Устройство для измерения усилий Советский патент 1985 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, конкретнее к измерению усилий с помощью поверхностных акустических волн, и может быть использовано в любых областях народного хозяйства для измерения усилий, ускорения, вибраций. Известно устройство для измерения усилий, состоящее из пьезопластины со встречно-штыревьми преобразователями, упругой мембраны, на которую воздействует внешнее усилие ij Принцип действия известного устро ства основан на измененрш скорости распространения поверхностных акусти ческих волн от приращений модуля упругости под воздействием внешнн-л уси лий. Недостатком этого устройства явля ется низкая точность измерения при широком диапазоне измеряемых усилий, обусловленная малой величиной приращения модуля упругости под воздействием внешних усилий. Известен пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий консольно закрепленный в корпусе пьезоэлемент с электродами, инерцион ную массу, присоединенную к свободно му концу пьезозлемента, усилитель, связанный с электродами, корректирую щее звено, принцип действия которого основан на изменении скорости распространения поверхностных акусти-. ческих волн от приращений модуля упругости под воздействием внешних усилий 2J . Недостатком этого устройства явля ется низкая точность измерения при широком диапазоне измеряемых усилии. обусловленная малой величиной приращения модуля упругости под воздействием внешних УСИЛИЙ. Наиболее близким по технической сущности к изобретению .является устройство для измерения усилий, содержащее консольно закрепленную пьезопластину, два источника поверхностных акустических волн, подкгаоченных к генератору и отсчетное устройство. Принцип действия известного устройства основан на измерении скорости распространения поверхностных акустических волн от приращепий коду ля упругости под воздействием внешних усилий 2 . Недостатками этого устройства являются низкая точность измерения при 1 9i широком диапазоне измеряемых усилий, малая величина приращения модуля упругости под воздействием внешних усилий. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности за счет уменьшения влияния внешних воздействий на измерение, Цель достигается тем, что в устройство, содержащее консольно закрепленную пьезопластину, два источника поверхностных акустических волн, подключенных к генератору, и отсчетное устройство, введены две структуры полевых транзисторов с электродами в виде истоков, затворов и стоков, упоры и вторая пьезопластипа с вогнутой рабочей поверхностью, при этом середина дуги ее рабочей поверхности расположена с зазором напротив свободного края консольной пластины противоположный край которой неподвижно закреплен с помощью упоров на второй пьезопластине, при этом- на свободном крае консольной пластины на ее концах, размещены структуры полевых, транзисторов с электродами, параллельными плоскости консольной пластины, причем истоки и затворы расположены так , что расстояние между ними кратно нечетному числу акустических полуволн заданной длины и смещены ближе к рабочей поверхности второй пьезопластины чем стоки, при этом истоки и стоки подключены к отсчетному устройству, а источники поверхностных акустических волн расположены, на рабочей поверхности второй пьезопластины диагонально по разные стороны консольной пластины параллельно электродам полевых ччтлгг, тт г rt гтг.и/- о ттгэл ттптта otr транзисторов. На фиг, 1 изобра. структурная схема устройства; на фиг. 2 - вид на торец консольной пластины со стороны поленых транзисторов о Один торец упругого элемента в виде пьезопластины 1 закреплен не-,, подвижно посредством упоров 2 относительно пьазопластины 3 и на его противоположном торце расположены истоки , затворы 5, стоки 6, структуры полевых транзисторов 7. Стоки 6 относительно истоков 4 , (выходные электроды) подключены к отсчетному устройству 8. Источники поверхностных акустических волн (ПВА) 9, 10, расположеннь е на противоположных концах параллельных раздельных звукопроводов 11, 12, подключены к генератору электрических сигналова 1 Устройство работает следующим образом. В исходное состоянии, когда на упругий элемент . 