Тензодатчик (его варианты)

 

1. Тензодатчик, состоящий из тензочувствительного монокристаллического звукопровода с размещенными на нем источником и приемником колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности , в него введены два магнита с плоскими полюсами, а звукопровод выполнен в виде прямоугольной пластины из антиферромагнетика, вырезанной так, что продольная ось симметрии совпадает с кристаллографической осью высшего порядка, а плоскость пластины перпендикулярна кристаллографической оси второго порядка , при этом пластина помещена между полюсами магнита так, что плоскость пластины перпендикулярна плоскости полюсов магнита, а источник н приемник колебаний расположены на противоположных боковых гранях пластины, перпендикулярных продольной оси симметрии. 2. Тензодйтчик, состоящий из тензочувствительного МОнокристаллического звукопровода с размещенным на нем источником и приемником колебаний , отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности , в него введены два магнита с плоскими полюсами, а звукопровод выполнен в виде прямоугольной пласти ны из антиферромагнетика, вырезанной так, что продольная ось симметрии ее наклонена к кристаллографической оси высшего порядка под углом 45° по часовой стрелке, и боковая грань, параллельная продольной оси симметрии , повернута к кристаллографической оси второго порядка под углом 54°44 СО 00 а по часовой стрелке, при.этом рластина помещена между полюсами магнита так, что плоскость пластины перпендику ч| лярна плоскости полюсов магнита, а ю источник и приемник колебаний расположены на противоположных боковых гранях пластины, перпендикулярных продольной оси симметрии.

СОЮЗ СОВЕТСНИК

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(5 ) G 01 1, 1/16; G 01 Т 9/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ::

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 365081 7/24-10 (22) 11.10.83 (46) 07,02.85. Вюл. !Ф 5 (72) Н.П.Евтихиев, В.В.Мошкин.

В.Л.Преображенский и Н.А.Экономов (71) московский институт радиотех— ники, электроники и автоматики (53) 531.781.531.787(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР ! - 905667, кл. G 01 L 1/16, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР !

1- 191867, кл. С 01 L 1/14, 1965.

3. Авторское свидетельство СССР !! - 951089, кл. G 01 L 9/08, 1980 ,(прототип). (54) ТЕНЗОДАТЧИК (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57) 1. Тензодатчик, состоящий из тензочувствительного монокристаллического звукопровода с размещенными на нем источником и приемником колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены два магнита с плоскими полюсами, а звукопровод выполнен в виде прямоугольной пластины из антиферромагнетика, вырезанной так, что продольная ось симметрии совпадает с кристаллографической осью высшего порядка, а плоскость пластины перпендикулярна кристаллографической оси второго порядка, при этом пластина помещена между полюсами магнита так, что плоскость пластины перпендикулярна плоскости полюсов магнита, а источник и приемник колебаний расположены на противоположных боковых гранях пластины, перпенди кулярных продольнои оси симметрии.

2. Тенэодатчик, состоящий иэ тензочувствительного монокристаллического звукопровода с размещенным на нем источником и приемником колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены два магнита с плоскими полюсами, а звукопровод выполнен в виде прямоугольной пластины иэ антиферромагнетика, вырезанной так, что продольная ось симметрии ее наклонена к кристаллографической оси высшего порядка под углом 45 по часовой стрелке, и боковая грань, параллельная продольной оси симметрии, повернута к кристаллографической оси второго порядка под углом 54 44 по часовой стрелке, при этом пластина помещена между полюсами магнита так, что плоскость пластины перпендикулярна плоскости полюсов магнита, а источник и приемник колебаний расположены на противоположных боковых гранях пластины, перпендикулярных продольной оси симметрии.

1138б72

Изобретение относится к области тензометрии и может быть использовано для измерения механических величин (сил, давлений,,деформаций, ускорений) в устройствах автоматического регулирования и системах управления.

Известны тензометрические устройства, принцип работы которых основан на зависимости акустических свойств

/ материалов от внешних механических воздействий. К таким устройствам относятся пьезорезонансные тензочувствительные датчики. Примером конкретного выполнения таких датчиков может служить пьезорезонансный преобразîBàтель усилий. В качестве чувствительного элемента использован высокочастотный пьезорезонатор с колебаниями сдвига по толщине, выполненной в формме диска. К01 тру - 2О ция устройства предусматривает приложение торцовых усилий сжатия к плоскости резонатора. При этом положение диска фиксируется плоской пружиной, создающей предварительное сжатие чувствительного элемента в направдении воздействия измеряемых усилий. Тензочувствительность пьезоэлектрических резонаторов является следствием зависимости частотно-оп3Î ределяющих параметров вибратора: его геометрических размеров, плотности и упругих свойств от напряжений, создаваемых в теле пьезоэлемента P1).

