Устройство для измерения силы Советский патент 1984 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к технике измерения силы,, массы, ускорения и других величин с помощью применения пьезоэлектрических преобразователей, Е)аботагоадих на изгиб. Известны устройства для измерения силы, содержащие консольно закреплен ный в опоре пьезоэлектрический преоб разователь и электроннЕлй усилитель, согласующий преобразователь с оконеч ным измерительным прибором. В качестве согласующего усилителя в последнее время преимущественно используется усилитель заряда (1. Недостатком этих устройств является нестабильность коэффициента пре образования силы в электрический сйг нал при вариациях точки ее приложения. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является уст ройство для измерения силы, -содержащее консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент с двумя парами электродов, одна из которых соединена с усилителем заряда, состоящим из усилителя, охваченного обратной связью с помощью емкости. Работа устройства основана на пря мом поперечном пьезоэффекте. При приложении измеряемой силы к свободному концу преобразователя перпендикулярно его широким граням пьезоплас тины, в результате изгиба испытывают деформации растяжения-сжатия, так что возникающие электрические заряды на гранях пластин и снимаемые с элек тродов преобразователя сигналы оказы ваются пропорциональными действующей силе 2. Однако коэффициент преобразования известного устройства зависит от координаты точки приложения измеряемой силы на продольной оси преобразо вателя, что приводит к низкой точнос ти измерений при вариациях места при ложения силы. Келью изобретения является повышение точности измерения силы при вариации точки ее приложения. Поставленная цель достигается тем что устройство для измерения силы, содержащее консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент с двумя парами электродов, одна из которых соединена с усилителем заряда, состоящим из усилителя, охваченного обратной связью с помощью емкости, снабжено вторым усилителем заряда и дифференциальным усилителем, входы кото рого подключены к выходам усилителей зарядов, при этом другая пара электродов биморфного пьезоэлемента подключена к второму усилителю заряда, а отношение емкостей усилителей заря да выбрано равным отношению длин соответствующих пар электродов. На чертеже изображена схема предлагэемого устройства. Устройство содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, консольно закрепленный в неподвижной опоре 2, первый усилитель 3 заряда с интегрирующим конденсатором 4, второй усилитель 5 заряда с интегрирующим конденсатором б и дифференциальный усилитель 7 напряжения. Преобразователь 1, в свою очередь, содержит две соединенные вместе (например, склеенные или спаянные) прямоугольные постоянной толщины пьезопластины 8 и 9, снабженные внутренним электродом 10 и двумя внешними электродами, разделенными узкими поперечными зазорами 11 и 12 на первую и вторую прямо - угольные секции (части) 13, 14 и 15, 16 соответственно. Секции 13 и 15 расположены одна против другой и имеют одинаковый размер в направлении продольной оси преобразователя. Аналогично секции 14 и 16 расположены одна против другой и имеют одинаковую длину, не равную длине секций 13 и 15. Ширина у всех электродов и пьезопластин одинакова. На пьезопластинах 8 и 9 по всей их ширине предусмотрены прямоугольные участки 17 и 18, свободные от электродных покрытий 14 и 16 и расположенные одна против другой. Эти участки являются местом приложения измеряемых сил. Закрепление преобразователя 1 в опоре 2 осуществляется с помощью слоя клея 19 или винтового прижима. Все электроды 10, 13-16 снабжены индивидуальными металлическими выводами 20-24. С их помощью внутренний электрод 10 подключается к общей шине 25, первые секции 13 и 15 внешних электродов параллельно подключаются ко входу 26 первого усилителя 3 заряда, а вторые секции 14 и 16 внешних электродов - ко входу 27 второго усилителя 5 заряда. В усилителях 3 и 5 применены интегрирующие конденсаторы 4 и 6, отношение емкостей которых является равным отношению длин первой и второй секций электродов. Выход усилителя 3 (зажим 28) и выход 29 усилителя 5 подключены к разноименным входам 30 и 31 дифференциального усилителя 7, к выходным зажимам 32 и 33 которого подключается . оконечный измерительный прибор (не показан). В предпочтительном варианте испол-. Мнения пьезопластины 8 и 9 представляют собой пластины Х-среза кварца с одинаковым направлением Их кристаллографических осей, причем механическая ось пластины совпадает с продольной осью пластины, оптическая осьнаправлена вдоль ширины пластины, , а электрическая ось кристалла кварца направлена вдоль толщины пластины, например от пластины 9 к пластине 8 Усилители 3 и 5 заряда, выполняемые .