Дифференциальный пьезоэлектрический датчик силы

 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СИЛЫ, содержащий два консольно закрепленнь:х в корпусе пьезорезонатора и пружину, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения, в него введен рычаг, связанный одним концом со свободными концами параллельно расположенных пьезорезонаторов а другим концом - с пружиной, закрепленной в корпусе параллельно пьезоре-. зонаторам, при этом расстояние от точки закрепления пружины до пьезорезонатора и между пьезорезонаторамивыбрано иЬ соотношения 1:23. (Л СД О9

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИК

4(51) G 01 L 1/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 365.7821/24-10 (22) 02,11.83 (46) 30.06.85. Бюл. |1 24

:(72) В. Я. Баржин, Ф, Ф. Колпаков, Е. А. Милькевич и А. Е. Сычев (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н, Е. ЖуKOBCK0l о (53) 531.781(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

К 777495, кл. G 01 L 1/ 16, 1978, .

2. Малов В. В. Пьезореэонансные датчики. М., "Энергия", 1978, с. 182-183 (прототип).

„„SU„„1164563 А (54) (5 7) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЭОЭЛЕ КТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СИЛЪ|, содержащий два консольно закрепленных в корпусе пьеэореэонатора и пружину, о т л и ч ающи йс я тем, что, cцелью расширения диапазона измерения, в него введен рычаг, связанный одним концом со свободными концами параллельно расположенных пьезорезонаторов а другим концом — с пружиной, закрепленной в корпусе параллельно пьезоре-. зонаторам, при этом расстояние от точки закрепления пружины до пьезореэонатора и между пьезорезонаторами- . выбрано иэ соотношения 1:23.

1164563

Изобретение относится к измеритель. ной технике и может быть использовано для точного измерения статических, усилий и давлений в широких динамических диапазонах. 5

Известны дифференциальные пьезоэлектрические датчики статистической силы, содержащие два пьезореэонатора, консольно закрепленные в металлическом корпусе и соединенные на свободных концах металлической прокладкой (11.

Недостаток известных дифференциальных пьезоэлектрических датчиков статической силы состоит в узком динамическом диапазоне характеристики преобразования, причем .расширение динамического диапазона из-. мерений в таких устройствах невозможно из-эа ограниченности предельно

О допустимых усилий растяжения ь «с пьеэорезонаторов, которые в 24 раза меиьше, чем допустимые усилия сжатия Й, „.

Наиболее близким к изобретению является дифференциальный пьезоэлектрический датчик силы, содержащий два консольно закрепленных в корпусе пьезорезонатора и пружину Е2.!. г

Цель изобретения — расширение диапазона измерений.

Цель достигается тем, что в дифференциальный пьезоэлектрический датчик силы, содержащий два консольно закрепленных в корпусе пьезорезонатора и пружину, введен рычаг, связанный одним концом со свободными концами параллельно расположенных пьезорезонаторов, а другим концом — с пружиной, закрепленной в корпусе параллельно пьезорезонаторам, при этом расстояние от точки закрепления пружины до пьезорезонатора и между пьезореэонаторами выбрано из соотношения 1:23.

На фиг. 1 представлена схема дифференциального пьезоэлектрического датчика силы; на фиг. 2 — зпюра действующих сил.

Датчик содержит два пьеэореэонатора l и 2, консольно закрепленные в металлическом корпусе 3 параллельно продольной оси пружины поджатия 4 °

Пьезорезонаторы на свободных концах соединены металлической прокладкой

5, выполненной в виде рычага, между коротким концом которого и корпусом установлена пружина поджатия. В,корВ отличие от аналога, где дости- 30 жимый динамический диапазон характеристики преобразования ограничен величиной допустимого усилия растяжения

1 „, пъезорезонатрров, в устройствепрототипе благодаря использованию одновременного поджатия пьезорезонаторов посредством пружины удается расширить диапазон воздействующих усилий до 12 „, Однако предельно допустимые усилия сжатия пьезореэонато-40 ров Ь „составляет 246, а с учетом того, что в консольной конструкции при воздействии измеряемой силы F один из резонаторов подвержен растяжению, а второй сжатию, потенциально 5 возможный,диапазон измеряемых усилий составляет 256 „. Таким образом, известные конструкции дифференциальных пьезоэлектрических датчиков статической силы, ви1ючая и датчики ста- g0 тйческой силы (датчик-прототип), не используют и половины возможностей . по измерению статической усилий, которые может обеспечить пьезокварц, что ограничивает также, достижимую у точность измерений и динамический диапазон контролируемых статических сил. пусе датчика выполнено отверстие 6, через которое,в торец металлической прокладки, соединяющей пьезорезонаторы, воздействует измеряемая статическая сила F. Кроме того, электро" ды 7 пьеэореэонаторов подключены.к автогенераторам 8 и 9, которые нагружены ha входы смесителя 10, связанного через фильтр нижних частот 11 с выходом 12 устройства, а пружина поджатия снабжена устройством регулировки поджатия, содержащим винт 13 и шарик 14.

