УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения механических усилий в различных отраслях промышленности.

Известное устройство для измерения усилий содержит два акустически связанных пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу и имеющих общую обкладку и по одной наружной обкладке, генератор, подключенный к обкладкам первого пьезоэлемента и измерительный прибор, подключенный к обкладкам второго пьезоэлемента [1]
Однако известное устройство не позволяет избавиться от погрешностей, вызываемых нестабильностью акустических потерь, изменением температуры окружающей среды и параметров возбуждающего генератора.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных через элемент связи пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу и имеющих три наружных обкладки, генератор, подключенный к обкладке первого пьезоэлемента, элемент передачи измеряемого усилия, блок сравнения, подключенный к наружным обкладкам обоих пьезоэлементов, и измерительный прибор [2]
Недостатком указанного устройства является низкая чувствительность к измеряемому усилию, так как в основе механизма силочувствительности лежит модуляция коэффициента акустической связи за счет изменения жесткости пьезоэлементов под действием измеряемого усилия.

Сущность изобретения достигается тем, что в известное устройство, содержащее два акустически соединенных между собой элементом связи пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу и имеющих три наружные обкладки, генератор электрических колебаний, подключенный к одной из наружных обкладок первого пьезоэлемента, блок сравнения сигналов, подключенный к двум другим наружным обкладкам пьезоэлементов, элементы передачи измеряемого усилия и измерительный прибор, согласно изобретению, введен дополнительно иммерсионный элемент связи в виде тонкого слоя жидкости, находящегося между пьезоэлементами, причем площадь контакта пьезоэлементов через иммерсионный элемент пропорциональна величине измеряемого усилия.

Такое выполнение устройства позволяет значительно повысить чувствительность за счет дополнительного изменения коэффициента акустической связи колебательной системы преобразователя, вследствие изменения площади контакта пьезоэлементов через иммерсионный элемент связи под действием измеряемого усилия.

На чертеже схематично изображено предлагаемое устройство.

Предлагаемое устройство для измерения усилий содержит генератор электрических колебаний 1, два пьезоэлемента 2 и 3 с тремя наружными обкладками 4, 5 и 6, силопередающие элементы 7 и 8, блок сравнения сигналов 9, измерительный прибор 10, элемент связи 11 и иммерсионный элемент связи 12.

Генератор электрических колебаний 1 подключен к наружной обкладке 4 пьезоэлемента 2. Блок сравнения сигналов 9 подключен входом к наружным обкладкам 5 и 6 пьезоэлементов 2 и 3, а выходом -к измерительному прибору 10. Пьезоэлементы 2 и 3 акустически соединены между собой элементом связи 11, иммерсионным элементом связи 12 и расположены параллельно друг другу. Иммерсионный элемент связи 12 представляет собой тонкий слой жидкости, находящийся между пьезоэлементами 2 и 3. Под действием приложенного усилия изменяется площадь акустического контакта пьезоэлементов через иммерсионный элемент связи 12 за счет деформации изгиба пьезоэлементов и уменьшения расстояния между ними. Элемент связи ii обеспечивает жесткое соединение пьезоэлементов по периметру.

Принцип работы предлагаемого устройства для измерения усилия заключается в следующем: от генератора электрических колебаний 1 осуществляется возбуждение пьезоэлемента 2 в режиме автоколебаний. Наличие акустической связи между пьезоэлементами 2 и 3 через элементы связи 11 и 12 обеспечивает взаимную синхронизацию колебаний пьезоэлементов. При этом для отношения выходных напряжений снимаемых с обкладок 5 и 6 пьезоэлементов 2 и 3, можно записать:

где x коэффициент относительной расстройки парциальных частот пьезоэлементов;
g коэффициент акустической связи пьезоэлементов.

Механизм силочувствительности данного устройства основан на модуляции коэффициента акустической связи (γ) в основном за счет изменения площади акустического контакта пьезоэлементов через иммерсионный элемент связи, вследствие деформации изгиба пьезоэлементов под действием измеряемого усилия (F):

где
a, b коэффициенты, отражающие конструктивные параметры преобразователя.

Таким образом, выходной сигнал блока сравнения 9 (U_вых), пропорциональный отношению величин напряжений на обкладках 5 и 6 пьезоэлементов 2 и 3, зависит от величины измеряемого усилия (F):
U_вых=U_o=(a-bF)
где
U_o опорное напряжение.

Предлагаемое устройство для измерения усилий позволяет значительно повысить чувствительность и стабильность измерения по сравнению с существующими аналогами за счет введения в конструкцию датчика дополнительного элемента связи иммерсионного слоя жидкости, так как, во-первых, стабильность измерений обеспечивается стабильностью акустического контакта твердых тел через слой иммерсионной жидкости; во-вторых, чувствительность измерений повышается за счет значительного изменения площади акустического контакта через иммерсионный элемент связи, пропорционального относительному изменению толщины иммерсионного слоя под действием измеряемого усилия.

Сущность изобретения: устройство содержит генератор электрических колебаний, два параллельно размещенных пьезоэлемента с тремя наружными обкладками, одна из которых соединена с генератором, а две других - с блоком сравнения сигналов, к которому подключен измерительный прибор, силопередающие элементы. Два пьезоэлемента акустически связаны с помощью двух элементов связи, один из которых является иммерсионным, выполненным в виде тонкого слоя жидкости, находящейся между пьезоэлементами, причем площадь контакта пьезоэлементов через иммерсионный элемент пропорциональна величине измеряемого усилия. 1 ил.

Устройство для измерения усилий, содержащее два акустически соединенных между собой элементом связи пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу и имеющих три наружные обкладки, генератор электрических колебаний, подключенный к одной из наружных обкладок первого пьезоэлемента, блок сравнения сигналов, подключенный к двум другим наружным обкладкам пьезоэлементов, элементы передачи измеряемого усилия и измерительный прибор, отличающееся тем, что в него введен дополнительно иммерсионный элемент связи в виде тонкого слоя жидкости, находящегося между пьезоэлементами, причем площадь контакта пьезоэлементов через иммерсионный элемент пропорциональна величине измеряемого усилия.