Датчик силы

 

ДАТЧИК СИЛЫ, состоящий из внутреннего кольца, на внутренних выступах которого параллельно один другому и симметрично относительно его горизонтальной плоскости симметрии жестко закреплены два дисковых пьезокварцевых резонатора, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности , сверху и снизу от внутреннего кольца симметрично относительно его горизонтальной плоскости симметрии размещены два одинаковых внешних цилиндрических упругих кольца, соединенных с внутренним кольцом коническими перемычками, причем суммарная площадь сечений внешних колец в 3-8 раз превышает суммарную площадь сечений внутреннего кольца и конических перемычек, длина стенок конических перемычек в 5-20 раз больI - I ше их толщины, а угол при вершине конуса перемычек выбирают по соотношению и л а H-fi y 2«rct - - , где V - угол при вершине конуса переьвычек, рад Н - расстояние между внешними кольцами, мм Ь - ширина внутреннего кольца, MMi D ,« - внешние диаметры внешних и внутреннего колец соответ5 ственно, мм. 2.Датчик по п. 1, отличающ и.и с я тем, что пьезокварцевые резонаторы связаны с внутренним кольцом по дуговым выступам в пределах углов 10-60, причем через центры, этих дуг проходят оптическая ось. одно го резонатора и механическая ось другого . . 3.Датчик по п. 1, отличаю щийся тем, что вдоль конических перемычек и внутреннего кольца выNU псхпнены два взаимно перпендикулярных СП паза, плоскости которых проходят го через вертикальные оси симметрии датчика , причем ширина пазов в 1,2-3,7 раз меньше диаметра пьезокварцевых резонаторов.

COOS СОВЕТСНИ)(СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСОУБЛИН д114 С 01 L 1/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ;;.

К АВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ1Ф (21) 3703224/24-10 (22) 20.02.84 (46) 15.07.85. Бюл. В 26 (72) В.Я. Баржин и Ю.С. Шмалий (53) 531. 781(088. 8) (56) 1. Патент США У 3617780, кл. 73-141, 1967.

2. Авторское свидетельство СССР

М- 558189, кл. G 01 L 9/08,. 1975 (прототип) . (54)(57) ДАТЧИК СИЛЫ, состоящий из внутреннего кольца, на внутренних выступах которого параллельно один другому и симметрично относительно его горизонтальной плоскости симметрии жестко закреплены два дисковых пьезокварцевых резонатора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, сверху и снизу от внутреннего кольца симметрично относительно его горизонтальной плоскости симметрии размещены два одинаковых внешних цилиндрических упругих кольца, соединенных с внутренним кольцом коническими перемычками, причем суммарная площадь сечений внешних колец в

3-8 раэ превышает суммарную площадь сечений внутреннего кольца и конических перемычек, длина стенок конических перемычек в. 5-20 раэ больSU„„167452 А

me их толщины, а угол при вершине конуса перемычек выбирают по соотношению

Н-Ь 2gglÑtg— э-а где Ч - угол при вершине конуса перемычек, рад1

Н вЂ” расстояние между внешними . кольцами, мм;

h — - ширина внутреннего кольца, мм 1

3,af - -внешние диаметры внешних и внутреннего колец соответO ственно, мм. В

2.Датчикпоп. 1, отличаюшийся тем, что пьезокварцевые резонаторы связаны с внутренним кольцом по дуговым выступам в пределах углов 10-60, причем через центры. Я этих дуг проходят оптическая ось. одно

ro резонатора и механическая ось дру-, гого.

3. Датчик по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что вдоль конических перемычек и внутреннего кольца выполнены два взаимно перпендикулярных 4 » паза, плоскости которых проходят . Ю через вертикальные оси симметрии дат-. К) чика, причем ширина пазов в 1,2-3,7 раэ меньше диаметра пьезокварцевых резонаторов.