Из множества разновидностей

35 пьезорезонаторов в качестве тензопреобразователей применяются только пьезоэлементы, использующие колебания сдвига по толщине и колебания изгиба. Это связано с тем что тенэ 1() зочувствительный резонатор должен находиться В жестком механическом контакте с другими элементами конструкции датчика, служащими для крепления резонатора и передачи воздействия

45 на неГО При этОм IIpoIIcxopHT демпфи, рование резонатора и увеличение потерь акустической энергии. В ðåзультате снижаются добротность, стабильность частоты и, в конечном итоге, точность. Для устранения этих нежелательных явлений приходится искать

1 методы акустической развязки резонатора, а в ряде случаев полностью отказаться от пьезорезонансных методов измерения.

Известно устройство измерения внутренних упругих деформаций в твердых телах, основанное на явлении двойного лучепреломления объемной звуковой волны в деформированной среде. Устройство содержит излучающий ультразвуковой преобраэователь, приклеиваемый к объекту, в котором измеряются упругие деформации, приемный ультразвуковой преобразователь, приклеиваемый в этому же объекту на противоположной стороне через упругую прокладку. Вектор поляризации приемного преобразователя ориентируется ортогонально к вектору поляризации излучающего преобразователя. Пря такой ориентации в отсутствие деформаций в объекте и в упругой прокладке направление вектора поляризации принимаемой звуковой волны ортагональ1 а вектору поляризация приемного преобразователя и сигнал на выходе устройства отсутствует: При внешнем воздействия на обьект в нем возникают деформации, которые вызывают поворот плоскости поляризации зв ка относительно поляризации приемного преобразователя и появление сигнала на выходе. Деформируя упругую прокладку, можно создать в ней деформация, компенсирующие поворот вектора поляри-. зация звука в объекте„ что прчводят к уменьшению сигнала на выходе устройства. При этом о величинах деформаций в объекте судят по величине известных деформаций, создаваемых искусственно B упругой 11рокладке 1 21.

Однако при таком способе измерений в результате двойного луче11реломленяя в объекте возникают пва акустических луча с ортогональными Iioля,п;:I-çàöèÿìè (обыкновенный и необыкновенный), которые, интерферируя, дают эллиптическую поляризацию, звука. В результате не удается достичь полной компенсации сигнала на выходе, что снижает точность измерения. Кроме

ТОГО |lph ИЗМЕрСНИЯХ Cs 71ЦСС ВЕ-ИНЫМ является направление дефогмирующего прокладку усилия, что гриводит к дополнительному усложнению процесса измерения.

Наиболее бли"-кям по технической сущности к предлагаемому является тензодатчик, состоящий яз тензочувствительного монокристаллического звукопровода с размс щеннымя на нем источником и приемником колебаний 3 . Ъ

Недостатком устройства является

ИИзкая чувствительность.

1138672

Цель изобретения — повышение чувствйтельности.

Поставленная цель достигается тем, что H тензодатчик, состоящий из тенэочувствительнаго монокристаллического звукопровода с размещенными на нем источником и приемником колебаний, введены два магнита с плоскими полюсами, а звукопровод выполнен в виде пластины из антиферромагнетика, вырезанной так, что продольная ось .симметрии совпадает с кристаллографической осью высшего порядка, а плоскосгь пластины перпендикулярна кристаллогра@ической оси второго порядка, при этом пластина помещена между полюсами магнита так, что плос.<ость пластины перпендикулярна .ivor:roñòè полюсов магнита, а источник и приемник колебаний расположены па противоположных боковых гранях пластины, перпендикулярных продольной оси симметрии.

По второму варианту у тензодатчика выполнен такой срез пластины, при котором продольная ось симметрии пластины «аклонена к кристаллографической оси вь.сшего порядка под углом 45 по часовой стрелке и боковая грань, параллельная продольной оси симметрии, повернута к кристаллографической оси второго порядка под углом 54 44 по часовой стрелке.

На чертеже представлено устройство.

1О

Звукопровод 1 вырезан -из монокрист;мпла и имеет форму переллелепипеда, у которого размеры двух противо.:.о;..oæíûõ граней определяются размерами размещаемых на них ультразвуко- 40 вых прео" ðà. çîâà- òåëåé "2 и 3, а расстояние между этими гранями выбирается в пределах 0„5-1 см и oãðaíè÷èâàåòñÿ величиной допустимого ослабления амплитуды -..игнала в звукопроводе. Преоб- 45

pasoватель 2 служит для возбуждения. акустической волны, а преобразователь

3 вЂ,ля приема. Звуколровод помещен между полюсами 4 и 5 постоянного магнита. напряженность поля которого 50 ориентируется параллельно граням с пьезоэлектрическими преобразователями. По обе стороны от звукопровода между полюсами магнита расположены соединенные последовательно управ- 55 ляющие катушки 6 и 7., плоскость которых совпадает с плоскостью полюсов, а напряженность магнитного поля кол» линеарна напряженности поля постоя«ного магнита. Катушки служат для регулирсвания напряженности магнитного поля, что приводит к изменению чувствительности датчика. К граням звукопровода, свободным от пьезо— преобразователей и параллельным напряженности магнитного поля, прикладываются сжимающие деформации, подлежащие измерению. Кристаллографические оси монокристалла ориентируются относительно граней звукопровода в зависимости от достигаемой цели. Для получения высокой линейности характеристики устройства кристаллографические оси второго и третьего порядка направляются перпендикулярно напряженности магнитного поля.

