Устройство в частности,для цифрового измерения силы Советский патент 1983 года по МПК G01L1/04 

2.Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что тело деформации состоит из основания 6 и нескольких г ибочных пластин 7в и гибочные пластины 7 на их свободных концах соединены жестким образом между .собой элементом связи 15.

3.Устройство по п. 2, о т л ичающееся тем, что.точка приложения силы предусмотрена на одной из гибочных пластин 1-В.

4.Устройство по п. 2, о т л ичающееся тем, что точка наложения силы предусмотрена на элементе 15 связи.

. 5. Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что основание б и элемент связи 15 изготовлены из кремниевого материала, а гибочные пластины 7а, 7 - из кристаллического кварца.

6. Устройство по пп. 1-5, о т л ичающеес я тем, :;что между основанием б и изготовленными из кремниевого материала гйбочныг-ш пластина,ми 7чз, 76 установлено тело деформаг ции 8, изготовленное из высококачественного материала, например кристаллического кварца.

7.Устройство по пп. 2-6, о т л .И fiaromeec я тем, что грузовая .колонка 10 присоединена к верхней

гибочной пластине 1-8 посредством кинематической направляющей 16 и к нижней гибочной пластине 1-S посредством безмоментной связи.

8.Устройство по пп. 2-7, о т л ич а ю щ е е с я тем, что в определенных расстояниях по направлению

У предусмотрено несколько грузовых . колонок 10, как и мест присоединения

9.Устройство по пп. 1-8, отличающееся тем, что зеркала интерферометра 4, 4-6 жестко соединены с оптическим делителем 3.

10 .Устройство по пп. 2-.9, отличающееся тем, что инвариантный от опрокидывания отражатель 50расположен на, нижней гибочной пластине 7-6, а второй инва риантный от опрокидывания отражатель 54 установлен на верхней гибочной пластине Т6 и отражатели 5а, Бв установлены в расположенной п.араллельно к плоскости - - плоскости, диаметральной по отношению к нулевой точке координат в возможно минимапьном расстоянии по направлению X от.элемента связи 15

1. УСТРОЙСТВО,в ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ЦИФРОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ, состоящее из элемента деформации, интерферометра с оптическим делителем, неподвижных и подвижных инвариантных от опрокидывания отражателей, монохроматического источника света, оптических систем фотоэлектрических приемников, каскадов формирования импульсов и счетчика прямого и обратного хода, отличающееся тем, что изготовленное из одного куска тело деформации, например из кварца, состоит из жесткого при изгибе основания 6, прикрепленного жестко в станине 9, на котором установлены жестким образом оптический делитель Зи зеркала интерферометра 4а, 4, как инвариантный от опрокидывания отражатель 5, а также из одной гибочной пластины 7а, к которой прилагается измеряемая сила и на которой жестко расположен инвариант- § ный от опрокидывания отражатель 5а. (Л сл 00 в 71 V. Фиг.1

Изобретение касается устройства, в частности, для цифрового измерения силы. Кроме того, с помощью этого устройства могут быть измерены цифровьш образом значения измерения перемещения, к ак и все производимые из силы и перемещения величины.

В соответствии с экономическим патентом ГДР 94905 известно устройство для непосредственного цифрового измерения силы, содержащее элемент измерения, состоящий из нескольких жестко соединенных ежду собой проз-рачных пластин. К одной пластине элемента измерения,ьк так называемой гибочной пластине, прилагается величина измерения силы. Воздушной щели, образуемой этой пластиной- и пластиной, расположенной напротив нее, придают такую форму, чтобы возникло интерференционное распределение поворотных полос при прогибе гибочной пластины, как и при просвечивании элемента измерения параллельным монохроматичес.киМ светом. Определенные места интерференционного распределе-т ния поворотных полос развертываются фотоэлектрическими приемниками. Оптимальные соотношения получаются в случае поворота интерференционных полос из косого начального nojriomeний в начале диапазона измерения до симметричного по отношению исходного положения конечного положения в конце диапазона измерения. Юстировкой приемников по направлению V устанавливается объем запаса знаков, соответствующий диапазону измерения. Юстировкой расстояния приемников по направлению X можно достигать жела емого положения фаз исходных сигналов Объем запаса знсосов, соответствующий диапазону измерения, определяется -В. этом-ус тройстве расстоянием места развертывания п|}иемника от оси X .

Однако это согласование изменяется в случае, например, изменения относительных положений между элементом измерения, оптической системой изображения и фотоэлектрическим приемником вследствие колебаний температуры.

