Датчик силы Советский патент 1984 года по МПК G01L1/16 

. 1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилии в машиностроении.

Известны датчики силы, в которых изменение времени запаздывания поверхностных акустических волн преобразуется в частоту или напряжение . Указанный датчик силы содержит консольно закрепленную пьезопластинку прямоугольного и равного сечения, к свободному концу которой прикладывается перпендикулярно плоскости гшастинки измеряемая сила,усилитель, фазовый детектор. На поверхности пьезопластинки нанесены возбуждающий и приемный преобразо ватели поверхностных акустических волн, образуя линию задержки. Пьезопластинка с нанесенными ггреобразователями является чувствительным элементом датчика. Под действием измеряемой силы чувствительный элемент деформируется, в результате чего изменяется время запаздывания поверхностных акустических волн. В автогенераторном варианте датчика (при измерении статических и квазистатических усилий) преобразователи подключены к входу и выходу усилителя. При измерении переменных усилий с целью последующего, например, спектрального анализа измеряемая величина преобразуется в напряжение. В этом варианте датчика электрический сигнал на возбуждающий преобразователь чувствительного элемента подается, от внешнего генератора, В|Ьзбуждающий и приемный преобразователи соединены с входами фазового детектора. Для уменьшения дестабилизирующего влияния температуры и увеличения коэффициента преобразования измеряемой величины в частоту или напряжение датчик выполняется по дифференциальной схеме СП.

Однако коэффициент преобразования измеряемой силы в деформацию, Соответствующую результирующему фазовому сдвигу, в данном чувствительном элементе мал, так как он зависит при прочих равных размерах (толщине и щирине пьезопластинки) от расстояния 1 1ежду заделкой и геометрическим центром линии задержки. Наряду с этим уменьшение погрешности измерения от температуры в авто136892

генераторном варианте датчика гииы огратгичено неидеитичностью,-параметров усилителей. Разнесение чувствительного и активных элементов на 5 расстояние, включающее дестабилизирующее влияние температуры на усилители, осложняется тем, что каждая половина дифференциального чувствительного элемента подключается к уси10 лителю по схеме четырехполюсника, при этом число соединительных кабелей увеличивается.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дат15 чик силы, содержащий пьезопластину,. на одной стороне которой расположен спиральный преобразователь поверхностных акустических волн, подключенный к выводам усилителя 12.

20 Недостатком устройства является низкая чувствительность.

Цель изобретения - повышение чувствительности устройства.

Цель достигается тем, что датчик

5 силы, содержащий пьезопластину, на одной .стороне которой расположен спиральный преобразователь поверхностных акустических волн, подключенный к выводам усилителя, снаб0 жен двумя усилителями, один из которых дифференциальный, двумя встречно-штыревыми преобразователями, двумя фазовыми детекторами и дополнительным спиральным преобразователем

, поверхностно-акустических волн, расположенным на противоположной стороне пьезопластины и соединенным с усилителем, при этом одни входы фазовых детектопов соединены с выQ ходами соответствующих усилителей, а другие - с первыми выводами встречно-штыревых преобразователей, вторые выводы которых заземлены, причем выходы фазовых детекторов соединены

5 с входами дифференциального усилителя, пьезопластина выполнена с плоскими гранями, а встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн размещены на тех же сто- ронах пьезопластины, что и спиральные преобразователи.

На чертеже лредставлен общий вид датчика силы.

