можно представить следующим образом.

Фазовый сдвиг при м О, вызванный из-. .менением резонансной частоты автогенераторов, равен аЧ" (r- =I ü6() 4>Ж1 (2, где ьЕ (F) — девиация частоты автогенераторов; @i= „ -— время задержки;

3 — расстояние между центрами преобразователей

2,6 и 3,7; — .скорость волны.

Фазовый сдвиг при М О, обусловленный изменением времени запаздывания волн, возбужденных преобразователями 2 3 и принятых преобразователями 6 7, равен

gacp. (Р) 360 М (84-A) I, (3) где сР8Ы/ — относительное изменение длины линии задержки;

dV=- Юч — относительное изменение скорости поверхностной акустической волньц

М= -- относительная длина ф линии задержки в длинах волн.

Из выражения (1) видно, что эф- фект увеличения выходного сигнала датчика достигается наряду с вклю= чением чувствительных элементов по дифференциальной схеме также за счет дополнительного фазового сдвига, 5 обусловленного изменением частоты автогенератора. Величины изменения фазовых сдвигов согласно (2) и (3) для указанной ориентации чувствительных элементов соизмеримы и таким образом результирующее изменение напряжения в каждой из половин датчика увеличивается в два раза.

Наряду с этим при измерении статических усилий в устройстве используются и частотные выходы автогенератора, которые также могут быть соединены по дифференциальной схеме.

Технико-экономическая эффективность устройства характеризуется следующим: для указанной ориентации чувствительного элемента относительно кристаллографических осей крутизна преобразования по аналоговому

25 выходу увеличивается в два раза;. интегральным исполнением упругого и чувствительного элементов; увеличением коэффициента использования деформации чувствительного элемен-, та эа счет локализации "поперечных" резонаторов вблизи заделки и акустической развязки между чувствительным элементом и элементами конструкции датчика; датчик позволяет из35 мерять как статические, так и изменяющиеся во времени усилия, при этом обеспечивается частотный и аналоговый выходы.