Расстояние интерференционных полос в направлении из-за распределения поворотных полос остается

постоянным, а в направлении У изменяется в зависимости от значения измерительной величины. Таким образом, количество получаемых интерференционных полос ограничивается

расстоянием интерференционных полос, определяе1 «:1м фотоэлектрическим способом. , . В случае закладьшания силы не в центральной точке гибочной пластины возникает скручивание гибочной плас тины, вследствие чего расстояние интерференционных полос по направле нию X и, -следовательно, разность фа между вых1рдными сигналами изменяютс Соединенные между собой жестким образом пластины, образующие элеМен измерения, должны быть изготовлены из высококачественного и прозрачног мат-ериала. Кроме того, пластины дол ныиметь высокое качество поверхнос тей и сохранять размеры, чтобы можн было достигнуть желаемой геометрии воздушного зазора. Изготовить элемент деформации из одного куска невозможно, так как окружакмцие воздуш ный зазор поверхности должны быть полированными. Изобретение дает возможность, главным образом, сохранять расстояние интерференционных полос постоян ным по всему диапазону измерения и устанавливать его любым образом, принем относительные изменения поло жения между элементом измерения (эл мент деформации), оптической системой изображения и фотоэлектрическим приемником не оказывают никакого влияния на согласование объема запаса знаков с объемом диапазона, а скручивание гибочной пластины не оказывает влияния на разность .фаз между выходными сигналами, Устройст во допускает применение непрозрачного материала для элемента деформа цйи. Элемент деформации отличается простой конструкцией. Кроме того, предусмотрена возможность экономии высококачественного материала для элемента деформации, изменения диап зона измерения простым способом, а также достижения оптическим путем независимости от угловой нагрузки. Задачей изобретения является соз дание устройства, главным образом, для цифрового измерения силы, имеющего короткие времена измерения и высокую разрешающую способность. Задача, по изобретению решена помещением инвариантного от опрокидывания интерферометра на оформленном |вильчатом образом элементе деформации. Оформление элемента деформации возможно и в виде кольцевой или рамной пружины. Вильчатый элемент деформации сос тоит из жесткого при изгибе основания и одной или нескольких гибочных пластин, причем основание в одном месте жестко закреплено в станине. Основание и гибочные пластины мо гут быть изготовлены обычным образо из одного куска, например, высококачественной пружинной стали или кварца. Для экономии высококачественного материала элемента деформации существует несколько возможностей. Из высококачественного материала изготовляют или- только гибочные пластины и соединяют их прочно с жестким при . изгибе основанием, или добавляют в гибочных пластинах дополнительные промежуточные части, которым придают такую форму, чтобы они приняли на себя самую большую часть деформации. В последнем случае только промежуточные части для элемента деформации должны быть изготовлены из высококачественного матЪриёша. Особе.нно целесообраэньил является изготовление промежуточных частей из кристаллического кварца, а основания, как и гибочных пластин - из кремниевого материала. В случае установления нескольких гибочных пластин последние на своих свободных концах жестко соединяются элементом связи. Измеряемая сила может быть наложена на одну из внешних гибочных пластинах или на элемент связи. . В случае выполнеиия устройства с несколькими гибочными пластинами возникает возможность использовать гибочные пластины одновременно в качестх ве параллельного передаточного рычага для системы ввода силы. Грузовая колонка при этом соедин а непосредственно с гибочными пластиналм. В одном месте присоединения передается сила на элемент Деформации. Это место присоединения должно иметь такую форму, чтобы оно не передавало моментов. В другом месте грузовая колонка соединена с одной гибочной пластиной при помощи кинематической направляющей. Кинематическая направляющая должна иметь такую форму, чтобы она могла передавать по возможности только пренебрегаемыё моменты. . . Изменением расстояния инвариантно го от опрокидывания отражателя гибочной пластины от места зажима гибочной пластины можно устанавливать желаемый диапазон измерейия. Установлением нескольких грузовых колонок с различными-расстояниями с помсмцью переставления чашки весов получают систему измерения си.1Ш о несколькими диапазонами. Жестко с элементом деформации соединяются оптические части инвариантного от опрокидывания интерферометра известной конструкции. Может быть, например, использован интерферометр Майкельсона, а ветвях которого реализуется изменение хода пуча инвариантными от опрокидывания (например тройными) призмами. Оптический делитель и оба зеркала интер ферометра, как и инвариантный от опрокидывания отражатель, жестко со диняются с основанием. Целесообразн укреплять зеркала интерферометра на оптическом делителе, так как производственная реализация этого процес са легка, при этом окончательная конструкция получается жесткой. Дру гой инвариантный от опрокидывания отражатель жестко соединен с гибочной пластиной. При прогибе гибочной пластины вследствие приложенной сил изменяется только оптический пробег в ветви интерферометра, но при этом изменяются направления возникающих в инвариантном от опрокидывания отражателей лучей, как и отражаемых отражателями лучей. Расстояние инте ференционных полос определяется положением углов обоих зеркал интерфе рометра, прикрепленных на оптическо делителе. С помощью монохроматического источника света и конденсатора к опти ческому делителю подводится параллельный монохроматический свет . На оптическом делителе производится разделение его на два частичных пучка. На инвариантных от опрокидывани отражателях производится изменение направлений обоих частичных пучков. Потом они поступают на прикрепленны на делительном кубике зеркала интерферометра, отражаются или проходят еще раз инвариантные от опрокидывания отражатели, соединяются опять, н оптическом делителе и интерферируют При прогибе гибочной пластины вследствие приложенной силы различие хода интерферирующих пучков изменяется и .