Пьезоэлектрический датчик касательных напряжений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании напряженного состояния сред с упругими и вязкоупругими свойствами. Для повьшения точности консольный упругий элемент 3 охвачен установленным с зазором в корпусе 1 стаканом 2, между которьгми зажаты пьезоэлементы 6. Возникающие в рабочей среде напряжения через пятку It вызьшают деформацию упругого элемента 3, приводящую к появлению электрических зарядов на электродах пьезоэлементов 6, пропорциональных величине приложенного напряжения. Изолирующие прокладки 7 и 8, выполненные из материала с модулем упругости меньвшм, чем у пьезоэлементов 6, являются механическими фильтрами, предотвращакицими передачу на пьезоэлементы напряже- Q НИИ, отличных от нормальных. Внутрен ние полости датчика заполнены низкомодульным компаунде, защищающим чувствительные элементы датчика от влияния рабочей среды. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. Л СП 4 СО qD

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБ ЛИК

„„SU„„1254319

А1 (51)4 С 01 ? 1/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

7 8 11 6 9

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3837287/24-10 (22) 04.01. 85 (46) 30.08.86. Бюл. Р 32 (71) Институт механики сплошных сред Уральского научного центра

AH СССР (72) В.В. Булавин и Н.В. Писцов (53) 531. 781(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 544877, кл. С 01 L 1/16, 1975.

Авторское свидетельство СССР

М 467245, кл. С 01 L 1/16, 1972. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании напряженного состояния сред с упругими и вязкоупругими свойствами. Для повьппения точности консольный упругий элемент

3 охвачен установленным с зазором в корпусе 1 стаканом 2, между которыми зажаты пьезоэлементы 6. Возникающие в рабочей среде напряжения через пятку 11 вызывают деформацию упругого элемента 3, приводящую к появлению электрических зарядов на электродах пьезоэлементов 6, пропорциональных величине приложенного напряжения. Изолирующие прокладки

7 и 8, выполненные из материала с модулем упругости меньщим, чем у пьезоэлементов 6, являются механическими фильтрами, предотвращающими передачу на пьезоэлементы напряжений, отличных от нормальных. Внутрен @ ние полости датчика заполнены низкомодульным компаундом, защищающим чувствительные элементы датчика от С влияния рабочей среды. 1 s.ï. ф-лы, 1 ил.

1254319

10

Изобретение относится к измерительной технике и можей найти применение для исследования. динамических касательных напряжений или сил трения в жидкостях, сыпучих и твердых телах, например, для исследования напряженного состояния сред с упругими и вязкоупругими свойствами.

Целью изобретения является повь|шение точности и устранение влияния рабочей среды.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

Датчик состоит из корпуса 1, в котором размещен распорный стакан 2 и консольный элемент 3, выполненный за одно целое с основанием ч. Консольный элемент 3 в месте сочленения с основанием 4 имеет поперечные проточки, образующие упругий шарнир 5, Пьезоэлементы 6 зажаты между свободным концом консольного элемента 3 и распорным стаканом 2 через изолирующие прокладки 7 и 8, имеющие модуль упругости меньше, чем у пьезокристаллов. Наружные прокладки 7 выполнены в форме цилиндрических сегментов и плотно прилегают к внутренней поверхности распорного стакана 2, а прокладки 8 выполнены в виде тонких пластин. Пьезоэлементы 6 на торцовых гранях, перпендикулярных электрической оси, имеют электроды

9, снабженные электрическими выводами 10 По оси консольного элемента 3 просверлено отверстие, которое используется для крепления пятки 1 !, передающей внешнее усилие на консольный элемент 3 и не имеющей непосредственного контакта с раснорным стака— ном 2 и корпусом 1, а также nðèêðûвающей чувствительные элементы датчика от воздействия внешней среды.

Кроме того, отверстие служит каналом для электрических выводов 10. Корпус

1 датчика выполнен таким образом,. что между ним и распорным стаканом

2 оставлен зазор, предотвращающий передачу деформаций корпуса 1 распорному стакану 2, непосредственно связанному с пьезоэлементами 6. Жесткое соединение между корпусам 1 и распорным стаканом 2 осуществлено только в нижней части датчика до высоты, не превосходящей высоту основания 4. Все свободные полости внутри датчика заполнены низкомодульным компаундом (условна не показан), t 5

На наружной поверхности корпуса дат-. чик имеет резьбу, которой он вворачивается в отверстие в стенке установки. При этом верхняя торцовая поверхность пятки 11 догина находиться заподлицо с внутренней поверхностью стенки.

Датчик работает следующим образом.

Напряжения, возникающие в рабочей среде, воздействуют на верхнюю торцовую поверхность пятки датчика, вызывая деформацию консольного элемента. За счет различия жесткостей консольного элемента на сжатие и изгиб происходит выделение и передача на пьезокристалл только той составляющей внешней нагрузки, которая направлена по касательной к поверхности пятки. Один из пьезокристаллов оказывается сжатым, а друо гой растянутым в направлении электри— ческой оси. Вследствие деформации кристаллической решетки на электродах, расположенных на гранях кристаллов перпендикулярно электрической оси, возникают электрические сигналы, пропорциональные величине приложенного касательного напряжения.

