Устройство для измерения усилий

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Целью изобретения является повышение надежности. Устройство снабжено третьим электродом 6, расположенным на пьезоэлементе 3 вместе с вторым электродом 5, подключенным к генератору 8, возбуждающему колебания в этом пьезоэлементе. Пьезоэлементы 3, 4 укреплены на упругом элементе 2 с двух сторон от него. Электрод 7 пьезоэлемента 4 присоединен через переключатель 21 к измерительному прибору 9, выходной сигнал которого пропорционален измеряемому усилию, приложенному к пьезоэлементу 2. Электрод 6 подключен через переключатель 22 к электроду 7 и входу коммутатора 25. два выхода которого соединены через пиковые детекторы 27, 28 с входом дифференциального усилителя 29. Выход усилителя 29 связан с индикатором 30, фиксирующим наличие дефектов в пьезоэлементах. 2 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 L1/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗО6РЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4841339/10 (22) 17.04.90 (46) 23.04.92. Бюл. t4 15 (71) Одесский политехнический институт (72) P.Ã.Äæàãóïoâ, 3.8акаф, Х.А.Джалаб и

Д.P.Àõìåä (53) 531.781(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР .

М 1247692, кл. 6 01 1 1/16, 1986.

Авторское свидетельство СССР

ЬВ 466412, кл; 6 01 (1/16, 1973. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Целью изобретения является повышение надежности.

Устройство снабжено третьим электродом

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет контролировать работоспособность пьезокерамического датчика.

Известно устройство для измерения усилий, содержащее упругий элемент, закрепленный в корпус, два пьезоэлемента с электродами, установленными по разные стороны от упругого элемента. Первый пьезоэлемент снабжен двумя электродами; К одному из них подключен генератор; а ко второму подключен измерительный прибор, терморезистор, соединенный с электродами второго пьезоэлемента.

Недостатком этого устройства является то, что его конструкция не позволяет проводить диагностику работоспособности датчика в процессе измерения. Ж, 1728683 А1

6, расположенным на пьезоэлементе 3 вместе с вторым электродом 5, подключенным к генератору 8, возбуждающему колебания в этом пьезоэлементе. Пьезоэлементы 3, 4 укреплены на упругом элементе 2 с двух сторон от него. Электрод 7 пьезоэлемента 4 присоединен через переключатель 21 к измерительному прибору 9, выходной сигнал которого пропорционален измеряемому усилию, приложенному к пьезоэлементу 2.

Электрод 6 подключен через переключатель

22 к электроду 7 и входу коммутатора 25, два выхода которого соединены через пиковые детекторы 27, 28 с входом дифференциального усилителя 29. Выход усилителя 29 связан с индикатором 30, фиксирующим наличие дефектов в пьезоэлементах. 2 ил.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения усилий и давлений, содержащее упругий элемент, закрепленный в корпусе, два пьезоэлемента с электродами, установленные по разные стороны от упругого элемента; генератор, подключенный к электроду первого пьезоэлемента, и измерительный прибор, подключенный к электроду второго пьезоэлемента.

Недостатком этого устройства является то, что его конструкция не позволяет проводить контроль работоспособности датчика в процессе измерения, не снимая его с объекта измерения.

Цель изобретения — повышение надежности пьезоэлектрического датчика в процессе измерения. Эта цель достигается тем, 1728683 что в известное устройство, содержащее упругий элемент, закрепленный в корпусе, два пьезоэлемента с электродами, установленные по разные стороны от упругого элемента, генератор, подключенный к электроду первого пьезоэлемента, и измерительный прибор, введены второй генератор, счетчик, распределитель, два переключателя, коммутатор, два пиковых детектора, дифференциальный усилитель, индикатор и третий электрод, расположенный на первом пьезоэлементе и соединенный с помощью первого переключателя с электродом второго пьезоэлемента и первым входом коммутатора, два выхода которого соединены через пиковые детекторы с входами дифференциального усилителя, выход которого связан с индикатором, причем второй генератор подключен через счетчик к входу распределителя, четыре выхода которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго переключателя и второму и третьему управляющим входам коммутатора, а электрод второго пьезоэлемента соединен с измерительным прибором через второй переключатель.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемое техническое решение позволяет контролировать работу устройства в процесса измерений (во время погружения), не отключая его от измерительной системы.

Существенным отличлем предлагаемого устройства является введение дополнительного электрода на первом пьезоэлементе шириной 0,1-0,2 его длины, что позволяет контролировать работоспособность пьезоэлемента в процессе измерения, так как разница двух сигналов, снимаемых с его выхода (второго пьезоэлемента) до и после подключения к нему дополнительного электрода, остается постоянной при лсправном состоянии датчика и изменяется при частичном или полном разрушении пьезоэлементов, регистрируется индикатором.

На фиг,1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит: корпус 1, в котором по контуру закреплен упругий элемент

{мембрана) 2, пьезоэлементы 3 и 4 с электродами 5 и 6 на первом пьезоэлементе и 7 на втором пьезоэлементе, генератор 8, измерительный прибор 9, схему 10 управления, состоящую из последовательно соединенных второго генератора 11 тактовых импульсов, вырабатывающего тактовые импульсы 12, счетчика 13 импульсов и распределителя 14 импульсов, который выра5

60 батывает управляющие импульсы 15, 16, 17, 18, поступающие соответственно на управляющие входы 19, 20 переключателя 21, 22, и управляющие входы 23, 24 коммутатора

25, последний входит в состав дифференциальной схемы 26 обработки сигналов, которая содержит два пиковых детектора 27, 28, подключенных входами к коммутатору 25 и выходами к соответствующему входу дифференциального усилителя 29, выход которого подключен к индикатору 30.

