Датчик силы Советский патент 1983 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может применяться как датчик больших сил, например в диапазоне 10-10000 кН.

Известно устройство, содержащее упругий элемент в вид консольно закрепленной балки из пьезоэлектрического материала, на противополоных поверхностях которой сформированы две линии задержки поверхностных акустических волн, каж,цая из которых состоит из двух преобразователей встречно-штыревого типа, подключенных к электронном;/ блоку. При изгибе балки под действием измеряемой силы в линиях задержки получают равные по величине и противоположные по знаку изменения, обусловленные деформацией областей балки, лежащих между преобразователями. Электронный блок преобразует эти изменения в электрический сигнал, несущий информацию об измеряемой силе С 1 .

К недостаткам указанного устройства относятся невозможность измерения больших сил, обусловленная тем, что изготовить из пьезоэлектрических материалов крупногабаритны упругие элементы, способные выдерживать большие усилия (например, в диапазоне 10-10000 кН), невозможно, а также низкая вибро- и удс1ропрочность, обусловленная хрупкостью упругих элементов, изготовленных из пьезоэлектрических материалов

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является датчик ск.яЫ(, содержащий упругий элемент, на поверхности которого сформированы две тензочувствительные линии задержки поверхностных акустических волн 2-

Недостатки известного датчика заключаются в невозможности измерения больших сил (например, в диапазоне 10-10000 кН)5 обусловленной тем, что нанесение пьезоэлектрической пленки на башки и формирование преобразователей встречно-штыревого типа осуществляются с применением вакуумной технологии осаждения пленок и фотолитографии, Проведение таких процессов на крупногабариных упругих элементах, масса которы может, достигать десятков и даже сотен колиграммов (например, у датчика силы на 10000 кН) , не представляется возможным.Кроме того,невозмоно формирование тензочувствительных ЛИНИЙ задержки в труднодоступных областях упругого элемента, так как вакуумная технология оса хдения пленок и фотолитография требуют прямого доступа к поверхности подложки (в данном случае упругого элемента) . Это 31 ачительно сужает количество разновидностей монолихных упругих элементов, которые могут быть применены в устройстве. Недостатком устройства является также значительная температурная погрешность в условиях быстрого изменения температуры окружающей среды.

Цель изобретения - расширение диапазона измерения и уменьшение температурой погрешности,

Указанная цель достигается там, что в датчике силы, содержащем упругий элемент, на поверхности которого сформированы две тензочувствительные линии задержки поверхностных акустических волн, каждая линия задержки, сформирована на двух пьезоэлектрических пластинах, помещенных в пазы упругого элемента, при этом между торцами пластин и стенками пазов размещены прослойки из пластичного материала, а пластины каждой пары линий задержки расположены соответственна на противоположных сторонах замкнутого прямоугольника. 1

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик силы; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - датчик силы, вариант выполнения; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3.

