ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/14 H01P7/06 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к силоизмерительным датчикам, предпочтительно предназначенным для использования в весоизмерительных устройствах, например для взвешивания транспортных средств.

Известен датчик силы [1], содержащий два идентичных объемных резонатора, измерительный и компенсационный, каждый из которых имеет регулировочные элементы в виде поршней для настройки на резонансную частоту, элементы связи для возбуждения и съема колебаний, соединенные со схемой возбуждения колебаний в виде соответствующих усилителей, стенки резонаторов выполнены упругими с силоприемной поверхностью.

Основным недостатком данного датчика силы является низкая его чувствительность, что обусловлено тем, что для изменения первой и второй частот под действием измеряемой силы требуется изменение структуры поля во всем объеме полости резонатора.

Другим недостатком этого датчика являются трудности с обеспечением температурной компенсации при использовании двух раздельных объемных резонаторов, температура которых должна быть одинакова для обеспечения необходимой точности измерений.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является датчик силы [2], содержащий объемный резонатор, в полости которого первый и второй регулировочные элементы расположены в основном перпендикулярно друг к другу, элементы связи соединены со схемой возбуждения колебания соответственно первой и второй частот, а также элемент связи для съема колебаний, при этом стенки резонатора выполнены упругими с силоприемной поверхностью. Объемный резонатор выполнен в виде закрытого с торцов цилиндра или прямоугольника, торцевые части которых в середине стянуты штырем, который также подавляет нежелательную моду колебаний. Регулировочные элементы выполнены в виде винтов в стенках резонатора, вводимых в его полость для настройки на первую и вторую частоту и для рассогласования между ними, при этом сила прикладывается к боковой стенке цилиндра или прямоугольника и перпендикулярно стягивающему штырю.

В данном техническом решении используется общая полость для возбуждения колебаний двух частот, что уменьшает трудности с обеспечением температурной компенсации.

Вместе с тем, основным недостатком данного датчика силы является низкая его чувствительность, что обусловлено тем, что для изменения первой и второй частот под действием измеряемой силы требуется изменение структуры поля во всем объеме полости резонатора.

В основу изобретения положена задача создания датчика силы, который позволит обеспечить высокую чувствительность его работы и, как следствие этого, повысить точность измеряемой силы при воздействии таких внешних дестабилизирующих факторов, как температура, вибрация и т.п.

Поставленная задача решается тем, что в датчике силы, содержащем объемный резонатор с упругими стенками и с силоприемной поверхностью, в полости которого размещены два установленных в основном перпендикулярно друг другу регулировочных элемента, а также элементы связи, соединенные со схемой возбуждения колебаний соответственно первой и второй частот, и элемент связи для съема колебаний, регулировочные элементы выполнены в виде двух закрепленных на стенках резонатора плунжеров, каждый из которых установлен в полости резонатора с соответствующим емкостным зазором, при этом один из плунжеров расположен вдоль направления действия силы. Один из плунжеров выполнен из двух встречно расположенных частей с емкостным зазором между ними, а емкостный зазор другого плунжера образован между его свободным торцем и стенкой объемного резонатора. Каждый из плунжеров выполнен из двух встречно расположенных частей с соответствующим емкостным зазором между ними. В первой половине полости резонатора расположен первый плунжер с соответствующим элементом связи для возбуждения колебаний первой частоты, а во второй половине - второй плунжер с соответствующим элементом связи для возбуждения колебаний второй частоты, при этом элемент связи для съема колебаний расположен в средней части полости резонатора. Элементы связи для возбуждения и съема колебаний выполнены в виде петель связи, а схемы возбуждения - в виде соответствующих усилителей. Две петли связи для возбуждения колебаний первой частоты расположены в торцевой части первой половины полости резонатора и соединены соответственно со входом и выходом первого усилителя, а две петли связи для возбуждения колебаний второй частоты расположены в торцевой части второй половины полости резонатора и соединены соответственно со входом и выходом второго усилителя, при этом плоскости петель связи для возбуждения первой частоты расположены параллельно оси первого плунжера, плоскости петель для возбуждения второй частоты расположены параллельно оси второго плунжера, а плоскость петли связи для съема колебаний расположена под углом 45 градусов к осям первого и второго плунжеров. Оба плунжера расположены в одной плоскости, а каждый из плунжеров выполнен из двух встречно расположенных частей, образующих емкостные зазоры с введенным между ними элементом с проводящей поверхностью. Элементы связи для возбуждения и съема колебаний выполнены в виде петель связи, а схемы возбуждения в виде соответствующих усилителей. Плунжеры установлены в полости резонатора с возможностью смещения. На внешней поверхности резонатора в местах закрепления плунжеров выполнены ребра жесткости.

