Устройство для измерения усилий

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ, содержащее консольно закрепленную пьезопластину, два источника поверхностных акустических волн, подключенных к генератору, и отсчетное устройство, отличающееся тем, что, с целью повьппения чувствительности и точности за счет уменьшени я влияния внешних воздействий на измерение, в него введены две структуры полевых транзисторов с электродами в виде истоков, затворов и стоков, упоры и вторая пьезопластина с вогнутой рабочей поверхностью, при этом середина дуги ее рабочей поверхности расположена с зазором напротив свободного края консольной пластины, противоположный край которой неподвижно закреплен с помощью упоров на второй пьезопластинеj при этом на свободном край консольной пластины, на ее концах, размещены структуры полевых транзисторов с электродами, параллельными плоскости консольной пластины, причем истоки и за1воры расположены так, что расстояние между .ними кратно нечетному числу акусi тических полуволн заданной длины и смещены ближе к рабочей поверхности второй пьеэопластины чем стоки, при этом истоки и -стоки подключены к отсчетному устройству, а источники поверхностных акустических волн рас- 2 положены на рабочей поверхности вто- i рой пьезопластины диагонально по раз-i ные стороны консольной пластины па- i раллельно электроД|ам полевых транзисЦЧТ ijiiiit торов.ТТ оо 00 &

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕС1 1УБЛИН

4(51) G 01 L 1/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ (2i) 3538207/24-10 (22) 10.01.83 (46) 15.01.85. Бюл. 0 2 (72) Я.Н. Пугачев (71) Куйбьппевский институт инженеров железнодорожного транспорта (53) 631.781.(088.8) (56) 1. Патент США Р 3978731, кл. 73-407, опублик. 1976.

2 ° Авторское свидетельство СССР

У 718789, кл. С Ol P 15/08, 1978.

3. Патент США У 3888115, кл. 73-88.5. 1975 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

УСИЛИЙ, содержащее консольно закрепленную пьезопластину, два источника поверхностных акустических волн, под. ключенных к генератору, и отсчетное устройство, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения чувствительности и точности за счет уменьше.ния влияния внешних воздействий на измерение, в него введены две структуры полевых транзисторов с электродами в виде истоков, затворов и

„Я0„„134889 стоков, упоры и вторая пьезопластина с вогнутой рабочей поверхностью, при этом середина дуги ее рабочей поверхности расположена с зазором напротив свободного края консольной пластины, противоположный край которой неподвижно закреплен с помощью упоров на второй пьезопластине, при этом на свободном краю консольной пластины, на ее концах, размещены структуры полевых транзисторов с электродами, параллельными плоскости консольной пластины, причем истоки и затворы расположены так, что расстояние между ними кратно нечетному числу акусс Ф тических полуволн заданной длины и Е смещены ближе к рабочей поверхности второй пьезопластины чем стоки, при Ð этом истоки и стоки подключены к от- счетному устройству, а источники поверхностных акустических волн рас- Я

МР положены на рабочей поверхности вто- рой пьезопластины диагонально по pas ные стороны консольной пластины па- Н, радлельно электродам полевых транзис, ! рфдь торов °

ОО

1134889

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, конкретнее к измерению усилий с помощью поверхностных акустических волн, и может быть использовано в любых областях народного хозяйства для измерения усилий, ускорения, вибраций, Известно устройство для измерения усилий, состоящее из пьезопластины со встречно-штыревыми преобразователями, упругой мембраны, на которую воздействует внешнее усилие (1) .

Принцип действия известного устройства основан на изменении скорости

1с распространения поверхностных акустических волн от приращений модуля упругости под ноздействием внешних усилий.

Недостатком этого устройства явля20 ется низкая точность измерения при широком диапазоне измеряемых усилий, обусловленная малой величиной приращения модуля упругости под воздействием внешних усилий.

Известен пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий консольно закрепленный н корпусе пьезоэлемент с электродами, инерционную массу присоединенную к свободноФ

30 му концу пьезоэлемента, усилитель, связанный с электродами, корректирующее звено, принцип действия которого основан на изменении скорости распространения поверхностных акусти-. ческих волн от приращений модуля упругости под воздействием внешних. усилий f2) .

Недостатком этого устройства янляется низкая точность измерения при широком диапазоне измеряемых усилий, обусловленная малой величиной приращения модуля упругости под ноздействием внешних усилий.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению .является устройство для измерения усилий, содержащее консольно закрепленную пьезопластину, два источника поверхностных акустических волн, подключенных к генератору и отсчетное устройство.

Принцип действия известного устройства основан на измерении скорости распространения поверхностных акустических волн от приращений модуля упругости под воздействием внеш- Б5 них усилий (21

Недостатками этого устройства являются низкая точность измерения при широком диапазоне измеряемых усилий, малая величина приращения модуля упругости под воздействием внешних усилий.

