УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известно устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу, элементы передачи измеряемого усилия, соединенные с пьезоэлементами, элемент связи в виде заземленной прокладки, генератор электрических колебаний, подключенный к наружной обкладке первого пьезоэлемента, блок сравнения, подключенный к двум другим наружным обкладкам пьезоэлементов и измерительный прибор, подключенный к выходу блока сравнения (см. авторское свидетельство СССР N 1164562).

Недостатком указанного устройства является наличие погрешностей, связанных с нестабильностью акустического контакта пьезоэлементов с силопередающими элементами, в частности, неидентичностью акустических потерь пьезоэлементов и элементов конструкции устройства.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) является устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных и подключенных друг к другу через элемент связи в виде заземленной прокладки пьезоэлемента, расположенные параллельно друг другу и имеющие по две наружных обкладки, элементы передачи измеряемого усилия, соединенные с пьезоэлементами, два генератора электрических колебаний, подключенные к наружным обкладкам пьезоэлементов, фазовый детектор и блок сравнения сигналов, подключенные к двум другим наружным обкладкам пьезоэлементов. При этом выход блока сравнения соединен с входом второго генератора, а выход фазового детектора - с измерительным прибором (см. патент РФ N 2082121).

Однако описанное устройство для измерения усилий не позволяет обеспечить высокую стабильность измерений, во-первых, вследствие нестабильности акустического контакта, т.к. элемент связи выполнен в виде заземленной прокладки, во-вторых, из-за низкой стабильности параметров пьезоэлементов при изменении параметров окружающей среды, в-третьих, из-за низкой стабильности параметров пьезоэлементов под воздействием измеряемого усилия непосредственно на пьезоэлементы. Кроме этого, устройство не позволяет получить удобную для обработки цифровыми устройствами форму представления информативного параметра, т.к. на выходе устройства присутствует аналоговый сигнал.

Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных между собой элементом связи пьезоэлемента, элементы передачи измеряемого усилия, два генератора электрических колебаний, подключенные к обкладкам пьезоэлементов введены модуломер, вход которого подключен к выходу первого генератора, блок управления, вход которого подключен к выходу модуломера, а выход - ко входу управления амплитудой второго генератора с обеспечением режима биений с частичным увлечением частот и постоянством глубины модуляции колебаний первого генератора, фазовый компаратор, к входам сравнения которого подключены выходы первого и второго генераторов, два блока счетчиков, к входам разрешения счета которых подключены выходы разрешения счета фазового компаратора, к входам счета - выход второго генератора, устройство вычисления, к входам которого подключены выходы двух блоков счетчиков, при этом акустически связанные между собой элементом связи в виде воздушного слоя пьезоэлементы, элементы крепления которых соединены с упругими элементами, обращены друг к другу торцевыми поверхностями.

Техническим результатом является повышение стабильности измерений усилий и обеспечение получения более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра.

Повышение стабильности измерений обеспечивается путем введения в устройство для измерения усилий модуломера и блока управления, устраняющих нестабильность амплитуд колебаний генераторов, устройства вычисления, снижающего влияние нестабильности расстройки частот генераторов. Обеспечение получения более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра достигается вследствие того, что цифровой код, получаемый на выходе предлагаемого устройства, легко ввести в ЭВМ для дальнейшей обработки.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где схематично изображено устройство для измерения усилий.

Предлагаемое устройство для измерения усилий содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2, два пьезоэлемента 3 и 4 с четырьмя обкладками 5, 6, 7 и 8, элемент связи в виде воздушного слоя 9, упругие элементы 10 и 11, элементы крепления 12 и 13 пьезоэлементов 3 и 4, элементы передачи измеряемого усилия 14 и 15, модуломер 16, блок управления 17, фазовый компаратор 18, блоки счетчиков 19 и 20, устройство вычисления 21.

Генераторы электрических колебаний 1 и 2 подключены к обкладкам 5, 6, 7 и 8 пьезоэлементов 3 и 4. Выход генератора 1 подключен ко входу модуломера 16, выход модуломера 16 соединен со входом блока управления 17, выход блока управления соединен со входом управления амплитудой колебаний генератора 2. Пьезоэлементы 3 и 4 установлены в узлах колебаний на упругих элементах 10 и 11 элементами крепления 12 и 13, расположены торцевыми поверхностями друг к другу и акустически связаны через воздушный слой 9. Выходы генераторов 1 и 2 подключены ко входам сравнения фазового компаратора 18. Первый выход разрешения счета фазового компаратора 18 соединен со входом разрешения счета блока счетчиков 19, второй выход разрешения счета фазового компаратора 18 соединен со входом разрешения счета блока счетчиков 20, а выход генератора 2 подключен ко входам счета блоков счетчиков 19 и 20. Выходы блоков счетчиков 19 и 20 подключены ко входам устройства вычисления 21. Измеряемое усилие, воздействуя через элементы передачи измеряемого усилия 14 и 15, выполненные в форме конусов, приводит к деформации изгиба упругих элементов 10 и 11 и изменению величины воздушного слоя 9, пропорциональному величине измеряемого усилия.

Устройство для измерения усилий работает следующим образом. Воздействие измеряемого усилия через элементы передачи 14 и 15 приводит к деформации изгиба упругих элементов 10 и 11. При этом пьезоэлементы 3 и 4 совершают перемещение навстречу друг другу. Для величины изменения расстояния между пьезоэлементами (Δ1) можно записать:
Δl = F^*S, (1)
где
F - измеряемое усилие,
S - податливость упругих элементов.