11674. «2

Изобретение относится к технике кзмерений механических усилий и может быть использовано в разработках датчиков давлений, перемещений, ускоре»ий и т.д, Известен датчик.. состоящий из линз оного оезонатора, выполненного н ниpå перемычки и lIüåçoIiHàpöåHoì цили 1д— ре, 1аполненном гелием и закрытом крышкой из пьеэокнарца, основан-! ный на преооразователе измеряемого р. HpàìLTpH н частоту генерации путем всестороннего сжатия пьеэокварцево. о цилиг1дра внутри кОторОГО l«ахОдится

«унсTIII Tå:ir»I»I.I элемент Г1 71.

Недостатком этого датчика явля— ется температур»ая погрешность, опре,деляемая температур« ой частотной характеристикой кварцевого резонатора.

Наиболее олиэким по технической сущности к изобретению янляется датчик силы, содержащий упругое кольцо с чунстнительными элементами ньн;ол»е »ными в виде идентичных пьезоэлектрических вибраторон с взаимно перне»дик лярнымк силочунствитель»ьп.п осями и укрепленными на торцевых ны—

Г- I ступах упругого кольца

=0

Такой преобразователь познолясt измерять параметры давления в широксм диапазоне температур, однако имеет недостаточную точность и чувстнитсльность. «

Дель изобретения — повышение то ности и чувствительности

Поставленная цель дости«-ается тем,, НТо н датчике силы, состоящем из Ю внутреннего кольца. на внутренних выступах которого параллельно оцин др у Гому симметрич11О От»Оситель»О е гО

Г opиэонталънОЙ и. IОскОсти симметриH жестко закреплены дна длско1зых пьезо-15 кварцевых резонатора, сверху и снизу

oT внутреннего кольца симметрично относительно его горизонтальной плоскости симметрии размещены дна оди»аконых внешних цилиндрических упру- 50 гих кольца, соединенных с внутренним кольцом коническими перемьгчками, причем суммарная площадь сечений внешних колец в 3-8 раз пренышает суммарную площадь сеченкй н»утреннего копь-S5 ца и конических перемьГчек., длина стенок конических перемычек в 5-20 раз больше их толщины, а угол при вершине конуса перемычек выбирают по соотношению:

Н-t« -Г = 2 arotg

D-d угол »ри вершине конуса, Р д

Н вЂ” расстояние между внешними где кольцами, мм;

t1 — ширина внутреннего кольца м."л внешние диаметры внешних и внутреннего колец, соответстненно, мм.

Пьезокварцевые резонаторы связаны с внутренним кольцом по дуговым выступам в пределах углов 10-60", причем чере з центры этих дуг проходят оптическая ось одного резонатора и механкческая ось другого. Кроме того, вдоль конических перемычек и внутреннего кольца выполнены дна взаимно перпендикулярных паза, плоскости которь1х проходят через вертикальные оси симметрии датчика, при чем ширина пазов в 1,2-3,7 раэ меньшс диаметра пьезокварценых резонаторов.

На фиг, 1 показана конструкция датчика СУ1лы1 на фиг, 2 — сечение внутреннего кольца с установленным

B»ем пьезокварцегым резонатором для двух крайних значений углов l0 и 60 ; на фиг„ 3 — зависимости коэффициента силочунствительно ти

К, для резонаторов AT-среза; на фи", 4 — варианты установки пьезокварцевых резонаторов на внутренних выно перпендикулярными пазами.

Датчик силы состоит из внутреннего цилиндрического упругого кольца 1, на ннутреннкх выступах 2 которого параллельно один другому и симметрично по Отношснию K ГОризОнтальной оси симмезрии з1лу-треннего, цилиндрического у1тругorо кольца 1 жестко закреппе1лы два дисковых пьезокерамических резонатора 3. Сверху и снизу от внутреннего цилиндрического упругого кольца скмметрично его осям ступах внутреннего кольца по углам ж = !О и 60 ; на фиг, 4 обозначены и Z — оптические оси и Х и Х

2 2 механические оси пьезокнарцевых резонаторов, 1ричем оск Z и Х2 сонпада1 ют, поскольку при этом наблюдается максимальная силочувствительность датчика, на фиг. 5 — вариант конструкции датчика с выполненными нзаим1167452

