УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01L1/16 

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

Известно устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу и содержащих 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, вызванных нестабильностью акустических потерь, изменением температуры окружающей среды и параметров возбуждающего генератора.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к предлагаемому изобретению является устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанные между собой элементом связи пьезоэлемента, расположенные параллельно друг другу и имеющие четыре наружных обкладки, первый и второй генераторы электрических колебаний, элементы передачи измеряемого усилия, блок сравнения сигналов и измерительный прибор. Каждый генератор электрических колебаний подключен к наружной обкладке только одного пьезоэлемента. Блок сравнения сигналов подключен к двум другим обкладкам пьезоэлементов и к измерительному прибору. Элементы передачи измеряемого усилия и элементы связи выполнены в виде конусов с разной площадью контакта с пьезоэлементами. При этом пьезоэлемент с меньшей собственной частотой имеет наибольшую площадь контакта с элементами передачи измеряемого усилия [2].

Основным недостатком описанного устройства является низкая точность измерений, обусловленная большой динамической погрешностью, т.к. механизм силочувствительности основан на модуляции коэффициента связи и относительной расстройки собственной частоты пьезоэлементов. При этом коэффициент связи зависит от площади акустического контакта, которая, в свою очередь, нестабильна во времени.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения усилий, содержащем два акустически соединенные между собой элементом связи пьезоэлемента, расположенные параллельно друг другу и имеющие четыре наружные обкладки, первый и второй генераторы электрических колебаний, каждый из которых подключен к наружной обкладке только одного пьезоэлемента, измерительный прибор, элементы передачи измеряемого усилия, выполненные в виде конусов, контактирующих с пьезоэлементами, площади контакта элемента связи с пьезоэлементами выполнены одинаковыми, при этом в устройство введены детектор синхронного режима, причем каждый из двух входов детектора синхронного режима подключен к наружной обкладке только одного пьезоэлемента, блок управления, вход которого подключен к выходу детектора синхронного режима, блок счетчиков, у которого первый вход запрещения счета, соединенный со входом управления амплитудой возбуждения второго генератора электрических колебаний, и второй вход сброса связаны с двумя другими выходами блока управления, третий вход блока счетчиков подключен к первому генератору электрических колебаний, блок регистров, посредством входа разрешения записи соединенный с третьим выходом блока управления, другими входами - с выходами блока счетчиков, и выходом подключенный к входу измерительного прибора.

Техническим результатом является повышение точности измерений усилий путем уменьшения динамической погрешности.

Уменьшение динамической погрешности измерений усилий, обусловленной релаксационным механизмом изменения площади акустического контакта элемента связи с пьезоэлементами при приложении усилия к элементам передачи измеряемого усилия осуществляется за счет измерения в течение времени синхронизации колебаний пьезоэлементов, которое намного больше времени релаксационного изменения площади акустического контакта.

Предлагаемое изобретение поясняется фиг. 1 и 2, где на фиг. 1. изображена структурная схема устройства для измерения усилий, а на фиг. 2 - временные диаграммы работы блока управления при наступлении режима синхронных колебаний пьезоэлементов и временная диаграмма счетных импульсов на третьем входе блока счетчиков.

Устройство для измерения усилий (см. фиг. 1) содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2, подключенные к наружным обкладкам 3 и 4 пьезоэлементов 5 и 6. При этом генератор электрических колебаний 1 подключен только к наружной обкладке 3 пьезоэлемента 5, а генератор электрических колебаний 2 подключен только к наружной обкладке 4 пьезоэлемента 6. Внутренние обкладки 7 и 8 пьезоэлементов 5 и 6 соединены между собой. Пьезоэлементы 5 и 6 расположены параллельно друг другу и акустически соединены между собой элементом связи 9, имеющим одинаковые площади контакта с пьезоэлементами 5 и 6. Элементы передачи измеряемого усилия 10 и 11 выполнены в виде конусов с одинаковой площадью контакта с пьезоэлементами 5 и 6 соответственно. Каждая из наружных обкладок 12, 13 пьезоэлементов 5, 6 соединена с одним из двух входов детектора синхронного режима 14, выход которого подключен к входу a блока управления 15. Выход b (первый выход) блока управления 15 связан с входoм запрещения счета (первый вход) блока счетчиков 16 и с входом управления амплитудой возбуждения генератора электрических колебаний 2, выход c (второй выход) блока управления 15 подключен к входу сброса (второй вход) блока счетчиков 16, выход d (третий выход) блока управления 15 подключен к входу разрешения записи блока регистров 17. Вход e (третий вход) блока счетчиков 16 дополнительно соединен с генератором электрических колебаний 1. Выходы блока счетчиков 16 связаны с соответстаующими входами блока регистров 17, выход которого подключен к входу измерительного прибора 18.