Цель изобретения — повышение чувствительности и точности за счет уменьшения влияния внешних воздействий на измерение.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее консольно закрепленную пьезопластину, два источника поверхностных акустических волн, подключенных к генератору, и отсчетФ ное устройство, введены две структуры полевых транзисторов с электродами в виде истоков, затворов и стоков, упоры и вторая пьезопластипа с вогнутой рабочей поверхностью, при этом середина дуги ее рабочей поверхности расположена с зазором напротив сво\ бодного края консольной пластины;; противоположный край которой неподвижно закреплен с помощью упоров ца второй пъезопластине, при этом на свободном крае консольной пластины1 на ее концах, размещены структуры полевых транзисторов с электродами, параллельными плоскости консольной пластины, причем истоки и затворы расположены так; что расстояние между ними кратно нечетному числу акустических полуволн заданной длины и смещены ближе к рабочей поверхности второй пъезопластины чем стоки, при этом истоки и стоки подключены к отсчетному строиству а источни ки поверхностных акустических волн расположены. на рабочей поверхности второй пьезопластины диагонально

<по разные стороны консольной пластины параллельно электродам полевых транзисторов, На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг, 2 — нид на

1 торец консольной пластины со стороны полевых транзисторов. !

Один торец упругого элемента в виде пьезопластины 1 закреплен не-, подвижно посредством упоров 2 относительно пьэзопластины 3 и на его противоположном торце расположены истоки, затворы 5, стоки б, структуры полевых транзисторов 7. Стоки 6 относительно истокон 4,(выходные электроды) подключены к отсчетному устройству 8. Источники поверхностных акустических волн (ПВА) 9, 10, расположенные на протиноположньи

1134 концах параллельных раздельных звукопроводов 11, 12, подключены к генератору электрических сигналова 13»

Устройство работает следующим образом. 5

В исходное состоянии, когда на упругий элемент .1 не действует внешнее усилие, его торец с .истоками и затворами 4, 5 находится на рав- с ном расстоянии от источников ПВА 9, 10

10. B этом случае время распростра- . нения электрических сигналов от генератора 13 до истоков затворов 4, 5 будет одинаковым. Прохождение ПАВ в звукопроводах 11, 12 пьезопласти- 15 ны 3 вызывает появление электростатических зарядов над истоками 4, затворами 5 (выполненными, например, из металла), которые усиливаются в структурах полевых транзисторов 7 и 2б с их стоков 6 и истоков 4 поступают на отсчетное устройство 8.

Каждая структура полевых транзисторов 7, в которые входят исток 4, затвор 5, сток 6, расположена на 25 торце упругого элемента 1 раздельно над каждым звукопроводом 11, 12.

1Входные электроды (истоки и затворы) расположены ближе к звукопроводам, чем выходные электроды (стоки) на расстояние, примерно 0,1-1 мм. Поэтому электрические заряды, сформирован- ные на пьезолластине 3, оказывают воздействие в основном только на входные электроды (исток, затвор) полевых транзисторов 7, которые усиливают электрические сигналы с большим отношением сигнал/шум, что повышает точность измерения. Цепь питания структур транзисторов по постоянному току 4О на чертеже не показана.

Истоки и затворы расположены параллельно между собой на расстоянии равным нечетному числу длин полуволн акустических колебаний в пьезопласти-4> не, что позволяет только в этом случае усиливать электрические сигналы структурами полевых транзисторов 7, 889 4 а усиленные сигналы привязывать по фазе к колебаниям генератора 13, что также повышает точность измерения.

Пьезопластина 3 выполнена с вогнутой цилиндрической поверхностью, на которой по окружности поверхности расположены два звукопровода 11, 12 с источниками встречных направлений поверхностных акустических волн

9, 10.

При воздействии внешнего усилия (ускорения) торец упругого элемента 1 с истоками и затворами 4, 5 перемещается над цилиндрической поверхностью звукопроводов 11, 12 и время распространения ПАВ в звукопроводе

11 (например) уменьшается, а в звукопроводе 12 увеличивается до истоков и затворов 4, 5. С истоков и стоков усиленные сигналы поступают в отсчетное устройство 8, которое пересчитывает величину изменения электрических сигналов (частоту, фазу, период) в единицы измеряемых усилий.

Упругий элемент 1 перемещается по радиусу. равному радиусу вогнутой цилиндрической поверхности пьезопластины 3 и между истоками 4, затворами 5 и пьезопластиной сохраняется постоянный зазор (например 0,01 мм), что способствует стабильности амплитуды выходных сигналов и точности измерения.

Ъ

Дифференциальное включение звукопроводов 11 и 12 в отсчетное устройство 8 повышает точность измереhи--и а

Упругий элемент выполнен в виде тонкой пластины из плавленного кварца, механические. свойства которого мало зависят от внешних факторов и температуры..

Применение полевых транзисторов позволяет усиливать сигналы с большим отношением сигнал/шум, что позволит уменьшить влияние внешних воздейст,вии, вызывающих появление шумов и повысить точность измерений.

1 134889

Составитель А. Северин

Редактор А. Долинич Техред З.Палии Корректор Г. Решетник

Заказ 10084/39 Тираж 898 Подписное

БНИИПИ Государственного комитста СССР по делам изобретений и открытий

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

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