интерференционные полосы выходят,. Количество интерференционных полос, выходящих при определенном изменении значения измерения, зависит от расстояния инвариантного от опрокидывания отражателя гибочной пластины от центра прогиба. Объектив изображает интерференционные полосы на фотоэлектрических приемниках. Фотоэлектрические приемники должны быть юстированы только в направлении, перпендикулярном к интерференционным полосам, для получения желаемой разности фаз. Для реализации инкрементного способа интерференционная картина развертывается фотоэлектрическим способом на двух смещенных по фазе на 90 мес тах. Для уменьшения чувствительности к угловой нагрузке оба инвариантных от опрокидывания отражателя располот (жены на обеих гибочных пластинах в параллельной к плоскости il - Z. плоскости, расположенной диаметрально к нулевой точке координат. Инвариантные от опрокидывания отражатели долж ны быть установлены как можно ближе к элементу связи и учитывая положение элемента связи, перед гибочными элементами. Изобретение объясняется более подробно с помощью примеров осуществления. На Фиг.1 изображено устройство с основанием и одной гибочной пластиной; на фиг.2 - устройство с основанием .и двумя гибочными пластинами; на фиг.З - расположение дета- лей интерферометра для устранения чувствительности к угловой нагрузке. Согласно фиг.1 элемент деформации составлен из жесткого при изгибе основания 6, гибочной пластины 7а и неподвижно закрепленного промежуточного элемента 8. Основание б и гибочную пластину 7а изготавливают из непрозрачного кварцевого стекла, а промежуточный элемент 8 - из кристаллического кварца. В промежуточном элементе 8 фрезерован паз так, что элемент принимает самую большую часть деформации. Ос.нование 6 в одном месте жестко прикреплено к станине 9. оптический делитель 3 и инвариантный от опрокидывания отражатель 5 жестко соединены с основанием 6 . На оптическом, делителе 3 установлены зеркала интерферометра 4а и 4и. Инвариантный от опрокидывания отражатель So жестко соединен с гибочной пластиной 7а. с помощью монохроматического источника 1 света и конденсатора 2 подводится к оптическому делителю 3 параллельный монохроматический свет. На оптическом делителе 3 произЬодится разделение параллельного монохроматического света на два частичных пучка. На соответствующих инвариантных от опрокидывания отражателях 5а и 5-в производится изменение направлений обоих частичных пучков, пучки поступёиот на зеркала интерферометра 4а и 4-в, отражаются от них, проходят инвариантные от опрокидывания отражатели 5а и 5 еще раз, соединяются опять на оптическом делителе 3 и интерферируют. С помощью объектива 11 производится проекция интерференционного появления на фотоэлектрические приемники 12, к которым подключены каскады формирования импульсов 13 и счетчик прямого и обратного хода 14. Сила р направляется через систему ввода силы, состоящую из чаши весов 20 и грузовой колонки 10, параллельно передаточному рычагу 18 и присоединяющему элементу 19 на гибочную пластину 7а. С увеличением силы Г гибочная пластина 7а изгибается и на фотоэлектриеских приемниках 12 выходят интереренционные полосы. Количество проходящих мимо интерференционных полос читывается с счетчика прямого и обратного хода 14 и служит для измерения значения яйлы. Согласно фиг.2 концы хгибочных пластин 7-6 соединены элементом связи 15. Оптические конструкционные элементы интерферометра точно такие же, как и в устройстве согласно фиг.1. Фотоэлектрическая опенка производитс таким же образом..Сила F передается иерез грузовую колонку 10 на нижнюю гибочную пластину 7-в с помощью одного упорного подшипника 17. С верхней гибочной пластиной 7 грузовая колонка 10 соединена с помощью кинематической направляющей 16. Верхняя и нижняя гибочные пластины 7 служат одновременно параллельным передаточным рычагом 18. В данном примере помещены две грузовые колонки 10 Переставлением чашки весов 20 получают систему измерения силы с двумя диапазонами измерения. На фиг.З показано сечение А-А на фиг.2 с измененным расположением

I ,. 5

10

Vf

ff оптических.деталей интерферометра. В этом специальном устройстве, реализующем нечувствительность к- угловой нагрузке, один инвариантный от опрокидывания отражатель 5ci закреплен на нижней гибочной пластине 7 , а Другой инвариантный от опрокидывания отражатель 50 закреплен на верхней гибочной пластине 7-8. Инвариантные от опрокидывания отражатели 5о и Sg расположены в параллельной к плоскости - 1 плоскости, диаметральной к нулевой точке координат, н минимально возможном расстоянии от элемента связи 15 по направлению X. Для измерения направления хода лучей в ветви интерферометра предусмотрено дополнительное поворотное зеркало 21. Признано изобретением по результатам экспертизы, осуществленной Ведомством по изобретательству Германской Демократической Республики.