Кроме того, на фиг.2 изображены временные диаграммы сигналов на входе e блока счетчиков 16, на входе а и выходах b, с, d блока управления 15. При этом на всех временных диаграммах активным является высокий уровень сигнала. Так время наличия высокого уровня сигнала на входе а блока управления 15 соответствует режиму синхронных колебаний пьезоэлементов 5 и 6, на выходе b соответствует времени, в течение которого амплитуда возбуждения генератора электрических колебаний 2 изменена по отношению к первоначальной и запрещен счет блоку счетчиков 16, на выходе с - времени сброса блока счетчиков 16, на выходе d - времени записи в блок регистров 17. На входе e блока счетчиков 17 высокий уровень сигнала чередуется с низким, образуя последовательность счетных импульсов, при этом импульсы на вход e блока счетчиков 16 выдаются генератором электрических колебаний 1 постоянно, не зависимо от режима работы устройства.

Устройство для измерения усилий работает следующим образом. От генераторов электрических колебаний 1, 2 осуществляется возбуждение пьезоэлементов 5, 6 в режиме автоколебаний на частоте механического резонанса (см. фиг. 1).

Наличие акустической связи между пьезоэлементами 5, 6 через элемент связи 9 обусловливает взаимную синхронизацию колебаний. При этом число импульсов генератора электрических колебаний 1, посчитанных за время синхронизации колебаний пьезоэлементов 5 и 6, определяется зависимостью [3]

где λ(S) - коэффициент взаимодействия;
S - площадь акустического контакта между пьезоэлементами 5, 6 и элементом связи 9.

В связи с тем, что площадь акустического контакта S(F) зависит от измеряемого усилия F, коэффициент взаимодействия λ(S) можно представить как функцию от F, т.е.

где γ(F) - коэффициент связи;
распределение амплитуд;
где U₁ - напряжение на обкладке 12;
U₂ - напряжение на обкладке 13;
- относительная расстройка частот собственных колебаний пьезоэлементов 5 и 6,
где n₁₀ - собственная частота пьезоэлемента 5;
n₂₀ - собственная частота пьезоэлемента 6.

При воздействии на пьезоэлементы 5 и 6 через элементы передачи измеряемого усилия 10, 11 усилием F изменяется площадь акустического контакта S(F) и соответственно коэффициента акустической связи γ(F). При этом относительная расстройка частот ζ остается постоянной, т.к. пьезоэлементы 5, 6 находятся в одинаковых условиях по отношению к измеряемому усилию F. Изменение коэффициента связи γ(F) обусловливает изменение коэффициента взаимодействия λ(F) и, соответственно, числа импульсов за время синхронизации колебаний пьезоэлементов 5 и 6, т.е.

При синхронизации колебаний пьезоэлементов 5, 6 срабатывает детектор синхронного режима 14 и выдает на выход a сигнал блоку управления 15, который посредством сигнала на своем выходе b останавливает счет блока счетчиков 16 и изменяет соотношение амплитуд колебаний пьезоэлементов 5 и 6 путем изменения напряжения возбуждения генератора 2, что позволяет вывести устройство из синхронного режима для следующего цикла измерения. Блок управления 15 подает сигнал с выхода d на вход разрешения записи блока регистров 17, разрешающий запись кода, накопленного за время измерения, с выходов блока счетчиков 16 в регистры блока 17. По окончании записи с выхода c блока управления 15 на вход сброса блока счетчиков 16 подается сигнал сброса, обнуляющий счетчики. Одновременно со снятием сигнала сброса на выходе с блока управления 15 снимается сигнал на выходе b блока управления 15, что восстанавливает соотношение амплитуд колебаний пьезоэлементов 5 и 6 и разрешает счет блоку счетчиков 16, т.е. начинается новый цикл измерений. Для счета блоком счетчиков 16 используются импульсы, поступающие на вход e от генератора электрических колебаний 1. На вход измерительного прибора 18 поступает сигнал с выхода блока регистров 17 (см. фиг. 2).

Таким образом, как видно из выражения (3), число импульсов за время вхождения в синхронизм зависит от величины измеряемого усилия F, однако существует также зависимость от времени релаксации t_p механической деформации в месте контакта, так как на границе контакта элемента связи 9 и пьезоэлементов 5, 6 при приложении усилия к элементам передачи измеряемого усилия 10, 11 происходит вязкоупругая деформация поверхности акустического контакта. Как известно, время релаксации t_p, вызванное нестабильностью акустического контакта, зависит от степени шероховатости, приработки поверхностей контакта элемента связи 9 и пьезоэлементов 5, 6, материала элемента связи 9, что обусловливает появление динамической погрешности.

