ДАТЧИК НАПРЯЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ТРЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01M9/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения напряжения трения на поверхности самолетов, судов, автомобилей и других транспортных средств и их моделей.

Известен датчик напряжения трения, содержащий чувствительный элемент в виде платиновой резистивной пленки, напыленной на стеклянную подложку. (Winter R. G. An outline of the techniques avaliable for the measurement of skin fricnion in turbulent boundary layers. ; "Progress in Aerospace Science", 1977, v. 18, N1, p. 43 - 45). Принцип измерения датчика основан на аналогии Рейнольдса между теплообменом и трением. Измеряя тепловой поток, рассеиваемый датчиком, определяют величину напряжения трения.

К недостаткам датчика следует отнести недостаточную точность измерения, поскольку способ измерений косвенный.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, содержащее чувствительный элемент, представляющий собой пленку упругого вещества - полимерного геля заданной толщины с известным модулем сдвига. Чувствительный элемент нанесен на поверхность модели, на поверхность модели и чувствительного элемента нанесены маркеры. Сдвиговую деформацию пленки под действием потока измеряют оптическим методом. Величину напряжения трения определяют из закона Гука (SU, авт. св. 1822252)
,
где
τ_m - напряжение трения в точке M;
G - модуль сдвига упругого вещества;
X_m- сдвиг поверхности пленки в точке M;
h - толщина пленки.

Такое техническое решение повышает точность измерений, поскольку напряжение трения измеряется непосредственно и можно проводить прямую градуировку устройства.

Это устройство имеет ряд недостатков, затрудняющих его применение для измерения напряжения трения на поверхности натурных объектов и их моделей. К числу этих недостатков можно отнести сложность нанесения на поверхность обтекаемого тела тонкой однородной пленки упругого вещества известной толщины, а также технические трудности измерения сдвиговой деформации пленки под действием потока. Эти факторы не позволяют реализовать на практике потенциально высокую точность измерений.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и надежности измерений и расширение области применения устройства. Точность и надежность повышаются за счет того, что сдвиг чувствительного элемента под действием силы трения измеряется внутренним датчиком перемещения, что является техническим результатом.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения напряжения трения, содержащем чувствительный элемент, представляющий собой пленку упругого вещества - полимерного геля заданной толщины с известным модулем сдвига, чувствительный элемент расположен между двумя жесткими параллельными пластинами, являющимися элементами датчика перемещения. Конструкция расположена в жестком корпусе. Внутри корпуса расположен термодатчик.

На фиг.1 изображена общая конструкция датчика трения; на фиг. 2 - конструкция датчика трения с емкостным измерителем перемещения; на фиг.3 - конструкция датчика трения с оптронным измерителем перемещения.

Корпус 1 датчика на фиг.1 содержит две жесткие пластины 2, являющиеся элементами датчика перемещения. Нижняя пластина скреплена с корпусом. Пространство между пластинами, а также пространство между пластинами и корпусом залито полимерным гелем 3. Датчик снабжен монтажным кольцом 4, точно согласованным размерами с датчиком. Внутри корпуса расположен термодатчик 5.

Принцип работы датчика трения
Перед началом измерений монтажное кольцо 4 устанавливается заподлицо с поверхностью обтекаемого тела, затем в него вставляется датчик. Это позволяет устанавливать поверхность верхней пластины заподлицо с поверхностью обтекаемого тела. Поэтому сила, действующая на верхнюю пластину 2, при воздействии потока обусловлена только трением. Под действием трения потока, верхняя пластина сдвигается относительно нижней на величину x в направлении действия силы трения. Этот сдвиг измеряется датчиком перемещения, состоящим из верхней и нижней пластин 2. Величина напряжения трения определяется из закона Гука по формуле :
,
Отношение G/h определяется градуировкой. Модуль сдвига полимерного геля G зависит от температуры. Поэтому для компенсации этой зависимости измеряют его температуру, с помощью термодатчика, а затем вносят поправку.

Датчик трения с емкостным измерением перемещения
Чтобы повысить точность измерений, применяют емкостное измерение перемещения. В таком датчике трения пластины изготовлены из диэлектрика, на внутренних поверхностях пластин сформированы проводящие емкостные элементы, которые образуют емкостной мост. Выход моста подключен к дифференциальному усилителю с высоким входным сопротивлением, расположенному внутри датчика. Емкостной измеритель перемещения обладает высокой чувствительностью и точностью, что приводит к повышению точности измерения напряжения трения.

На фиг. 2 изображена конструкция датчика трения с емкостным измерением перемещения. Корпус 1 датчика содержит две диэлектрические пластины 2, нижняя пластина скреплена с корпусом. На внутренних поверхностях пластин сформированы емкостные элементы. Эти элементы представляют собой металлизированные полоски, лежащие в плоскости, перпендикулярной чертежу. Эти полоски соединены через, одну, так как показано на фиг.2 и образуют емкостной мост 6. Пространство между пластинами, а также пространство между пластинами и корпусом залито полимерным гелем. Выход моста подключен к дифференциальному усилителю с высоким входным сопротивлением 4, расположенному внутри датчика. Внутри корпуса расположен термодатчик 3. Датчик снабжен монтажным кольцом 5.