Силочувствительность данного устройства основана на изменении сдвига фаз в канале акустической связи за счет изменения величины воздушного слоя. Установка пьезоэлементов торцом друг к другу позволяет уменьшить образование стоячих волн, при этом повышается линейность преобразования расстояния между пьезоэлементами в сдвиг фаз в канале акустической связи. Сдвиг фаз в канале акустической связи (ψ) выражается формулой:

где
ω₂ - частота колебаний генератора 2,
l₀ - начальное расстояние между пьезоэлементами 3 и 4, выбираемое из условия:

где
c - скорость звука в воздухе,
n=0, 1, 2, 3... .

От генераторов 1 и 2 осуществляется возбуждение пьезоэлементов 3 и 4 в режиме автоколебаний. Наличие акустической связи между пьезоэлементами 3 и 4 через воздушный слой 9 обеспечивает связь между генераторами. Режим биений с частичным увлечением частот обеспечивается при соблюдении условия:

где
p - отношение полуширины полосы синхронизма к расстройке,
γ - коэффициент акустической связи,
относительная расстройка частот генераторов 1 и 2,
ω₁ - частота колебаний генератора 1,
k=U₂/U₁ - соотношение амплитуд колебаний генераторов 2 и 1,
U₁, U₂ - амплитуды колебаний генераторов 1 и 2.

Соотношение амплитуд (k) выбрано так, что биения испытывает только генератор l, при этом для глубины модуляции (M) можно записать:

На выходе модуломера 16 устанавливается напряжение, пропорциональное глубине модуляции (M), а блок управления 17 устанавливает амплитуду колебаний U₂ генератора 2 так, чтобы поддерживалась постоянной глубина модуляции (M). При этом:

В режиме биений с частичным увлечением частот для разности фаз колебаний генераторов (Δϕ) с учетом сдвига фаз в канале акустической связи (ψ) можно записать:

где
ϕ₁, ϕ₂ - фазы колебаний генераторов 1 и 2,
Δω = ω₂-ω₁ - абсолютная расстройка частот,
t - время.

Если из уравнения (7) выразить t, а вместо Δϕ подставить 2πn, либо π+2πn, то можно получить моменты времени совпадения фазы (t₁) либо противофазы (t₂) соответственно:


Фазовый компаратор 18 переключается в режим разрешения счета для блока счетчиков 19 в моменты времени t₁, а для блока счетчиков 20 в моменты времени t₂. Для случая Δω > 0 интервалы времени при Δϕ ∈ [2πn, π+2πn] и при Δϕ ∈ [π+2πn, 2π+2πn] соответственно определяются как:



где
T₆ - период биения.

Таким образом, на выходе блока счетчиков 19 будет присутствовать цифровой код а на выходе блока счетчиков 20 - цифровой код Устройство вычисления выдает на выход цифровой код (N), вычисленный по формуле:

при этом выходной код, определяемый как:

практически не будет зависеть от нестабильности амплитуд и расстройки частот колебаний генераторов.

Предлагаемое устройство для измерения усилий позволяет значительно повысить стабильность измерений, во-первых, за счет введения в конструкцию модуломера и блока управления, устраняющих нестабильность амплитуд колебаний генераторов, во-вторых, за счет введения устройства вычисления, при этом устраняется нестабильность расстройки частот генераторов. Кроме того, цифровой код, получаемый на выходе, легко ввести в ЭВМ для дальнейшей обработки.

Устройство предназначено для использования в различных отраслях промышленности в силоизмерительной технике. Два пьезоэлемента, обращенные друг к другу торцевыми поверхностями, акустически связаны между собой элементом связи в виде воздушного слоя. Элементы крепления пьезоэлементов соединены с упругими элементами. К обкладкам пьезоэлементов подключены два генератора. К выходу первого генератора подключен модулометр, к выходу которого подключен вход блока управления, а выход - к входу управления амплитудой второго генератора с обеспечением режима биений с частичным увлечением частот и постоянства глубины модуляции колебаний первого генератора. К входам сравнения фазового компаратора подключены выходы первого и второго генераторов. К входам разрешения счета двух блоков счетчиков подключены выходы разрешения счета фазового компаратора, к входам счета - выход второго генератора. К входам устройства вычисления подключены выходы двух блоков счетчиков. Технический результат - повышение стабильности измерения усилий и обеспечение более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра. 1 ил.

Устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных между собой элементом связи пьезоэлемента, элементы передачи измеряемого усилия, два генератора электрических колебаний, подключенные к обкладкам пьезоэлементов, отличающееся тем, что в него введены модулометр, вход которого подключен к выходу первого генератора, блок управления, вход которого подключен к выходу модулометра, а выход - к входу управления амплитудой второго генератора с обеспечением режима биений с частичным увлечением частот и постоянства глубины модуляции колебаний первого генератора, фазовый компаратор, к входам сравнения которого подключены выходы первого и второго генераторов, два блока счетчиков, к входам разрешения счета которых подключены выходы разрешения счета фазового компаратора, а к входам счета - выход второго генератора, устройство вычисления, к входам которого подключены выходы двух блоков счетчиков, при этом акустически связанные между собой элементом связи в виде воздушного слоя пьезоэлементы, элементы крепления которых соединены с упругими элементами, обращены друг к другу торцевыми поверхностями.