Выходной электрод 7 пьезоэлемента 4 подключен к комму втору 25, соединенному со схемой обработки сигналов, и параллельно к измерительному прибору через переключатель 21. Дополнительный электрод 6 пьезоэлемента 3 подключен к переключателю 22, соединенному с выходным электродом 7, а генератор переменного напряжения 8 подключен к электроду 5 пьезоэлемента 3.

Устройство работает следующим образом, Генератор 8, подключенный к электроду

5 пьезоэлемента 3, возбуждает в колебательной системе, образованной упругим элементом (мембраной) 2 и пьезоэлементами 3 и 4 изгибные колебания. Вследствие прямого пьезоэффекта на электродах 6, 7 образуются переменные. электрические сигналы.

Распределитель 14 импульсов, подключенный к счетчику 13 импульсов, вырабатывает управляющие импульсы 15, 16, 17, 18.

Переключатели (21, 22) и коммутатор 25 последовательно подключают соответственно выходной электрод 7 к измерительному прибору 9, дополнительный электрод 6 к выходному электроду 7 и выходной электрод 7 к входам пиковых детекторов 27. 28.

С выходного электрода 7 на коммутатор поступает амплитудномодулированное переменное напряжение 31. B моменты времени t> и t2, совпадающие с временем работы до и после подключения дополнительного электрода 6 к выходному электроду 7 происходит детектирование и фиксация амплитуды пачек импульсов 32, 33 с помощью пиковых детекторов 27, 28.

В результате с их выхода на входы дифференциального усилителя 29 поступают постоянные напряжения U> и U2, связанные с возбуждающим направлением U> генератора 8 соотношениями:

U = > О, 02 = k2 к Ui где U> — выходное напряжение, снимаемое с электрода 7до подключения к нему дополнительного электрода 6;

1728683

Uz — выходное напряжение, снимаемое с электрода 7 после подключения к нему дополнительного электрода 6;

k -kz — коэффициенты трансформации пьезодатчика до и после подключения дополнительного электрода;

k — коэффициент преобразования пиковых детекторов 27, 28 (фиг.2, диаграммы 34, 35).

Для устранения влияния коммутационных помех на точность измерений, возникающих при подклю .íèè дополнительного электрода 6 к выходному электроду 7, моменты времени ti u tz выбираются меньшими времени подключения дополнительного электрода, измерительного прибора и большем времени переходных процессов в пьезоэлементе. При исправном состоянии пьезоэлемента параметр (01-Uz) остается постоянным, Это объясняется тем, что активная площадь электрода 7 при подключении к нему электрода 6 уменьшается на величину, пропорциональную площади электрода 6 и это приводит к тому, что коэффициенты трансформации kt, kz под действием измеряемой величины изменяются на одну и ту же величину, что не приведет к изменению разницы сигналов(01-0г), а при дефектах пьезоэлемента разница сигналов (01-Uz) изменяется и выходит за установленные пределы, что легко регистрируются индикатором 30, информирующим о дефектах пьезоэлемента.

Следует сказать, что величина разницы сигналов (0>-Uz) определяется в исходном состоянии упругими пьезоэлектрическими свойствами .системы и геометрическими размерами электродов.

По приведенному описанию был изготовлен макет предлагаемого устройства, в котором использовался преобразователь усилий, выполненный иэ биморфного пьезоэлемента, состоящего из двух пьезопластин типа ЦТС-19 размерами: 50х10 х 0,5 10 м. установленных по разные стороны от упругого элемента, закрепленного в корпусе, ширина дополнительного электрода была выбрана 5 10 м, Схемы 11. 13, 14, 25, 29

5 выполнены соответственно на микросхемах

К 555 ЛАЗ, К 555 И Е 7, К 555 ИО 4, К 561 КП1, К 140 МА1, а схемы.27, 28 были собраны на основе операционного усилителя типа К 140

УО 6.

10 Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известным обладает большей надежностью, так как оно позволяет диагностировать работоспособность пьезоэлемента в процессе измерения.

Формула изобретения

Устройство для измерения усилий, содержащее упругий элемент, закрепленный в корпусе, два пьезоэлемента с электрода20 ми, установленные по разные стороны от упругого элемента, генератор, подключенный к электроду первого пьезоэлемента, и измерительный прибор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности, в

25 него введены второй генератор; счетчик, распределитель, два переключателя, коммутатор, два пиковых детектора. дифферен- . циальный усилитель, индикатор и третий электрод, расположенный на первом пьезо30 элементе и соединенный с помощью первого переключателя с электродом второго пьезоэлемента и первым входом коммутатора, два выхода которого соединены через пиковые детекторы с входами дифференци35 ального усилителя, выход которого связан с индикатором, причем второй генератор подключен через счетчик к входу распределителя, четыре. выхода которого подключены соответственно к управляющим входам

40 первого и второго переключателя и второму и третьему управляющим входам коммутатора, а электрод второго пьезоэлемента соединен с измерительным прибором через второй переключатель.

1728683

72

IS

1У

l8

Составитель 3, Вакаф

Редактор Н, Козлова . Техред М.Моргентал Корректор А. Осауленко

Заказ 1400 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ. СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101