В датчике для повьппения избирательности функции чувствительного элемента, определяющего избирательность, разделены. Нагрузка в нем прикладывается к консольному элементу, который выполнен из металла за одно целое с основанием и имеет поперечные проточки,, образующие упругий шарнир. Между свободным концом консольного элемента и дополнительно введенным распорным стаканом через изолирующие прокладки зажаты пьезокристаллы. Они ориентированы так, что их электрическая ось направлена перпендикулярно плоскости кон- . сольного элемента. Введение упругого шарнира снижает изгибную жесткость консоли без существенного увеличения деформаций последней под действием нормальной нагрузки, что приводит к значительному снижению побочных воздействий на пьезокристаллы при минимальном снижении полезной нагрузки. Кроме того, такая конструкция обладает повышенной жесткостью, так как в данном случае пьезокристаллы работают на сжатие и, следовательно, она имеет более высокую собственную частоту.

1254319

Введение дополнительного распорного станка, отделенного от корпуса зазором, позволяет выделить силоизмерительную цепь, опирающуюся на основание и состоящую из консоли, пакета изолирующих прокладок, пьезокристаллов и распорного станка, от участка корпуса, подверженного вредному воздействию деформаций стенок установки. Изолирующие проклад- 10 ки, выполненные из материала с модулем упругости меньшим, чем у пьезокристаллов, например, стеклопластика, кроме их основной функции (отделения электродов пьезокристаллов

|от металлических элементов) в данной конструкции выполняют роль механических фильтров, предотвращающих передачу на пьезокристалл напряжений, отличных от нормальных. 20

Установлено, что жесткое присоединение пьезокристалпа к поверхности, имеющей модуль упругости соизмеримый с модулем упругости пьезокристалла, приводит к тому, что он генерирует заряды при отсутствии сжимающей нагрузки вследствие изгиба или растяжения опорной поверхности. Устранить такой эффект можно только вве— дением прокладок с модулем упругости меньшим, чем у пьезокристалла. Чем ниже модуль упругости прокладки, тем лучше изоляция. Однако здесь необходимо придерживаться условия, что жесткость пакета из изолирующих 35 прокладок и пьезокристаллов, работающих на сжатие, должна оставаться выше изгибной жесткости консоли с упругим шарниром. Несоблюдение такого требования приведет к резко- 4о му падению чувствительности датчика, обусловленному перераспределением сил между Пьезокристаллами и консолью

Обязательным элементом KQHcTpук- 45 ции датчика является пятка, передающая усилие на консольный элемент и не имеющая непосредственного контакта с распорным стаканом и корпусом. Введение этого элемента продиктовано стремлением максимально увеличить площадь соприкосновения рабочего органа датчика со средой, так как от этого зависит его чувствительность, и одновременно защитить его чувствительные элементы от прямого воздействия этой среды. Попадание рабочей среды внутрь датчика недопустимо, а поскольку пятка отделена от корпуса и распорного стакана, то образующийся зазор необходимо герметизировать. Традиционные приемы герметизации с помощью мембран здесь неприменимы, так как требуется сохранить податливость пятки в направлении, совпадающем с плоскостью мембраны, а эластичное уплотнительное кольцо критично к величине нормальной нагрузки и не удается подобрать оптимальное сочетание свойств кольца, обеспечивающих его прочность на срез под действием нормального давления и высокую податливость в зазоре на сжатие и сдвиг под действием приложенного к пятке касательного усилия. Заполнение всех внутренних полостей датчика низко.модульным. компаундом с модулем упругости около О, 1 МПа позволяет эффективно решить проблему защиты чувствительных элементов датчика от влияния рабочей среды. Кроме того, поскольку пьезокристаллы генерируют сигналы противоположного знака, то используя данный датчик совместно с дифференциальным усилителем, можно добиться дополнительной компенсации сигнала-помехи, имеющего одина- ковую полярность для обеих кристаллов.

Использование датчика дает возможность выполнить качественно новые экс- . периментальные исследования по непосредственному измерению напряженного состояния, возникающего в объемных конструкциях из упругих и вязкоупругих материалов при динамическом нагружении в широком частотном диапазоне. Полученные результаты помогут уточнить теоретические расчеты.

Формула и з обретения

Пьезоэлектрический . датчик касательных напряжений, содержащий корпус с закрепленным в нем консольным упругим элементом, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен охватывающим упругий элемент, консольно установленнькч с зазором в

I корпусе стаканом и двумя пьезоэлементами, каждый из которых эакреп1254319

Составитель А.Экономов

Техред М.Ходанич

Корректор E,Ñèðoõìàí

Редактор А.Гулько

Заказ 4710/44

Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r Ужгород, ул. Проектная, 4

i лен с помощью "двух прокладок на стенках стакана и упругого элемента по разные стороны от его свободного конца, при этом упругий элемент выполнен из материала корпуса, а прокладки — из материала с модулем упругости меньшим, чем у пьезоэлементов. а

2. Датчик по п. 1, о т л и ч а— ю шийся. тем, что, с целью устра нения влияния рабочей среды, он снаб жен установленной на свободном конце упругого элемента коаксиально стакану пятой, а полости. внутри датчика заполнены низкомодульным компаундом.