При этом ось второго порядка параллельна направлению приложения изме,ряемого давления, а ось третьего порядка перпендикулярна граням звукопровода, на которых расположены пьезоэлектрические преобразователи.

Вектор поляризации преобразователей ориентируется вдоль оси второго порядка. Для увеличения ч;вствительности датчика применяется срез YZb5/ /-4 ь/+35 16.

В качестве материала для звукопровода используется антиферромагнетик с анизотропией типа "легкая плоскость". Подобные антиферромагнетики, как и другие магнит«ые материалы, обладают точкой фазового перехода из магнитоупорядоченного r.or. Toÿíèÿ в парамагнитное состояние. Температура, характеризующая этот переход для антиферромагнетиков, называется температурой Нееля (TN) и колеблется в широких пределах: от 18 К для

СОСО> до 960 К для гематита oL — Fe>0 .

Устройство также может быть реализовано на ПАВ. При этом звукопровод выполняется в виде пластины, вырезанной из монокристалла,антиферромагнетика в плоскости, перпендикулярной оси третьего порядка. На поверхности пластины напыляются две системы встречноштыревых преобразователей

{ВШП), которые сверху покрываются пьезоэлектрической пленкой окиси цинка (ZnO). Один из преобразовате- . лей служит для возбуждения ПАВ, другой для приема. Остальные элементы внешнего действия аналогичны предыдущему варианту выполнения устройства.

1138672

Устройство работает следующим образом.

К излучающему ультразвуковому преобразователю подводится гармоническое высокочастотное напряжение.

При этом в звукопроводе возбуждаются в общем случае три акустические волны с взаимно ортогональными поляризациями, распространяющиеся к приемному преобразователю и имеющие раз- 10 личные скорости. При деформировании звукопровода происходит изменение величины эффективных модулей упругости материала звукопровода, приводящее к изменению скоростей акустичес- 1S ких волн. Если звук распространяется вдоль оси третьего порядка, то одна из трех акустических волн поляризована вдоль кристаллографической оси второго порядка. Ориентируя вектор 20 поляризации излучающего и .приемного сдвиговых преобразователей вдоль оси второго порядка, можно добиться ,одпомодового режима распространения звука, когда возбуждается только одна 5 звуковая волна. При этом достигается высокая линейность зависимости скорости звука от внешнего давления на звукопровод. Изменение скорости звука приводит к изменению времени распространения звуковой волны до приемного преобразователя. В результате фаза сигнала на выходе датчика будет меняться пропорционально величине деформаций звукопровода.

При применении среза YZ3S/-45 /

/+35 16 одномодовый режим распространения звука реализовать не удается ни при какой ориентации вектора поляризации пьезоэлектрических преобразователей. В звукопроводе распространяются одновременно три акустические волны, скорости которых имеют одинаковый характер зависимости от внешнего давления. После сложения этик волн на выходе датчика образуется результирующий. сигнал, фаза которого зависит от внешнего давления в большей степени, чем в случае одномодового режима распространения звука по звукопроводу.

Однако при этом возрастает нелинейность характеристики тензодатчика вследствие различия скоростей акустических волн.

Скорость звука в антиферромагнетике зависит от величины напряженности внешнего магнитного паля. Это позволяет осуществить регулировку чувствительности тензодатчика путем изменения напряженности постоянного магнитного поля с помощью уп1 авляющих катушек.

ДМ

При деформации звукопровода

=10 относительное изменение выхидь ного сигнала известного датчика имеет ф порядок величины -- 10 . В предла. f гаемом датчике при таком уровне деформации относительное изменен- е.си-.нала ь|,-3 составляет — = 3 5-10 что позво> 9 ляет снизить минимальную величину из" меряемой деформации более чем яа три порядка.

Возможность регулирования чувстнительности датчика позволяет в процессе эксплуатации при периодической поверке компенсировать измене,тие параметров отдельньгх элементов конструкции с течением времени, что обеспечивает продление срока слукбь ьатика. !

1138672

Составитель Н. Северина

Редактор Е. Лушникова Техред Т.Дубинчак Корректор Л; Пилипенко

Заказ 763

Тираж 897

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,