на базе операционных высокоомных усилителей постоянного тока имею в своем составе ключи 34 и 35, шунтирующие соответственно конденсаторы 4 и 6. В исходном положении ключи замкнуты, а перед началом эксперимен та ключи 34 и 35 одновременно пере- ключаются в разомкнутое положение по команде блока 36 управления. Устройство работает следующим образом. Под действием измеряемой силы, приложенной перпендикулярно широкой грани пластины 8, на ее силоприемном участке 17 весь преобразователь 1 изгибается, в результате чего слои пьезопластины 8 испытывают деформации растяжения, а слои пьезопластины 9 - деформации сжатия в направлении продольной оси преобразователя. При этом происходит поляризация пьезопластин, причем вектор поляризации направлен в каждой пластине перпенди кулярно их главным граням от внутрен него слоя к наружным слоям. Заряды, снимаемые с электродов поступают на входы усилителей 3 и 5 и преобразуются далее в напряжения и вычитаются в дифференциальном усилителе 7. Сигнал на выходе усилителя 7 не зависит от точки ее приложения, если отношение емкостей усилителей заряда выбирается равным отношению длин соответствующих пар электродов. Предлагаемое устройство может быт выполнено в нескольких вариантах. В частности, в пьезоэлектрическом преобразователе 1 одна из пьезопластин может быть заменена упругой прямоугольной пластиной, например металли ческой. При этом металлическая подкрепляющая пластина, склеенная с единственной пьезопластиной или с двумя по разные стороны расположенными пьезопластинами, может выполнять функции электрода 10. В другом варианте исполнения пре образователь 1 может быть -выполнен с неразделеннытии внешними электрюдами, а поперечным зазором разделяетсн на две секции внутренний электрод 1C При этом внутреннее электродное покрытие наносится не полностью на сопрягйемые грани пьезопластин, а с обеспечением свободного от внутреннего электрода прямоугольного участк. на незакрепленном кбнце преобразователя. Пьезопластины-8 и 9 могут выполняться как из кристалла пьезоэлектри ка, так и из пьезокерамики. В последнем случае обе пьезопластины на стадии их изготовления поляризуются одинаково в электрическом поле, направленном перпендикулярно широким граням пластин. Усилители 3 и 5 заряда выполняютси на базе операционных усилителей постоянного тока, имеющих коэффициент усиления по напряжению порядка нескольких десятков тысяч раз, и допол ненных электрометрическими входными каскадами. В некоторых случаях усилители 3 и 5 могут представлять собой измерительные электрометрические усилители или повторители напряжения без применения конденсаторов 4 и 6 в цепях обратной связи. Блок 36 управления ключами 34 и 35 усилителей заряда представляет собой программируемый или переключаемый оператором генератор импульсного напряжения. В качестве ключей 34 и 35 и формирователей управляющих воздействий в устройстве используются электромагнитные и герконовые реле. Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в том, что по сравнению с известными устгюйствами, содержащими консольно закрепленный пьезоэлектрический преобразователь, оно обеспечивает повышение точности измерения силы Или массы взвешиваемого предмета при вариациях точки ее приложения на силоприемном участке преобразователя.

УСТРОПСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ, содержащее консольно закрепленный биморфный пьезрэлемент с двумя парами электродов, одна из которых соединена с усилителем заряда, . состоящим из усилителя, охваченного обратной связью с помощью емкости, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения силы при вариации точки ее приложения, оно снабжено вторым усилителем заряда и дифференциальным усилителем, входы которого подключены к выходам усилителей зарядов, при этом другая пара электродов биморфного пьезоэлемента подключена к второму усилителю заряда, а отношение емкостей усилителей заряда выбрано равным отношению длин соответствующих пар электродов. (О