Выполнение регулировочных элементов в виде плунжеров, расположенных в полости резонатора с соответствующим емкостным зазором в зоне их свободных торцов обеспечивает локальную концентрацию пучности электрического поля резонатора в этих емкостных зазорах. При этом изменение этих зазоров под действием измеряемой силы и соответствующее изменение пучности электрического поля обеспечивает высокую чувствительность работы датчика, что тем самым повышает и точность измерения действующей силы.

Выполнение, как первого, так и/или второго плунжера из двух встречно расположенных частей с емкостным зазором между ними позволяет обеспечить емкостной зазор как между свободным торцем плунжера и стенкой полости резонатора, так и обеспечить емкостной зазор в средней части полости резонатора, что позволяет выполнить датчик для различных применений.

Расположение же первого и второго плунжера в одной плоскости, между свободными торцами частей которых расположен элемент с проводящей поверхностью обеспечивает уменьшение габаритов корпуса объемного резонатора.

Выполнение резонатора с удлиненной полостью, в первой половине которой расположен плунжер и элементы связи для генерации первой частоты, а во второй половине - соответствующий плунжер и элементы связи для генерации второй частоты и элемента связи для съема колебаний первой и второй частот, что позволяет обеспечить оптимальные условия генерации этих частот и развязки между ними при эффективном условии генерации этих частот и развязки между ними при эффективном съеме этих частот для последующего преобразования в разностную частоту.

Выполнение элементов связи для возбуждения и съема колебаний в виде петель связи также направлено на повышение эффективности генерации и съема частот. А выполнение схемы возбуждения в виде усилителей позволяет выполнить их в предпочтительном варианте на одном транзисторе и в пределах корпуса резонатора.

Расположение петель связи в торцевых частях полости резонатора таким образом, чтобы плоскости петель связи для возбуждения первой частоты были расположены параллельно оси первого плунжера, плоскости петель связи для возбуждения второй частоты были расположены параллельно оси второго плунжера, а плоскости петли связи для съема колебаний под углом 45 градусов к осям первого и второго плунжерам также направлено на обеспечение оптимальных условий генерации и съема частот. И такое исполнение является предпочтительным.

Расположение плунжеров с возможностью их смещения позволяет перестраивать генерации первой и второй частот.

Выполнение на внешней поверхности ребер жесткости в местах крепления частей плунжеров обеспечивает равномерное изменение емкостных зазоров при воздействии измеряемой силы.

На фиг. 1 показан датчик силы в изометрии с вырезом одной четвертой части; на фиг. 2 - диаграмма отношения приращения первой и второй частот к приращению силы в зависимости от измеряемой силы; на фиг. 3 - расположение плунжеров в полости резонатора, когда оба плунжера выполнены цельными; на фиг. 4 - расположение плунжеров в полости резонатора, когда один плунжер выполнен цельным, а другой - из двух встречно расположенных частей; на фиг. 5 - расположение плунжеров в полости резонатора в одной плоскости.