Принцип работы датчика
При сдвиге верхней пластины 2 под действием силы трения вправо, емкость группы полос А и группы полос Г ( C13) увеличивается на величину dC; ( C13 = C + dC). Емкость группы полос А и группы полос В уменьшается на величину dC (C14 = C - dC). Аналогично происходит изменение емкости C23 и C24. При этом происходит разбалланс емкостного моста 6. Если на вход моста А-Б подано напряжение переменного тока амплитуды U, то напряжение на выходе моста В-Г будет равно u = U • (dC/C). Поскольку сигнал с моста пропорционален сдвигу пластин, то зависимость между сигналом с датчика и напряжением трения также линейна u = D•τ. . Коэффициент D определяется градуировкой. Усилитель с высоким входным сопротивлением служит буфером, чтобы исключить влияние соединительных проводов, которые сами образуют емкостной мост.

Датчик трения с оптическим измерением перемещения,
Чтобы повысить локальность измерений, применяют оптическое измерение перемещения. В таком датчике трения верхняя пластина изготовлена из непрозрачного материала, на внутренней поверхности пластины сформирован отражатель. Нижняя пластина изготовлена из полупроводника, на внутренней поверхности пластины сформирована микрооптопара, представляющая собой светодиод в центре и два фотодиода по краям пластины. Оптронный измеритель перемещения обладает малыми размерами и позволяет уменьшить размер верхней пластины до одного миллиметра, что повышает локальность измерений.

На фиг. 3 изображена конструкция датчика трения с оптическим измерением перемещения. Корпус 1 датчика содержит две пластины. Нижняя, скрепленная с корпусом пластина 2, изготовлена из полупроводника, на внутренней поверхности пластины сформирована микрооптопара, представляющая собой светодиод 4 в центре и два фотодиода 5 по краям пластины. Верхняя пластина 3 изготовлена из непрозрачного материала, на внутренней поверхности пластины сформирован отражатель 6. Отражатель, светодиод и фотодиоды сформированы в виде полос, лежащих в плоскостях, перпендикулярных плоскости чертежа. Внутри корпуса расположен термодатчик 7. Датчик снабжен монтажным кольцом 8.

Принцип работы датчика
При сдвиге верхней пластины с отражателем 3 под действием силы трения вправо, освещенность правого фотодиода увеличивается, а левого уменьшается. Поскольку ток с фотодиода пропорционален его освещенности, то величина
,
где
I₁ - фототок с первого фотодиода;
I₂ - фототок со второго фотодиода,
будет пропорционален сдвигу пластин, а следовательно, напряжению трения S = D•τ . Коэффициент D определяется градуировкой.

Заявителем были изготовлены датчики трения со следующими характеристиками :
Диапазон измерения тангенциального напряжения - 3000 Па
Диапазон рабочих частот - 0-600 Гц
Диапазон рабочих температур - -40 - +130
Размеры чувствительной площадки - 10•11 мм
Проведенные лабораторные и трубные исследования показали, что датчики обладают высокими техническими характеристиками и обеспечивают высокую точность и надежность измерений.

Изобретение позволяет конструировать датчики для непосредственного измерения напряжения трения, которые могут быть использованы для определения напряжения трения на поверхности самолетов, судов, автомобилей и других транспортных средств и их моделей. Датчик трения состоит из корпуса, в котором размещены две жесткие параллельные пластины, являющиеся элементами измерителя перемещения. Нижняя пластина скреплена с корпусом, верхняя может перемещаться. Пространство между пластинами, а также пространство между пластинами и корпусом залито полимерным гелем. Под действием потока верхняя пластина сдвигается в направлении действия силы трения. Этот сдвиг измеряется датчиком перемещения. Согласно закону Гука сдвиг верхней пластины пропорционален напряжению трения, поэтому датчик имеет линейную характеристику. Датчики обладают высокими техническими характеристиками и обеспечивают высокую точность и надежность измерений. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Датчик напряжения поверхностного трения, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде пленки упругого вещества, преимущественно полимерного геля, отличающийся тем, что датчик снабжен корпусом, внутри которого расположен термодатчик и две жесткие параллельные пластины, между которыми расположен чувствительный элемент. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что пластины изготовлены из диэлектрика, на внутренних поверхностях пластин сформированы проводящие емкостные элементы, которые образуют емкостный мост, выход моста подключен к дифференциальному усилителю с высоким входным сопротивлением, расположенному внутри датчика. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что верхняя пластина изготовлена из непрозрачного материала, на внутренней поверхности пластины сформирован отражатель, нижняя пластина изготовлена из полупроводника, на внутренней поверхности пластины сформирована микрооптопара, представляющая собой светодиод в центре и два фотодиода по краям пластины.