Датчик силы состоит из пьезоплас5 тинки 1 из ниобата лития Y-среза, преобразователей поверхностных акустических волн 2,3 виде прямоугольных спиралей, усилителей 4,5, 3 преобразователей понерхпостных акус тических волн 6,7, например, встреч но-штыревого типа, фазовых детекторов 8,9,дифференциального усилителя 10, поглотителя поверхностных акустических волн 11. Преобразователи 2,3 расположены от заделки на расстоянии порядка 4h, где h - тол щина пластинки 1, а преобразователи 6 и 7 на таком же расстоянии от сво бодного конца пластинки 1. Период витков преобразователей 2,3 поперек пластинки 1 выбирается таким образом, чтобы f, 2 гДв fд и iPj частоты акустического синхронизма для продольного и поперечного направления распространения волн, а расстояние (L) от кромок пластины 1 до геометрического центра преобразователей 2,3 было кратно целому числу полуволн L -2 v длина волны; УЗ - скорость распространения волны в поперечном направлении. Период-встречно-штыревых структур приемных преобразователей 6,7 равен периоду витков в преобразователях 2,3, расположенных в продольном направлении. I Датчик силы работает следующим образом. При подключении усилителей 4,5 к преобразователям 2,3 в результате отражения волн от кромок пластинки 1 возбуждаются стоячие поверхностные акустические волны. Наведенные при резонансе электрические заряды распределяются по соответствующим виткам спиральных преобразователей 2,3, в результате на поверхностях пластинки 1 в продольном направлении возбуждаются бегущие волны, ко торые преобразуются приемными преобразователями 6,7 в электрические сигналы. Разность фаз сигналов с выходов усилителей 4,5 и преобразователей 6,7 детектируется соответствующими фазовыми детекторами 8,9 а разность напряжений с выходов де текторов 8,9 усиливается дифференциальным усилителем 10. Когда вели чина усилия равна нулю (Р 0), на пряжения на выходах детекторов 8,9 незначительно отличаются, так как fл FZ сигнал с выхода усилителя имеет фиксированное значение. При нагружении чувствительного элемент силой (Р 0) в зоне заделки пьезо9пластинки 1 возникают локальные механические напряжения, что вызывает изменение частот € и fj автогенераторов с поперечными резонаторами. Резонансные частоты автогенераторов изменяются на одну и ту же величину, но с противоположными знаками. Наряду с этим происходит деформация звукопровода меясду преобразователями 2,6 с одной стороны пьезопластинки 1 и 3 - с другой, причем как девиация частоты, так И изменение запаздывания поверхностных акустических волн вызывает увеличение результирующего фазового сдчига в каждой из половин датчика. Таким образом., при деформации пьезопластинки 1 силой изменяется напряжение на выходах фазовых детекторов 8,9 и далее на выходе дифференциального усилителя 10. Принцип работы датчика можно пояснить также с помощью следующих соотношений. Считая, что амплитудная модуляция автогенераторов пренебрежимо мала, а амплитуды сигналов с первого и второго автогенераторов, коэффициенты передачи соответствуюих линий задержки и фазовых, детекторов незначительно отличаются друг от друга, выражения для напряжений с выходов первого и второго фазовых детекторов 8,9 имеет вид Ui(FV-u«ifuUiKVF)iMUiC(f)a где г 1,2; U, Uoj - напряжения, соответствующие начальному фазовому сдвигу при F 0; AUtLipt n - приращение напряжения при f О, обусловленное изменением частоты автогенератора; AUitAip Hl - поиоащение напряжения при , обусловленное изменением времени запаздывания поверхностных акустических волн. Знаки + или - определяют приращение напряжений, соответствующее результирукицему фазовому набегу поверхностных акустических волн, распространяющихся на верхней или нижней поверхности пьезопластиики 1. Например, при деформации растяжения на верхней и деформации сжатия на нижней поверхностях пьезопластинки 1 из ниобата лития Y -среза с поперечным резонатором, расположенным вдоль оси Е и линиями задержки вдоль оси X, арирйщения напряжений имеют соответственно знакир Результирующее напряжение на выходе дифференциального усилителя 10 выражается как U(F 2l uUtCu4UP)buUiU ft4l)l (О где К - коэффициент передачи усилителя . Компоненты фазовых сдвигов Ai|)(f можно представить следующим образом Фазовый сдвиг при , вызванный и менением резонансной частоты автогенераторов, равен u(f(F)(F)tjUF)r ( где (f) - девиация частоты авто. генераторов; V время задержки; I - расстояние между центрами преобразователей 2,6 и 3,7; V - скорость волны. Фазовый сдвиг при WO, обусловленный изменением времени запаздывания волн, возбужденных преобразователями 2,3 и принятых преобразова телями 6,7, равен W Haeo NKJl-cfv), ,. (3) где cP cuL/l - относительное изменение длины линии задержки; - относительное изменение скорости поверхностной акустической .. волны; , М ь-относительная длина линии задержки в длинах волн. Из выражения (1) , что эффект увеличения выходного сигнала датчика достигается наряду с вклю- т чением чувствительных элементов по дифференциальной схеме также за счет дополнительного фазового сдвига, обусловленного изменением частоты автогенератора. Величины изменения фазовых сдвигов согласно (2) и (3) для указанной ориентации чувствительных элементов соизмеримы и таким образом результирующее изменение напряжения в каждой из половин датчика увеличивается в два раза. Наряду с этим при измерении статических усилий в устройстве используются и частотные выходы автогенератора, которые также могут быть соединены по дифференциальной схеме. Технико-экономическая эффективность устройства характеризуется следующим: для указанной ориентации чувствительного элемента относительно кристаллографических осей крутизна преобразования по аналоговому выходу увеличивается в два раза; интегральным исполнением упругого и чувствительного элементов; увеличением коэффициента использования деформации чувствительного элемен- , та за счет локализации поперечных резонаторов вблизи заделки и акустической развязки между чувствительным элементом и элементами конструкции датчика; датчик позволяет измерять как статические, так и изменяющиеся во времени усилия, при этом обеспечивается частотный и аналоговый выходы.

ДАТЧИК СИЛЫ, содержащий пьезопластину, на одной стороне которой расположен спиральный преобразователь поверхностных акустических волн, подключенный к выводам усилите-ля, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен двумя усилителями, один из которых дифференциальный, двумя встречно-готьфевыми преобразователями, двумя фазовыми детекторами и дополнительным спиральным преобразователем поверхностно-акустических волн, расположенным на противоположной стороне пьезопластины и соединенным с усилителем, при этом одни входы фазовых детекторов соединены с выходами соответствующих . усилителей, а другие входы - с первыми выводами встречно-штыревых преобразователей, вторые вьгаоды которых заземлены, причем выходы фазовых детекторов соединены с входами дифференциального усилителя, пье зопластина выполнена с плоскими гранями,а встречно-штыревые преобразовате(О ли поверхностных акустических волн размещены на тех же сторонах пьезопластины, что и спиральные преобразователи. 00 Ф 00 со