ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИЛЫ Российский патент 1994 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных устройствах для индикации и регистрации механических усилий.

В технике известны различные устройства для индикации механических усилий, например, с помощью сложных пружинных (рычажных) или гидравлических преобразователей [1] . Устройства с механическим или гидравлическим преобразованием усилий сложны по конструкции, недостаточно надежны в работе из-за наличия трущихся между собой деталей и не позволяют передавать информацию дистанционно.

Более современными и перспективными устройствами для преобразования механических усилий являются устройства, в основе которых лежит принцип преобразования механических напряжений в пьезоэлектрический сигнал [2]. Хотя устройства с пьезокристаллами просты по конструкции, но для индикации напряжений с пьезоэлементов требуются специальная усилительная аппаратура и индикаторы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является пьезоэлектрический преобразователь силы, содержащий пьезоэлемент с силовводящими элементами, электроды, расположенные на держателях и включенные в измерительную схему, причем держатели выполнены в виде магнитных чашей с направляющими отверстиями, в которых подвижно установлены штыри с электрически изолированными от них электродами. Данное устройство принимается за прототип [3].

Недостатком данной конструкции является наличие сложной усилительной аппаратуры для измерения сигнала с пьезоэлектрика и невозможность одновременного совмещения в устройстве пьезокерамических силовых преобразователей с индикатором.

Целью изобретения является упрощение конструкции.

Цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе силы, содержащем пьезоэлемент с силовводящим блоком, электроды, включенные в измерительную схему, и индикаторное устройство, силовводящий блок выполнен в виде опорной шайбы, связанной с рычажным коромыслом, в пазах которого закреплены подвижные ролики, а индикаторное устройство выполнено в виде размещенного в осевом канале прозрачного диэлектрического корпуса конденсатора, между обкладками которого размещена электропроводная частица, при этом одна из обкладок конденсатора является одним из электродов пьезоэлемента и выполнена в виде металлического диска, диаметр которого больше диаметра осевого канала корпуса, а другая обкладка выполнена подвижной и соединена с другим электродом пьезоэлемента.

Снабжение пьезоэлектрического преобразователя силы конденсатором с обкладками, между которыми помещена электропроводная частица, позволяет выполнить преобразование физических эффектов по схеме: МН -> ПЭС -> ЭСП -> АК, (1) т. е. МН -> АК, (2) где МН - механическое напряжение, прикладываемое к преобразователю силы; ПЭС - пьезоэлектрический сигнал на пьезокерамике;
ЭСП - электростатический потенциал на обкладках конденсатора;
АК - автоколебания электропроводной частицы в зазоре конденсатора.

В результате достижения преобразования физических эффектов МН -> АК появляется возможность визуально наблюдать (корпус конденсатора выполнен прозрачным) по скорости перемещения частицы деформацию механических напряжений.

Выполнение одной из обкладок конденсатора в виде стального диска, являющегося опорой силовводящего блока, позволяет уменьшить конструкцию устройства и исключить соединительные провода от преобразователя до индикатора, что значительно упрощает конструкцию устройства в целом и делает его более компактным.

Таким образом, при совокупности последовательного преобразования физических эффектов (выражение (1)) достигается новый положительный эффект преобразования механических усилий в автоколебания электропроводной частицы. Поэтому существенными отличиями устройства от прототипа по принципу действия является преобразование прямого пьезоэффекта в автоколебания частицы, а по конструктивным элементам - выполнение одной из обкладок конденсатора с частицей в виде металлического диска, служащего опорой силовводящего блока, и соединение пьезокерамического элемента параллельно обкладкам конденсатора.

На фиг. 1 представлена конструкция пьезоэлектрического преобразователя силы; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - его эквивалентная электрическая схема.

Устройство содержит заполненный диэлектрической жидкостью прозрачный (оргстекло) корпус 1, металлическую рабочую часть 2, верхнюю регулирующую обкладку 3 конденсатора, нижнюю обкладку 4, выполненную в виде металлического диска диаметром больше диаметра внутреннего канала корпуса, токопроводящую частицу 5, нижнее основание 6 корпуса 1, выполненное из капролактама, пьезокерамический элемент 7 и силовводящий блок, состоящий из опорной шайбы 8, рычажного коромысла 9, подвижных роликов 10, ограничительного ролика 11 и шарнирного ролика 12. Нижняя обкладка 4 конденсатора является одновременно одним из электродов пьезоэлемента 7. Нижнее основание 6 и рабочая часть 2 соединены с корпусом с помощью резьбы. После настройки устройства подвижной обкладкой 3 на заданное значение механического усилия остаточная часть отверстия рабочего элемента 2 заливается эпоксидным компаундом 13.