Дифференциальный пьезоэлектрический датчик статической силы работает следующим образом, Как видно из эпюры действующих в конструкции датчика сил (фиг. 2), при равенстве нулю измеряемой статической силы F состояние -пьезорезонатором 1 и 2 предлагаемого датчь ка полностью определяется выбором силы поджатия Р„, под пружины 4, задаваемой винтом 13 посредством шарика 14, и соотношением длин плеч

g„/ g> рычага-прокладки 5, связывающей пьеэорезонаторы 1 и 2 на свободных концах. Поскольку опорой рычагапрокладки 5 служит пьеэорезонатор 1, расположенный со стороны короткого з l 1645б3 4 плеча Рт этого рычага, на которое и ние генерируемой этим автогенератовоздействуе поджимающая сила F, ром частоты f „, а на выходе второчто согласно правилу рычага в соот- го автогенератора 9 с учетом приловетствии с эпюрой, приведенной на женного к пьезорезонатору 2 максимальфиг. 2, можно записать следующие со- 5 но допустимого растягивающего усиотношения: лия 4>р„г- получим минимальное зна „,ц, т = F p cc T E 2 1 () чение его частоты f> Ä.„, При воздей -(т 4)= -, (2) ствии измеряемой силы У пьезорезонагде F — сила, попткимающая пружи- тоР 1 бУДет поДвеРгатьсЯ РастЯжению ну 4; 10 (дй /dF c 0), а пьезорезонатор 2, F<+© — сила, растягивающая пьезо- наоборот, точно такому же по величирезонатор 2 посредством не сжатию(ЙГ /dF ) 0) . Тогда необходлинного конца (рычага 5 димым условием правильной работы предF — сила, сжимающая пьеэорезо- лагаемого датчика является выполнение натор 1; 15 неравенства f> (f - что нет tea z tmn — длина короткого конца ры- трудно обеспечить выбором начальных чага; значений собственных частот Й „и f q Eт — длина длинного конца рыча- пьезорезонаторов I и 2, ra. При воздействии измеряемой силы

После несложных преобразований из 2 » F, измеряющейся от своего минимальновыражений (1) и (2) получаем го значения F;„=0 до максимального 2 (3}

Г,„„„, пружина поджатия 4 вследствие 6 (раст малой поперечной жесткости не оказыЕ = — — -- — Г . (4) вает влияния на результаты измерений, Р, 25 а максимальное значение измеряемой

Так как прикладываемое к пьезо- силы Е„,„„определяется таким состоякварцу максимально допустимое усилие нием датчика в условиях воздействия растяжения Ь „, в 2 раза меньше пре- F, когда пьезорезонаторы 1 и 2 с

Э р С дельно допустимого усилия сжатия Ь., точки зрения воздействующих на них

g„+E 30 Усилий

I выражении (4) также должна равнятьая при ° =0) в РезУльтате выполнениЯ

24, а соотношение плеч рычага-проклад- прокладки 5 в виде Рычага с опРедеки 5 будет равно p/ 1 23 При этом Н3 вы ленны соо ношением плеч (1 /2 3) и ражения (3) видно, что дпя задания в з введениЯ силы поджатиЯ Рпо* к пьеэопьеэорезонаторах 1 и 2 максимально Резонатору 1 пРиложено максимально допустимых усилий Ь =23 и 6> допустимое усилие сжатия Й > с рстст ра« 9

C 7L ттрикладываемая к nog ° 24 4 z„ жимающей пружине сила F должна максимально допУстимое Усилие РастЯno* иметь величину 23 Е что соответ- дп meHH . ст то при максимальнО ствует 23 6 допустимом нагружении предлагаемого

Таким образом, при Вт/E = I/23 и датчика Г=Г „„, благодаря его новым выборе поджимающей силы р равной . констрУктивным особенностям по сравР

ao*>

23 F где F — предельно допус- HeHHro c Устройством пРототипом тимая сила растяжения пьезореэонато- 45 поскольку пьезорезонатор 1 посредров, пьезорезонатор 1 будет испыты- ством прикладываемой силы F растягивать максимально допустимое для него . вается, а пьезореэонатор 2 сжимаетусилие сжатия 6 =24 « » а пьезо- ся, оказывается, что к пьеэорезочаЭ Ф резонатор 2 при этом будет испыты- тору 1 уже приложено максимально вать предельно допустимое дпя него 5О допустимое усилие растяжения и роост усилие растяжения Ь

pàñò. а к пьезореэонатору 2 наоборот

Так как пьезорезонаторы 1 и 2 максимально допустимое усилие сжавключены своими электродами 7 в схемы тия C =24 Ьр9 . В результате

