Струнный датчик
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания прецизионных струнных датчиков для измерения различных физических величин. Сущность: датчик содержит корпус, натянутый в нем вибратор в виде ленты с утолщенными концами и устройство для возбуждения колебаний вибратора. При этом переходные зоны от ленточной части вибратора к утолщенным концам выполнены с радиусами перехода, не превышающими 2% от длины ленточной части вибратора. Технический результат: повышение точности. 1 ил. 
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания прецизионных струнных датчиков для измерения различных физических величин.
Известны струнные датчики, содержащие корпус, натянутую в нем струну, устройство для возбуждения ее колебаний.
Конструкция и способ крепления струны имеют первостепенное значение для обеспечения стабильности частоты - основного параметра струнного датчика.
Известны конструкции струн для таких датчиков (см. книгу П.В.Новицкий, В.Г.Кнорринг, B.C.Гутников. Цифровые приборы с частотными датчиками, Л. "Энергия", 1970, с.127-136).
Наибольшая стабильность частоты может быть достигнута при использовании в качестве струны специального колеблющегося элемента - вибратора, представляющего собой ленту, выполненную зацело со своими утолщенными концами. Такая конструкция позволяет исключить погрешности, связанные с закреплением струны в датчике.
Известен также струнный датчик с конструкцией струны, выполненной с переменным сечением так, что ее средняя часть по крайней мере в 3 раза тоньше концевых участков (см. авт. св. №504977 по М. кл2 G 01 р 15/10).
Однако в известной конструкции не учитывается влияние переходных зон от рабочей части струны к ее утолщениям, что приводит к увеличению температурных погрешностей датчика и ухудшению стабильности характеристики преобразования.
Частоту первого тона поперечных колебаний ленты с жесткими заделками, обладающей изгибной жесткостью, можно определить из выражения (см. например цитированную книгу П.В.Новицкого и др. с.143):
где F - сила натяжения,
E - модуль упругости материала,
l - длина ленты,
m - масса ленты,
J - момент инерции поперечного сечения ленты.
Как показывают расчеты и экспериментальные исследования, для реального вибратора добавка в частоту от изгибной жесткости определяется не только жесткостью (EJ) самой ленты, как это следует из формулы (1), но в основном определяется протяженностью и конфигурацией переходных зон от ленты к концевым утолщениям.
С учетом сказанного формула (1) может быть переписана в виде:
где К - коэффициент, учитывающий влияние переходных зон.
Коэффициент К всегда больше единицы.
Для достижения высокой точности струнного датчика необходимо, чтобы добавка в частоту колебаний вибратора от изгибной жесткости, определяемая вторым слагаемым в круглых скобках, была минимальной.
Эта необходимость диктуется двумя основными причинами:
1) добавка от изгибной жесткости существенно увеличивает зависимость частоты колебаний вибратора от температуры вследствие изменения с температурой модуля упругости материала вибратора.
У используемых для изготовления струн материалов температурный коэффициент модуля упругости dE находится в пределах (+130 ÷ минус 400).10-6 1/°С (см. книгу П.В.Новицкого и др., с.128-129);
2) добавка от изгибной жесткости повышает зависимость характеристики преобразования датчика от точности изготовления геометрических размеров ленты вибратора и переходных зон, что снижает точность воспроизведения характеристик в различных экземплярах датчиков.
Целью настоящего изобретения является повышение точности струнного датчика.
Для достижения этой цели в известном струнном датчике, содержащем корпус, натянутый в нем вибратор в виде ленты с утолщенными концами, устройство для возбуждения колебаний вибратора, переходные зоны от ленточной части вибратора к утолщенным концам выполнены с радиусом, не превышающим 2% от длины ленточной части вибратора.
На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого устройства.
Датчик содержит вибратор в виде ленты 1, выполненной зацело с утолщенными концами. 2.
Переход от ленточной части к утолщенным концам 2 выполнен с радиусами R, не превышающими 2% от длины ленточной части вибратора. Своими утолщенными концами 2 вибратор закреплен (например, посредством сварки) в корпусе 3. На корпусе 3 установлено также устройство 4 для возбуждения поперечных колебаний ленты 1 вибратора и съема информации о частоте.
Струнный датчик с длиной ленточной части вибратора 7,5 мм, шириной 0,12 мм, толщиной 0,015 мм и утолщенными концевыми участками диаметром 5 мм при плавных переходных зонах протяженностью 5-10% от длины ленточной части имел коэффициент К (см. формулу 2) в пределах 3-4, а при выполнении радиусом, не превышающим 2% от длины ленточной части - 1,5.
Дальнейшее уменьшение радиуса не приводит к существенному уменьшению коэффициента К и связано с технологическими трудностями.
В результате уменьшились температурные погрешности датчика и улучшилась стабильность характеристик преобразования от образца к образцу.
Датчик будет выпускаться серийно.
Формула изобретения
Струнный датчик, содержащий корпус, натянутый в нем вибратор в виде ленты с утолщенными концами, устройство для возбуждения колебаний вибратора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, переходные зоны от ленточной части вибратора к утолщенным концам выполнены с радиусами перехода, не превышающими 2% от длины ленточной части вибратора.
РИСУНКИ