Датчик силы (фиг. 1-2 содержит упругий элемент 1, опирающийся на основание 2, На поверхности упругого элемента 1 сформированы первая и вторая тензочувствительные линии Зсшержки поверхностных акустических волн. Первая линия задержки содержит возбуждающий 3 и при-емнЕ й 4 преобразователи встречноштыр€вого типа, нанесенные на пьезоэлектрические пластины 5и 6, которые помещены в пазы 7 и 8 упругого элемента 1. Аналогично, вторая линия задержки содержит возбуждающий 9 и приемный 10 преобразователи, нанесенные на пьезоэлектрические пластины 11 и 12, помещенные Б пазы 13 и 14 упругого элемента 1 Усилители 15 и 16 подключены своиг и выходами и входами к преобразователям 3, 4 и 9, 10 соответственно. Выходы усилителей соединены также с входами устройства 17 вычитания частот. Акустические контакты между боковыми стенка ди пазов и смежными с ними торцами пьезоэлектрических пластин обеспечиваются тонкими клеевыми про слойками и 18-21 (например, из эпоксидной смолы) (фиг. 2). Пазы 7, 8, 13 и 14 расположены в слабодеформируемих областях упругого элемента, где капряжения не должны превышать предела прочности клеевых прослоек 18-21. Деформируемая рабочая область 22 испытывает деформацию сдвига Выход 23 устройства 17 является выходом датчика. Датчик силы (фиг. 3 и 4) позволяет измерять- силу натяжения, например, троса. Он содержит упругий элемент 1, работающий на растяжение На его концах размещены элементы 24 и 25, к которым прикладываются измеряемые растягивающие силы Р. На поверхности упругого элемента сфорГМрованы первая линия задержки в которой поверхностные акустические волны распространяются перпендикулярно направлению.действия сил Р, и вторая линия задержки, в которой волны распространяются вдоль этого направления. Под действием сил Р длина траектории и задержка поверхностных акустических волн в первой линии задержки уменьшаются (за счет поперечного сжатия деформируемой области 22 в соответствии с коэффициентом Пуассона), а во вто рой линии задержки - увеличиваются Акустические контакты между боковыми поверхностями пазов 7, 8, 13 и 14 и смежными с ними торцами пьезоэлектрических пластин 5, 6, 11 и 12 обеспечиваются зажатыми между ними прослойками 26-29 из пластичного материала (например, олово). Зажатие осуществляется с помощью прижим ных пластин 30-33 и винтов 34-37. Усилие зажатия дол5кно быть таким, чтобы напряжения в прослойках 26-29 превьзсили предел текучести и прослойки образовали плотный механичес кий контакт с боковыми стенками пазов 7, 8, 13 и 14 и торцами пластин 5, 6, 11 и 12. Рассматриваемая конструкция датчика имеет повышенную ремонтопригодность, так как вышедшие из строя преобразователи 3, 4, 9и10с пьезоэлектрическими пластинами 5, 6, 11 и 12 могут быт-ь легко заменены. Пазы 7, 8, 13 и 14 находятся в слабодеформируемых областях упругого элемента. Границы раздела cлaбoдeфopмиpye /Iыx областей И деформируемой рабочей области 22 показаны на фиг. 3 и 4 пунктирными fлиниями 33-40. I В качестве материалов для упруго элемента предлагаемого датчика силы .можно использовать сплавы и стали, дЛя пьезоэлектрических пластин кварц, пьезокерамику. Диапазон возможных рабочих частот линий задержки 3-20 МГц„ В этом диапазоне акустические потери в сталях и сплавах составляют 0,5-5 дБ/см, а общие по тери линий задержки могут быть рав ными 20-40 дБ. Применение рабочих частот ниже указанного диапазона связано с увеличением габаритов линий задержки. Увеличение же частот выше указанного диапазона прив дит к неприемлемо большим потерям линий задержки, так. как акустические потери в сталях и сплавах растут пропорционально четвертой степени частоты. Датчик работает следующим образом. Под действием измеряемой силы Р деформируемая рабочая область 22 упругого элемента испытывает напряжения. Ориентации пазов выбраны таким абразом, что поверхностные акустические волны в линиях задерж-. ки распространяются по перпендикулярным траекториям (на фиг-. 1-4 показаны волнистыми стрелками). При деформации области 22 длина траектории и время задержки поверхностных акустических волн в первой линии задержки уменьшалотся, а во второй - увеличиваются. В результате частота генератора, образованного усилителем 15 и ггервой линией задержки, получает положительное приращение, а частота генератора, образованного усилителем 16 и второй линией задержки, - отрицательное приращение. Сигнал на выходе 23 устройства 17 имеет частоту, равную сумме абсолютных значений приращений частот генераторов и пропорциональную измеряемой силе Р. Изменения частот генераторов за счет температурных изменений времени задержки линий примерно равны, по величине и совпадают по знаку. Пересечение траекторий поверхностных акустических волн обеспечивает увеличение степени идентичности температурных режимов первой и второй линий задержки, так как в этом случае их задержка зависит от температуры одной и той же области упругого элемента, центр которой лежит в месте пересечения траекторий, За счет этого достигается уменьшение температурного дрейфа .нуля, особенно в датчиках, работающих в условиях быстрого изменения температуры окружающей среды, приводящего к значительным градиентам температуры упругого элемента. i .. В предлагаемом датчике можно все существующие разновидности упругих элементов использовать как в тензорезисторных датчиках силы. При этом линии з адержки могут быть сформированы в труднодоступных областях упругого элемента, так как первоначально на пьезоэлектрических пластинах методами фотолитографии формируются преобразователи встречноштыревого типа, а затем пластины помещаются в пазы упругого элемента. Предлагаемый датчик,,сохраняя такие преимущества существующих

S1045014

датчиков на поверхностных акустичес- частотная форм выходного сигнала, ких волнах, как высокая лннейность ,позволяет расширить диапазон изме.характеристики, малый гистерезис, ряемых сил до 10000 кН.

датчик CHJbl, содержащий упругий элемент, на поверхности которого сформированы две тензочувстГ вительные линии задержки поверхност ных акустических волн, .отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения и уменьшения температурной погрешности, каждая линия задержки сформирована на двух пьезоэлектрических пласпластинах, помещенных в пазы упругого элемента, при этом между торцами пластин и стенками пазов размещены прослойки из пластичного материала, а пластины каждой пары линии задержки расположены соответственно на противоположных сторонах замкнутого прямоугольника. сл о 4; сл срм{