9 автогенераторов 8 и 9 соответствен- диапазоны прикладываемых к пьезорено, то на выходе первого из автогене.55 эонаторам 1 и 2 усилий в процессе раторов 8 с учетом поджатия пьезоре- изменения измеряемой силы от F . =О

min эонатора 1 сжимающим усилием Й,» = до Р „ составляют максимально до=24>ðð«получим максимальное значе- стнжимую для пьезокварца величину

1164563

25 и изменяются для пьезорезонатора 1 от + Ь =241 „, до—

6 „, а для пьезорезонатора 2 наоборот от — Ьр„, до +, =24 6 С,,.

Как видно, диапазон прикладываемых к пьеэорезонаторам 1 и 2 усилий в предлагаемом устройстве в 25 раз больше, чем в устройстве-аналоге и приблизительно в 2 раза больше, чем в устройстве-прототипе. При этом, по!

О скольку относительные изменения частот пьезорезонаторов определяются . уровнями создаваемых в них напряжений, в соответствующее число раз больше максимальная статическая сила F и полезная девиация информационной разности частот f„и f которая выделяется посредством цепи, содержащей последовательно соединенные смеситель 10 и фильтр нижних частот 11, и поступает на выход 12 устройства. Эта разность частот f è

fq, формируемых автогенераторами

8 и 9 и поступающих на входы смесителя 10, изменяется от своего минималь- ного значения (при У=О) а f

f111 Р 1 ttlCI)t

f ; до максимального, равного чем величина F „ для предлагаемого датчика примерно в 2 раза больше, чем для прототипа.

В дифференциальном пьезоэлектрическом датчике статической силы приблизительно в 2 раза по сравнению с прототипом увеличен динамический 35 диапазон констролируемой статической силы эа счет более полного использования физико-механических свойств материала пьеэокварца, иэ которого выполнены чувствительные элементы 40 датчики-пьезсрезонаторы 1 и 2, В ре— зультате при сравнительно несложных конструктивных изменениях известных датчиков удается значительно расширить их возможности, что обеспечивает45 сокращение номенклатуры выпускаемых промьппленностью дифференциальных пьезоэлектрических датчиков статической силы.

Расширение динамического диапазо- 50 на измеряемь!х статических сил неиз бежно ведет и к соответствующему повышению точности измерений. Это объясняется тем, что при одинаковых . максимальных динамических диапазо- и нах контролируемых статических сил в предлагаемом устройстве и прототипе в последнем необходимо более чем в 2 раза повысить механическую прочность чувствительных элементовпьезорезонаторов например за счет соответствующего увеличения их толщины, беэ чего они просто разрушатся. Однако это приведет к резкому снижению относительных изменений частоты (чувствительности) и, следовательно, к увеличению влияния на точность измерений погрешности нуля датчика.

В случае же, когда в предлагаемом датчике и прототипе чувствительность, а значит и точность измерений будут обеспечены только в диапазоне воздействующих сил от Г„„-„ =О до

F =F „, на другую половину динамического диапазона контроли— руемых сил от Р „/2 до Рп1 „ следует брать датчик-прототип уже с более толстыми (в два раза), а значит и менее чувствительными резонаторами.

Очевидно, что это помимо расширения номенклатуры датчиков приводит к более чем двукратному ухудшению точности измерений, так как повьппается вклад в результаты измерений погрешности нуля характеристики преобразования из-за соответствующего снижения чувствительности пьезорезонаторов ° Следовательно, если устройство-прототип обеспечивает максимально достижимую точность измерений в динамическом диапазоне измеряемых статических сил от

F Ä =0 до примерно F /2 - 12 с,, -, (предлагаемый), то дифференциальный датчик статической силы обеспечивает такую же точность уже в приблизительно в два раза расширенном диапазоне контролируемых статических сил от Г „.„= О до Г ... 25K „., чт о эк в ив ален тн о приблизительно двукратному повышению точности измерений в диапазоне контролируемых усилий.

Предлагаемый датчик наряду с расширением технических возможностей дифференциальных датчиков статической силы обеспечивает снижение их номенклатуры и повышение точности измерений.

1164563

Составитель Н. Северина, Редактор К.. Волощук Техред О.Веце Корректор И. Эрдейи

Заказ 4178/38 Тиран 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, 4