ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01H11/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения виброперемещений при низкочастотных колебаниях, например, при испытаниях на прочность авиационных конструкций и их элементов.

Известен датчик перемещений (Серьезнов А.Н. Измерения при испытаниях авиационных конструкций на прочность. М., "Машиностроение", 1976 г., стр. 116-117), содержащий масштабный преобразователь, упругий (чувствительный) элемент, изгибаемый при перемещении масштабного преобразователя, полумостовую измерительную схему, регистрирующий прибор.

Недостатками такого датчика являются наличие изнашиваемых элементов и нелинейность характеристики "перемещение-прогиб" упругого элемента.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция виброщупа ВЩ-1 (Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие. Под редакцией кандидата техн. наук Р.А.Макарова. М., "Машиностроение", 1975 г., стр. 156), содержащая измерительный наконечник, установленный в специальной направляющей, тензорезисторный преобразователь перемещения, в виде изогнутой балочки, изгибаемый при перемещении измерительного наконечника, мостовую измерительную схему, регистрирующий прибор.

Недостатками такого устройства являются низкая точность измерения и узкий измерительный диапазон, связанные с нелинейностью преобразователя.

Решаемой задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений, стабильности результатов измерений, расширение диапазона измерений, в т.ч. повышение надежности работы датчика.

Решение задачи достигается тем, что тензорезисторный преобразователь перемещения выполнен из металлической пластины круглой формы со сквозной прорезью в виде спиральной ленты, равномерно сужающейся от края пластины к центру, при этом измерительный наконечник установлен в центре спирали перпендикулярно плоскости преобразователя, а сама пластина жестко закреплена по периметру на корпусе датчика.

Сущность изобретения поясняется общим видом на фиг.1 - "Датчик для измерения виброперемещений".

Датчик содержит тензорезисторный преобразователь перемещений 1, представляющий собой металлическую пластину круглой формы со сквозной прорезью внутри в виде спиральной ленты, равномерно сужающейся от края пластины к центру. По периметру пластина жестко закреплена на корпусе датчика 6. В центре преобразователя 1 с помощью колодок 2 жестко установлен измерительный наконечник 3 перпендикулярно плоскости преобразователя с возможностью перемещения по направляющим 4. Т.к. все сечения спирали равнонапряженные, то выбор места расположения тензорезисторов 5 произволен. Они расположены по два R1, R3 (R2, R4) на верхней и нижней поверхностях спирали соответственно, соединены в измерительную схему и с регистрирующим прибором 7.

Датчик работает следующим образом.

Предварительно датчик подвергают градуировке, затем устанавливают на неподвижной опоре и присоединяют через наконечник 3 к исследуемому объекту в точке измерения амплитуды колебаний,
Соединение должно быть достаточно жестким, чтобы можно было принять исследуемый объект и измерительный наконечник как единую систему.

Тогда между объектом и наконечником возникает сила взаимодействия Р, направленная вдоль оси наконечника. Значение силы Р зависит от упругих характеристик преобразователя 1 и амплитуды (перемещений) колебаний λ объекта исследований.

Под действием силы Р наконечник 3 перемещается по направляющим 4, а вместе с ним прогибается плоскость преобразователя 1, т.е. совершаются колебания.

При этом возникает упругодеформированное состояние преобразователя перемещений.

Деформации преобразователя фиксируются тензорезисторами 5, они формируют электрические сигналы, пропорциональные напряжениям кручения τ в сечении, регистрируемые прибором 7.

Приведем математическое обоснование определения значений амплитуды (перемещений) λ колебаний - фиг.2.

Уравнение средней линии спиральной ленты преобразователя перемещений является уравнением спирали Архимеда:
r=r₁+tϕ, (1)
где r₁ - радиус внутренней колодки;
r - радиус, соответствующий полярному углу ϕ от радиуса r₁ в направлении к конечному радиусу r₂;

где i - число витков спирали.

Полная длина L дуги архимедовой спирали на участке от ϕ=0 до ϕ = 2πi (т. е. от r₁ до r₂) равна:
L≈(r₁+r₂)πi. (3)
Ширина спиральной ленты а - величина переменная. Наибольшее значение ее будет у края пластины. Оно выбирается из условия прочности - равенство допускаемых и действующих напряжений в виде:
τ_доп = τ_max; (4)
где τ_доп - допускаемое напряжение из расчета на выносливость;

где Р_mах - максимальная эксплуатационная нагрузка на упругий элемент;
α - коэффициент формы, равный отношению ширины а к толщине b,
W_кр - момент сопротивления на кручение;

На участке спиральной ленты от r₁ до r₂ значение ширины а будет:

и определяется последовательными приближениями.

Перемещение λ измерительного наконечника из плоскости преобразователя под действием силы Р определяется методом численного интегрирования по длине спирали уравнением:

где C=Gβab³ - жесткость на кручение при β = α; G - модуль упругости.

Осевое перемещение измерительного наконечника λ пропорционально приложенной нагрузке Р. Податливость упругого элемента, т.е. преобразователя равна:

При использовании упругого элемента в качестве измерителя перемещений, зависимость напряжений кручения τ от λ в сечении ленты получим подстановкой уравнения (7) в уравнение (8). После преобразования получим:

или
τ = λ,B, (11)
или

где коэффициент пропорциональности В зависит от материала, толщины и геометрических параметров спиральной ленты, являясь константой упругого элемента, т.е. преобразователя

Сравнивая предложенное устройство с прототипом, можно сделать вывод, что конструкция данного устройства позволяет получить более точные результаты измерения виброперемещений при низкочастотных колебаниях с погрешностью ε= 0,2% от измерительного диапазона.

Хорошие линейные характеристики тензорезисторного преобразователя датчика и надежность конструкции позволяют использовать его для непрерывного автоматического контроля виброперемещений, в т.ч. повысить удобство работы в процессе измерений.

Кроме того, использование датчиков с тензометрическими преобразователями удобно тем, что можно применять унифицированную измерительную аппаратуру при испытаниях на прочность.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения виброперемещений при низкочастотных колебаниях, например при испытаниях авиаконструкций на усталость. Технический результат: повышение точности измерений, расширение диапазона измерений, стабильность результатов, повышение надежности работы датчика. Сущность: тензорезисторный преобразователь перемещения выполнен в форме плоской спирали из равномерно сужающейся металлической ленты постоянной толщины. В центре спирали перпендикулярно ее плоскости жестко закреплен измерительный наконечник с возможностью перемещения по направляющим. Датчик закрепляется неподвижно и соединяется через измерительный наконечник с исследуемым объектом. Деформации преобразователя фиксируются тензорезисторами, которые вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные напряжениям кручения. 2 ил.

Датчик для измерения виброперемещений, содержащий корпус, подвижный измерительный наконечник, установленный в направляющих и жестко связанный с тензорезисторным преобразователем перемещений, измерительную схему и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что тензорезисторный преобразователь перемещения выполнен из металлической пластины круглой формы со сквозной прорезью внутри в виде спиральной ленты, равномерно сужающейся от края пластины к центру, при этом измерительный наконечник установлен в центре спирали перпендикулярно плоскости преобразователя, а сама пластина жестко закреплена по периметру на корпусе датчика.