В предпочтительном варианте датчик силы содержит согласно фиг. 1 выполненный из упругого материала корпус 1 объемного резонатора с цилиндрической полостью 2, в первой половине которой, поперечно ее продольной оси, закреплены в стенках корпуса 1 встречно расположенные части 3 и 4 первого плунжера с емкостным зазором 5 между ними, а во второй половине полости 2 также поперечно ее продольной оси и перпендикулярно к частям 3 и 4 первого плунжера запрессованы в стенках корпуса 1 встречно расположенные части 6 и 7 второго плунжера с емкостным зазором 8 между ними. В торце 9 первой половины полости 2 и в торце 10 второй половины полости 2 расположены соответственно петли 11, 12, 13 и 14 связи для возбуждения соответственно колебаний первой и второй частот порядка сотен мегагерц, при этом плоскости петель 11, 12 связи расположены параллельно осям частей 3, 4 первого плунжера, а плоскости петель 13, 14 связи расположены параллельно осям частей 6, 7 второго плунжера. Петли 11, 12 подсоединены соответственно к входу и выходу усилителя 15, а петли 13, 14 подсоединены соответственно к входу и выходу усилителя 16. На внешней поверхности корпуса 1 резонатора вдоль его продольной оси расположены ребра 17, 18, 19, 20 жесткости, проходящие через места закрепления частей 3, 4, 6, 7 первого и второго плунжеров, при этом внешняя поверхность ребер жесткости первого или второго плунжеров является силоприемной поверхностью. В средней части полости 2 под углом 45 градусов к частям 3, 4 первого плунжера и к частям 6, 7 второго плунжера расположена петля 21 съема колебаний первой и второй частот, соединяемая с дифференциальной схемой (не показана) обработки информации. Усилители 15 и 16 подключены к источнику (не показан) питания.

В качестве элементов возбуждения и съема колебаний в других исполнениях можно использовать штыри или щели в стенках полости резонатора.

Датчик силы работает следующим образом.

Подается питание на дифференциальную схему обработки информации и на усилители 15 и 16 для возбуждения соответственно колебаний первой и второй частот, при этом в емкостных зазорах 5 и 8 образуется пучность электрического поля. Условие баланса амплитуд возбуждения генерируемых частот обеспечивается подбором площади петель связи 11, 12 и 13, 14, а условие баланса фаз - подбором электрической длины входных и выходных цепей усилителей 15 и 16. Развязка между генерациями первой и второй частот обеспечивается их разносом порядка 5-10 МГц и взаимной перпендикулярностью возбуждаемых в полости 2 резонатора колебаний. При воздействии измеряемой силы P в направлении, указанном на фиг. 1 стрелками, изменяются емкостные зазоры 5 и 8, причем зазор 5 увеличивается, а зазор 8 уменьшается, что вызывает уменьшение первой частоты и соответствующее увеличение второй частоты. При этом разностная частота с петли 21 связи будет пропорциональна величине действующей силы P. Наличие ребер жесткости 17, 18 и 19, 20 обеспечивает равномерное изменение величины емкостных зазоров 5 и 8 при воздействии силы P.

Влияние внешних дестабилизирующих факторов, таких как изменение температуры, вибрации, а также напряжения питания усилителей 15, 16 не оказывает влияния на величину разностной частоты, т.к. по указанным причинам первая и вторая частоты изменяются одинаково и разностная частота остается неизменной.

Реальная же характеристика зависимости разностной частоты от измеряемой силы в соответствии с фиг. 2 имеет квазилинейный вид. На фиг. 2 цифрой 1 обозначено изменение отношений приращения первой частоты к приращению силы в зависимости от прикладываемой силы, а цифрой 2 - соответственно изменение приращения второй частоты.

В одном из исполнений датчика силы плунжеры в первой и во второй половине полости 2 могут располагаться как показано на фиг. 3, 4, при этом или один плунжер или оба могут быть цельными и образовывать зазор со стенкой полости 2 резонатора.

В другом исполнении в соответствии с фиг. 5 части плунжеров расположены в одной плоскости, при этом между их свободными концами с емкостным зазором к ним расположен элемент 22 с проводящей поверхностью, закрепленный на диэлектрических опорах к торцам полости 2.

В обоих этих исполнениях расположения плунжеров в полости 2 резонатора датчик силы работает так же, как и в предпочтительном варианте.

Соответствие заявляемого технического решения критерию изобретения "промышленная применимость" подтверждается указанным примером конкретного выполнения датчика силы.