Н = «2

dd (6) 35

Пьезокварцевые резонаторы 2 выполнены в виде дисков, на плоскостях которых напыпены электроды Ь, расположенные друг под другом, и шейки 40 электродов 7, подключенные к автогенераторам. Усилие P трансформируется в усилие Р, распределяемое равномерно по торцам резонаторов 3 в пределах дуг, по которым они контакти- 45 руют с внутренними выступами 2 внутреннего кольца 1 (фиг. 4). Этим обеспечивается надежный протяженный контакт внутреннее кольцо — резонаторы, улучшающий теплообмен и повышающий 50 надежность элемента. Резонаторы расположены по отношению к усилию P таким образом, чтобы в пределах углов с6 вектора усилия P действовали толь— симметрии расположены два одинаковых внешних цилиндрических упругих кольца 4, соединенных с внутренним упругим кольцом 1 коническими перемычками 5. Кроме того, на фиг. 1 пока- 5 заны элементы пьезокварцевых резонаторов 3: электроды резонаторов 6 и шейки электродов резонаторов 7 °

Датчик силы работает следующим образом.

После сборки силопередающего элемента и установки пьезокварцевых резонаторов 3 последние подключаются каждый к автогенератору (не показаны), выходы которых подключены к входам 15 смесителя (не показан). На выходе смесителя формируется сигнал разностной частоты двух колебаний, пропорциональный измеряемой силе P .

Датчик (фиг. !) устанавливается для проведения измерений таким образом, чтобы сила Р была направлена перпендикулярно к внешним плоскостям его внешних колец.

Воздействие силы Р, приклады25 ваемой как показано на фиг. 1, вызывает уменьшение расстояния Н между внешними кольцами 4 на величину

Л Н, что приводит к передаче усилия на внутреннее кольцо 1 и изменению его диаметра d на величину дд . При этом коэффициент преобразования деформаций определяется как ко в пределах отрицательной силочувствительности для одного резонатора и положительной силочувствительности для другого резонатора 3.

Достигается это такой установкой резонаторов 3, при которой оптическая ось одного резонатора и механическая ось другого резонатора проходят через центры дуг,по которым эти резонаторы контактируют с выступами 2. На фиг..3 видно, что

I вдоль оси 2 наблюдается максимальная отрицательная, а вдоль оси Х— положительная чувствительность дисковых резонаторов AT-среза, используемых в предлагаемой конструкции.

Во втором варианте датчика (фиг.5) вдоль перемычек и внутреннего кольца сделаны два взаимно перпендикулярных паза, плоскости которых проходят через вертикальные оси симметрии силопередающего элемента. Этим повышается чувствительность датчика за счет уменьшения его жесткости.

Предлагаемый датчик имеет следую щие преимущества по сравнению с известными.

Погрешности от гистерезиса и невоспроизводимости уменьшаются примерно в 2-5 раэ, поскольку оба пьезокварцевых резонатора работают только на сжатие, что позволяет использовать способ непосредственного контакта резонаторов 3 с выступами 2, без промежуточных соединений.

Нестабильность частоты генерации, влияющая на основную погрешность, уменьшена примерно на порядок введением гредварительного поджатия, необходимого для крепления резонаторов 3.

Уменьшены динамические тейпературные погрешности размещением резонаторов внутри силопередающего элемента и обеспечением протяженного контакта по дугам, что улучшает теплообмен и уменьшает градиенты температуры.

Расширен диапазон измеряемых сил.

Увеличен коэффициент преобразования деформаций, который в прототипе меньше или равен 1,0, а в.предлагаемой конструкции всегда больше единицы, т.е. повышена чувствительность.

1167452

1167452

Фиг.2 тическаа ось 2

Ю вЂ” угу аасяои ение уси ик и резонатора

) 167452

Составитель В. Годзиковский

Техред С.Мигунова Корректор М. Самборская

Редактор К. Волощук

Тираж 897 Подписное.

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 424/39

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