ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСИЛИЙ Российский патент 1994 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерительным преобразователям механических усилий на основе пьезоэлектрических тензочувствительных резонаторов или пьезоэлементов.

Известны пьезорезонансные измерительные преобразователи механических параметров [1]. Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является преобразователь, содержащий упругий элемент в виде балки с локальным утоньшением и тензочувствительные пьезоэлементы (ТП). При воздействии измеряемого усилия Р балка поворачивается вокруг воображаемой оси, проходящей через утоньшение балки, и деформирует ТП. К недостатку преобразователя относится неработоспособность в вязкой, жидкой или газообразной среде под давлением.

Этого недостатка лишено устройство [2], являющееся прототипом предлагаемого. В этом устройстве ТП находятся в герметичной полости, образованной в балке, и прикреплены к стенкам полости. Преобразователь может работать в вязкой среде. Однако он имеет следующие недостатки. Стенки полости оказывают шунтирующее действие по отношению к ТП и снижают чувствительность преобразователя. В результате полезная девиация частоты ТП в несколько раз меньше максимально возможной. Соответственно во столько же раз велики относительные погрешности дрейфов различной природы (температурного, режимного, временного и т.д.). Прототип сложен в изготовлении и имеет большую погрешность от влияния статического давления окружающей его среды.

Целью изобретения является увеличение чувствительности, снижение погрешностей температурного, режимного и временного дрейфа в условиях работы преобразователя в вязкой, жидкой и газообразной среде под давлением, упрощение конструкции, а также снижение погрешности от влияния давления окружающей среды.

Цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий размещенную в корпусе балку с закрепленными на ней пьезоэлементами, подключенными к автогенераторам, выходы которых соединены со схемой выделения разностной частоты, введен упругий элемент в виде оболочки вращения, края которой герметично закреплены на корпусе, а вдоль оси размещена балка герметично связанная с оболочкой вращения и выполненная двуплечей, при этом одни концы пьезоэлементов жестко закреплены на корпусе, а другие - на одном из плеч балки, а ось чувствительности пьезоэлементов ориентирована вдоль вектора измеряемого усилия.

В результате такого решения упругий элемент выполняет функцию развязки ТП от окружающей среды и одновременно опоры, через которую проходит ось поворота балки. Механические напряжения в ТП и упругом элементе становятся практически не связанными друг с другом по величине, поэтому выбором плеч балки (от точки приложения измеряемого усилия до оси поворота балки и от оси поворота балки до ТП) всегда можно добиться того, чтобы полезные механические напряжения в ТП были во много раз больше вредных механических напряжений в упругом элементе. В этом случае достигаются максимальная полезная перестройка сигнала ТП, максимальная чувствительность прибора и минимальная относительная величина температурного, режимного и временного дрейфа.

Предлагаемая конструкция преобразователя значительно проще в изготовлении, чем прототип, так как поверхности его деталей имеют форму поверхностей вращения и легко могут быть изготовлены, например, на токарном станке. Наиболее проста технология изготовления преобразователя в том случае, когда упругий элемент имеет форму плоской пластины, которая является частным случаем оболочки вращения.

Чтобы снизить погрешность от влияния давления окружающей среды, оболочке придают выпуклую, например коническую или сферическую форму, так как известно, что деформации растяжения - сжатия выпуклых оболочек под воздействием давления намного меньше изгибных деформаций плоских пластин.

На фиг.1 изображена конструкция преобразователя с упругим элементом-оболочкой в форме плоской пластины; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 изображена конструкция преобразователя с упругим элементом-оболочкой в форме конуса.

Преобразователь выполнен следующим образом. Упругий элемент 1 в форме плоской круглой пластины по своему краю 2 жестко и герметично закреплен на корпусе 3. Вдоль оси упругого элемента 1 размещена двуплечая балка 4, жестко и герметично закрепленная на упругом элементе так, что ее концы (плечи) выступают по обе стороны упругого элемента 1. В частности, балка может быть выточена за одно целое с упругим элементом и корпусом. Тензочувствительные пьезоэлементы 5 и 6 одним своим концом жестко закреплены на корпусе 3, а другим концом - на плече балки 7, выступающем в герметизируемый объем 8 преобразователя. Причем они расположены по обе стороны плеча 7 балки 4 так, что чувствительность 00' каждого ТП ориентирована вдоль вектора измеряемого усилия F, которое прикладывается к другому (рабочему) плечу 9 балки. Крышка 10 обеспечивает герметизацию объема 8 преобразователя и защиту ТП от давления Р окружающей среды. С помощью проводников 11 и гермовводов 12 осуществляется подсоединение электродов 13 и 14 тензочувствительных пьезоэлементов 5 и 6 к автогенераторам 15 и 16, которые, в свою очередь, подсоединены к схеме 17 выделения разностной частоты Δf.

Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое усилие воздействует на рабочее плечо балки 4 и тем самым поворачивает ее вокруг опоры, функцию которой выполняет упругий элемент 1. При этом ТП 5 сжимается, а ТП 6 растягивается и на выходе схемы 17 появляется сигнал в виде разностной частоты Δf. Вязкая окружающая среда и статическое давление Р отсечены от ТП упругим элементом-оболочкой.

Преобразователь, показанный на фиг. 3, отличается от описанного выше формой упругого элемента-оболочки. Упругий элемент 1 этого преобразователя имеет форму конуса, основание 2 которого жестко и герметично закреплено на корпусе 3 преобразователя. При этом балка 4 ориентирована вдоль оси конуса и закреплена в его вершине. Использование такого упругого элемента позволяет уменьшить перемещение балки, вызванное давлением Р среды, и тем самым уменьшить влияние этого фактора на точность измерения.

Испытания предлагаемых преобразователей показали, что по сравнению с прототипом они имеют в 3-4 раза большую чувствительность и во столько же раз меньшую величину температурного, режимного и временного дрейфа. Погрешность, вызванная давлением окружающей среды, у преобразователя с плоским упругим элементом в 2 раза, а у преобразователя с коническим упругим элементом - в 3-4 раза меньше, чем у прототипа.

Сущность изобретения: преобразователь содержит упругий элемент в виде оболочки вращения, по краю жестко и герметично закрепленной на корпусе. На упругом элементе вдоль по его оси жестко и герметично закреплена двуплечая балка. Тензочувствительные пьезоэлементы одним концом жестко закреплены на корпусе, а другим - на плече балки, выступающем в герметизируемый объем преобразователя. Ось чувствительности пьезоэлементов ориентирована вдоль вектора измеряемого усилия. Оболочка вращения может быть выполнена в виде плоской круглой пластины или конической или сферической формы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСИЛИЙ, содержащий размещенную в корпусе балку с закрепленными на ней пьезоэлементами, подключенными к автогенераторам, выводы которых соединены со схемой выделения разностной частоты, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и точности за счет уменьшения влияния температурного, режимного и временного дрейфа при работе пьезопреобразователя в вязкой, жидкой и газообразной среде под давлением, а также упрощения конструкции, в него введен упругий элемент в форме оболочки вращения, края которой герметично закреплены на корпусе, а вдоль оси размещена балка, герметично связанная с оболочкой вращения и выполненная двуплечей, при этом одни концы пьезоэлементов жестко закреплены на корпусе, а другие - на одном из плеч балки, а ось чувствительности пьезоэлементов ориентирована вдоль вектора измеряемого усилия. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что оболочка вращения выполнена в форме плоской круглой пластины. 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния давления окружающей среды, оболочка вращения выполнена конической или сферической формы.