По мнению авторов, заявляемое техническое решение соответствует критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень", т.к. совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемый датчик силы, является новой и не следует явным образом из известного уровня техники.

Данная совокупность существенных признаков позволяет по сравнению с прототипом обеспечить высокую чувствительность датчика силы путем обеспечения локальной концентрации пучности электрического поля резонатора в емкостных зазорах плунжеров.

Изложенное выше подтверждает наличие причинно-следственных связей между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом.

Использование: в весоизмерительных устройствах, например, для взвешивания транспортных средств. Сущность изобретения: датчик содержит объемный резонатор, в полости которого размещены два взаимно перпендикулярных регулировочных элемента, выполненных в виде плунжеров, установленных с соответствующим емкостным зазором, причем один из плунжеров установлен вдоль направления действия силы, элементы связи, соединенные со схемой возбуждения колебаний первой и второй частот, а так же элементы связи для съема колебаний. Один из плунжеров может быть выполнен из двух встречно расположенных частей с емкостным зазором между ними, а емкостный зазор другого плунжера образован между его свободным торцем и стенкой объемного резонатора. Каждый из плунжеров может быть выполнен из двух встречно расположенных частей с соответствующим емкостным зазором между ними. Кроме того оба плунжера могут быть расположены в одной плоскости, а каждый из плунжеров выполнен из двух встречно расположенных частей, образующих емкостные зазоры с введенным между ними элементом с проводящей поверхностью. Элементы связи для возбуждения и съема колебаний выполнены в виде петель связи, а схемы возбуждения - в виде усилителей. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Датчик силы, содержащий объемный резонатор с упругими стенками и силоприемной поверхностью, в полости которого размещены два установленных в основном перпендикулярно друг другу регулировочных элемента, а также элементы связи, соединенные со схемой возбуждения колебаний соответственно первой и второй частот, и элемент связи для съема колебаний, отличающийся тем, что регулировочные элементы выполнены в виде двух закрепленных на стенках резонатора плунжеров, каждый из которых установлен в полости резонатора с соответствующим емкостным зазором, при этом один из плунжеров расположен вдоль направления действия силы. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что один из плунжеров выполнен из двух встречно расположенных частей с емкостным зазором между ними, а емкостной зазор другого плунжера образован между его свободным торцом и стенкой объемного резонатора. 3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что каждый из плунжеров выполнен из двух встречно расположенных частей с соответствующим емкостным зазором между ними. 4. Датчик по любому из пп. 1 3, отличающийся тем, что в первой половине полости резонатора расположен первый плунжер с соответствующим элементом связи для возбуждения колебаний первой частоты, а во второй половине второй плунжер с соответствующим элементом связи для возбуждения колебаний второй частоты, при этом элемент связи для съема колебаний расположен в средней части полости резонатора. 5. Датчик по любому из пп. 1 4, отличающийся тем, что элементы связи для возбуждения и съема колебаний выполнены в виде петель связи, а схемы возбуждения в виде соответствующих усилителей. 6. Датчик по любому из пп. 1 5, отличающийся тем, что две петли связи для возбуждения колебаний первой частоты расположены в торцевой части первой половины полости резонатора и соединены соответственно с входом и выходом первого усилителя, а две петли связи для возбуждения колебаний второй частоты расположены в торцевой части второй половины полости резонатора и соединены соответственно с входом и выходом второго усилителя, при этом плоскости петель связи для возбуждения первой частоты расположены параллельно оси первого плунжера, плоскости петель связи для возбуждения второй частоты расположены параллельно оси второго плунжера, а плоскость петли связи для съема колебаний расположена под углом 45^o к осям первого и второго плунжеров. 7. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что оба плунжера расположены в одной плоскости, а каждый из плунжеров выполнен из двух встречно расположенных частей, образующих емкостные зазоры с введенным между ними элементом с проводящей повехностью. 8. Датчик по любому из пп. 1 7, отличающийся тем, что плунжеры установлены в полости резонатора с возможностью смещения. 9. Датчик по любому из пп. 1 8, отличающийся тем, что на внешней поверхности резонатора в местах закрепления плунжеров выполнены ребра жесткости.