Зависимость вязкоупругой деформации от времени и действующего усилия можно выразить как [4]:

где D_y(F) - чисто упругая деформация;
D_н(F)-неупругая (вязкая) деформация;
t_и(F) - время измерения, соответствующее времени синхронизации колебаний пьезорезонаторов 5, 6 и зависящее от величины измеряемого усилия (F);
t_р - время релаксации механических деформаций контактирующих поверхностей.

Абсолютное динамическое изменение вязкоупругой деформации за время t_и(F) составит

Изменение вязкоупругой деформации приводит к пропорциональному изменению площади акустического контакта Δ_дS(t,F), что, в свою очередь, вызывает пропорциональное приращение коэффициента связи Δ_дγ(t,F), т.е. на основании (5)


где S_К(F) - установившееся значение площади акустического контакта при t_и(F)---> ∞;
γ_к(F) - установившееся значение коэффициента связи при t_и(F)--->∞.

Изменение коэффициента взаимодействия в течение цикла измерения за счет релаксационных процессов можно представить зависимостью

Абсолютную динамическую погрешность, обусловленную релаксационным механизмом изменения коэффициента взаимодействия, можно оценить по формуле

Относительная динамическая погрешность выходного сигнала датчика составит

Как следует из (10), уменьшение погрешности измерения достигается за счет того, что t_и(F)>>t_р, так как:

Таким образом, данное устройство позволяет значительно повысить точность измерений по сравнению с прототипом за счет уменьшения динамической погрешности, обусловленной релаксационным механизмом изменения площади акустического контакта.

Иcточники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 143585, кл. G 01 L 1/16.

2. Патент РФ N 2082120, МПК⁶ G 01 L 1/16 (прототип).

3. Седалищев В. Н. Физические основы пьезорезонансных МСК - датчиков: Учебное пособие. -Барнаул: Издательство АлтГТУ, 1997, c. 35.

4. Крагельский И.В., Гитис Н.В. Фрикционные автоколебания. -М.: Наука, 1987, с. 88.

Изобретение предназначено для измерения механических усилий в различных отраслях промышленности. Два акустически соединенных элементом связи пьезоэлемента расположены параллельно и снабжены четырьмя наружными и двумя внутренними обкладками. Каждый из двух генераторов электрических колебаний подключен к наружной обкладке только одного пьезоэлемента. Элементы связи имеют одинаковые площади контакта с пьезоэлементами. Силопередающие элементы выполнены в виде конусов с одинаковой площадью контакта с пьезоэлементами. Каждая из наружных обкладок пьезоэлемента соединена с одним из двух входов детектора синхронного режима, выход которого подключен к входу блока управления. Один выход блока управления подключен к входу управления амплитудой возбуждения второго генератора электрических колебаний. Входы запрещения счета и сброса блока счетчиков связаны с двумя выходами блока управления. Третий вход блока счетчиков подключен к первому генератору. Блок регистров входом разрешения записи соединен с третьим выходом блока управления, другими входами - с выходами блока счетчиков, а выходом подключен к входу измерительного прибора. Технический результат - повышение точности измерений за счет уменьшения динамической погрешности, обусловленной релаксационным механизмом изменения площади акустического контакта пьезоэлементов. 2 ил.

Устройство для измерения усилий, содержащее два акустически соединенные между собой элементом связи пьезоэлемента, расположенные параллельно друг другу и имеющие четыре наружные обкладки, первый и второй генераторы электрических колебаний, каждый из которых подключен к наружной обкладке только одного пьезоэлемента, измерительный прибор, элементы передачи измеряемого усилия, выполненные в виде конусов, контактирующих с пьезоэлементами, отличающееся тем, что площади контакта элемента связи с пьезоэлементами выполнены одинаковыми, при этом в устройство введены детектор синхронного режима, причем каждый из двух входов детектора синхронного режима подключен к одной наружной обкладке только одного пьезоэлемента, блок управления, вход которого подключен к выходу детектора синхронного режима, блок счетчиков, у которого первый вход запрещения счета, соединенный с входом управления амплитудой возбуждения второго генератора электрических колебаний, и второй вход сброса связаны с двумя выходами блока управления, третий вход блока счетчиков подключен к первому генератору электрических колебаний, блок регистров, посредством входа разрешения записи соединенный с третьим выходом блока управления, другими входами - с выходами блока счетчиков, и выходом, подключенным к входу измерительного прибора.