Устройство работает следующим образом. Под воздействием механического усилия балкой 14 относительно "земли" на рабочую часть устройства пьезокерамический диск 7 будет подвергаться механическим напряжениям между нижней обкладкой 4, являющейся опорой пьезокерамического диска, и опорной шайбой 8, на которую оказывают усилие подвижные ролики 11, закрепленные в пазах П-образного рычажного механизма 9. Вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта на обкладках диска 7 появляются электрические заряды, которые наводят на обкладках 3, 4 конденсатора элэектростатический потенциал, в результате чего частица будет совершать автоколебательное движение до выравнивания потенциала на электродах и при заземлении одной из обкладок до порогового значения срабатывания устройства. Электрическое соединение регулируемой обкладки 3 с металлическим электродом пьезокерамического диска (опорная шайба 8) осуществляется через "землю" (фиг. 3). Ход сжатия (растяжения) диска 7 ограничивается пазом 15, в котором находится ролик 11, закрепленный в основании 6 корпуса. Таким образом, при осуществлении деформации (сжатии) рабочей части 2 устройства относительно опоры рычажного механизма 9 осуществляется процесс автоколебания частицы, перенос электростатических зарядов на "землю" с обкладки 4 и визуализация частицы (глаз 16) через прозрачный корпус 1.

Практическая реализация предлагаемого устройства может осуществляться в различных силовых механизмах. Например, зная зависимость потенциала на электродах пьезокерамического диска при сжатии (U_cж, кВ) от нагрузки на его рабочую часть (Р, МПа), можно с помощью изменения межэлектродного расстояния конденсатора регулируемой обкладкой 3 настроить конденсатор на заданное значение порогового срабатывания (U_пор, кВ), соответствующее значению заданной нагрузки (Р_зад, МПа). В этом случае автоколебания частицы начнутся только при нагрузках, превышающих заданную величину, т.е. при Р > Р_зад. В таблице приведены результаты тарировки устройства (пьезокерамический диск, ⊘ = 7 мм, l = 15 мм) в функции P = f(U_сж). При изменении нагрузки на рабочую часть от 0,89 до 3,25 МПа потенциал на обкладках конденсатора изменяется от 0,15 до 0,6 кВ. Настроив конденсатор на любое пороговое значение, соответствующее значению U_сж, т. е. U_пор > U_сж, (3) по началу колебания частицы определяется величина нагрузки на рабочую часть. Диапазон нагрузки можно расширить путем расчета или экспериментального варьирования расстояния.

На фиг. 4 представлен вариант конструкции устройства (ручной эспандер для кисти рук) с тремя ячейками индикации, каждая из которых настраивается на заданное значение U_пор.1 > U_пор.2 > U_пор.3. Индикация функции U_сж = f (Р, МПа) осуществляется непосредственно по количеству колеблющихся частиц. Параллельное электрическое соединение пьезокерамических дисков осуществляется металлической пружиной 17, которая может быть и регулятором на заданную нагрузку. Герметичность плоского конденсатора обеспечивается стяжными болтами 18, а давление на пьезокерамические диски осуществляется с помощью конусообразной усеченной с обеих сторон балки 19. Остальные элементы идентичны конструкции устройства на фиг.1.

Имея прозрачный корпус, можно простыми способами с помощью волоконно-оптических световодов передавать информацию дистанционно на любые расстояния, что важно для производств, перерабатывающих пожароопасные материалы. Преобразователь можно использовать в сейсмической технике, а также в геологоразведке для регистрации ударных воздействий.

Сущность изобретения: преобразователь содержит пьезоэлемент с силовводящим блоком, выполненным в виде опорной шайбы, связанной с рычажным коромыслом, в пазах которого закреплены подвижные ролики. Индикаторное устройство выполнено в виде конденсатора, размещенного в осевом канале прозрачного диэлектрического корпуса, между обкладками которого размещена электропроводная частица. Одна обкладка конденсатора является одним из электродов пьезоэлемента и выполнена в виде металлического диска, диаметр которого больше диаметра осевого канала корпуса, а другая обкладка выполнена подвижной и соединена с другим электродом пьезоэлемента. 4 ил., 1 табл.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИЛЫ, содержащий пьезоэлемент с силовводящим блоком, электроды, включенные в измерительную схему, и индикаторное устройство, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, силовводящий блок выполнен в виде опорной шайбы, связанной с рычажным коромыслом, в пазах которого закреплены подвижные ролики, а индикаторное устройство выполнено в виде размещенного в осевом канале прозрачного диэлектрического корпуса конденсатора, между обкладками которого размещена электропроводная частица, при этом одна из обкладок конденсатора является одним из электродов пьезоэлемента и выполнена в виде металлического диска, диаметр которого больше диаметра осевого канала корпуса, а другая обкладка выполнена подвижной и соединена с другим электродом пьезоэлемента.