1 не действует внешнее усилие, его торец с -истоками и затворами 4, 5 находится на раз-г ном расстоянии от источников ПВА 9, 10. В этом случае время распространения электрических сигналов от генератора 13 до истоков затворов 4, 5 будет одинаковым. Прохождение ПАВ в звукопроводах 11, 12 пьезопластины 3 вызывает появление электростатических зарядов над истоками 4, затворами 5 (выполненными, например, из металла), которые усиливаются в структурах полевых транзисторов 7 и с их стоков 6 и истоков 4 поступают на отсчетное устройство 8. Каждая структура полевых транзисторов 7, в Которые входят исток 4, затвор 5, сток 6, расположена на торце упругого элемента 1 раздельно над каждым звукопроводом 11, 12. IВходные электроды (истоки и затворы) расположены ближе к звукопроводам, чем выходные электроды (стоки) на расстояние, примерно 0,1-1 мм. Поэто му электрические заряды, сформирован ные на пьезолластине 3, оказывают воздействие в основном только на вхо ные электроды (исток, затвор) полевых транзисторов 7, которыеусиливаю электрические сигналы с большим отно шением сигнал/шум, что повышает точность измерения. Цепь питания структур транзисторов по постоянному току на чертеже не показана. Истоки и затворы расположены пара лельно между собой на расстоянии равным нечетному числу длин полуволн акустических колебаний в пьезопласти не, что позволяет только в этом случае усиливать электрические сигналы структурами полевых транзисторов 7, а усиленные сигналы привязьгеать по фазе к колебаниям генератора 13, что также повьшает точность измерения. Пьезопластина З.выполнена с вогнутой цилиндрической поверхностью, на которой по окружности поверхности расположены два звукопровода 11, 12 с источниками встречных направлеНИИ поверхностных акустических волн 9, 10. При воздействии внешнего усилия (ускорения) торец упругого элемента 1 с истоками и затворами 4, 5 перемещается над цилиндрической поверхностью звукопроводов 11, 12 и время распространения ПАВ в звукопроводе 11 (например) уменьшается, а в звукопроводе 12 увеличивается до истоков и затворов 4, 5. С истоков и стоков усиленные сигналы поступают в отсчетное устройство 8, которое пересчитывает величину изменения электрических сигналов (частоту, фазу, период) в единицы измеряемых усилий. Упругий элемент 1 перемещается по радиусу.равному радиусу вогнутой . цилиндрической поверхности пьезопластины 3 и между истоками 4, затворами 5 и пьеЭопластиной сохраняется постоянный зазор (HanpiiMep 0,01 мм), что способствует стабильностгг амплитуды выходных сигналов и точности измерения. Дифференциальное включение звукопроводов 11 и 12 в отсчетное устройство 8 повышает точность измерений. Упругий элемент выполнен в виде тонкой пластины из плавленного кварца, механические- свойства которого мало зависят от внешних факторов и температуры. , Применение полевых транзисторов позволяет усиливать сигналы с большим .отношением сигнал/шум, что позволит уменьшить влияние внешних воздейстВИИ, вызывающих появление шумов и повысить точность измерений.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ, содержащее консольно закрепленную пьезопластину, два источника поверхностных акустических волн, подключенных к генератору, и отсчетное устройство, отличающееся тем, что, с целью повьппения чувствительности и точности за счет уменьшени я влияния внешних воздействий на измерение, в него введены две структуры полевых транзисторов с электродами в виде истоков, затворов и стоков, упоры и вторая пьезопластина с вогнутой рабочей поверхностью, при этом середина дуги ее рабочей поверхности расположена с зазором напротив свободного края консольной пластины, противоположный край которой неподвижно закреплен с помощью упоров на второй пьезопластинеj при этом на свободном край консольной пластины, на ее концах, размещены структуры полевых транзисторов с электродами, параллельными плоскости консольной пластины, причем истоки и за1воры расположены так, что расстояние между .ними кратно нечетному числу акусi тических полуволн заданной длины и смещены ближе к рабочей поверхности второй пьеэопластины чем стоки, при этом истоки и -стоки подключены к отсчетному устройству, а источники поверхностных акустических волн рас- 2 положены на рабочей поверхности вто- i рой пьезопластины диагонально по раз-i ные стороны консольной пластины па- i раллельно электроД|ам полевых транзисЦЧТ ijiiiit торов.ТТ оо 00 &