Тензодатчик (его варианты) Советский патент 1985 года по МПК G01L1/16 G01L9/08 

Изобретение относится к области тензометрии и может быть использован для измерения механических величин (сил, давлений, деформаций, ускорений) в устройства;х автоматического регулирования и системах управления Известны тензометрические устройства, принцип работы которых основан на зависимости акустических свойств материалов от внешних механических воздействий. К таким устройствам относятся пьезорезонансные -тензочувствнтельные датчики. Примером кон кретного выполнения таких датчиков может служить пьезорезонансный преобразователь усилий. В качестве чувствительного элемента использован высокочастотньш пьезорезонатор : с колебаниями сдвига по толщине, выполненной в форме диска. Конструкция устройства предусматривает приложение торцовых усилий сжатия к плоскости резонатора. При этом положение диска фиксируется плоской пружиной, создающей предварительное сжатие чувствительного элемента в направдении воздействия измеряемых усилий. Тензочувствительность пьвзоэлектрических резонаторов является следствием зависимости частотно определяющих параметров вибратора: его геометрических размеров, плотности и упругих свойств от напряжений, создаваемых в теле пьезоэлемента множества разновидностей пьезорезонаторов в качестве тензопрёобразователей применяются только пьезоэлементы, использующие колебания сдвига по толщине и колебания изгиба. Это связано с тем, что тензочувствительный резонатор должен находиться в жестком механическом контакте с другими элементами конструкции датчика, служащими для крепле ния резонатора и передачи воздействи на него. При этом происходит демпфирование резонатораи увеличение потерь акустической энергии. В результате снижаются добротность, стабильность частоты и, в конечном итог точность. Для устранения этих нежелательных явлений приходится искать методы акустической развязки резонатора, а в ряде случаев полностью отказаться от пьезорезонансных методов измерения. Известно устройство измерения вну ренних упругих деформаций в твердых телах, основанное на явлении двойног лучепреломления объемной звуковой волны в деформированной среде. Устройство содержит излучающий ультразвуковой преобразователь, приклеиваемый к объекту, в котором измеряются упругие деформации, приемный ультразвуковой преобразователь, приклеиваемый в этому же объекту на противоположной стгороне через упругую прокладку. Вектор поляризации приемного преобразователя ориентируется ортогонально к вектору поляризации излучающего преобразователя. При такой ориентации в отсутствие Деформаций в объекте и в упругой прокладке направление вектора поляризации принимаемой звуковой волны ортогональна вектору поляризации приемного преобразователя и сигнал на выходе устройства отсутствует. При внертем воздействии на объект в нем возникают деформации, которые вызывают поворот плоскости поляризации звука относительно поляризацией приемного преобразователя и появление сигнала на выходе. Деформируя упругую прокладку, можно создать в ней деформаигии, компенсирующие поворот вектора, иопгфкзации звука в объекте, что приводит к уменьшению сигнала на выходе устройства. При этом о величинах деформаций в объекте судят по величине известных деформаций, создаваемых искусственно в упругой прокладке t2J, Од.нако при таком способе измерений в результате двойного лучепреломленйя в возникают два акустических луча с ортогональными поляризациями (обыкновенный и необыкновенный), которые, интерферируя дают эллиптическую поляризацию, звука. В результате не удается достичь полной компенсац1-ш сигнала на выходе, что снижает точность измерения, Кроме того, при измерениях существенным является направление дефор 1ирующего прокладку усилия, что приводит к дополнительному усложнению процесса измерения. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является тензодатчик, состо51щий из тр.нзочувст™ вительного монокристал.иического звуКопровода с размещенными на нем ис точником и приемником колебаний j. Недостатком устройства является низкая чувствительность.

31

Цель изобретения - повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в тензодатчик, состоящий из тензочувствительного монокристаллического звукопровода с размещенными на нем источником и приемником колебаний, введены два магнита с плоским полюсами, а звукопров-од выполнен в виде пластины из антиферромагнетика, вырезанной так, что продольная ось .симметрии совпадает с кристаллографической осью высшего порядка, а плоскость пластины перпендикулярна кристаллографической оси второго порядка.; при этом пластина помещена мелсду полюсами магнита так, что плоскость пластины перпендикулярна алоскости полюсов магнита, а источник и приемник колебаний расположены на противоположных боковых гранях пластины, перпендикулярных продольной оси симметрии.

По второму варианту у тензодат.чика выполнен такой срез пластины, при котором продольная ось симметрии пластины нал-спонена к кристаллографической оси высшего порядка под углом 45° по часовой стрелке и боковая грань, параллельная продотгьной оси симметрии, повернута к кристаллографической оси

второго порядка под углом 54 44 по часовой стрелке.

На чертеже представлено устройство .

Зв копровод 1 вырезан -из моно,кристалла и имеет форму переллелепипеда, у которого размеры двух против АОложных граней определяются размерами размещаемых на них ультразвуковых преобразователей 2 и 3, а расстояние между этими.гранями выбирается в пределах 0,5-1 см и ограничивается величиной допустимого ослабления амплитуды сигнала в звукопроводе. Преобразователь 2 служит для возбуждения. акустической волны, а преобразовател 3 ,ц.1ш приема. Звукопровод помещен между полюсами 4 и 5 постоянного магнита; напряженность .поля которого ориентируется параллельно граням с .пьезоэлектрическими преобразователями. По обе стороны от звукопровода между полюсами магнита расположены соед.инениые последовательно управл.я.ющие катушки 6 и Z, плоскость которых совпадает с плоскостью полюсов, а напряженность магнитного поля кол86724

линеарна напряженности поля пocтoя rного магнита. Катушки служат для регулирования напряженности магнитного поля, что приводит к изменению 5 чувствительности датчика. К граням звукопровода, свободным от пьезопреобразователей и параллельным напряженности магнитного поля, прикладываются сжимающие деформации, подлежащие измерению. Кристаллографические оси монокристалла ориентируются относительно граней звукопровода в зависимости от достигаемой цели. Для получения высокой линейности характеристики устройства кристаллографические оси второго и третьего порядка направляются перпендикулярно напряженности магнитного поля. При этом ось второго порядка параллельна направлению приложения изме.ряемого давления, а ось третьего порядка перпендикулярна граням звукопровода, на которых расположены пьезоэлектрические преобразователи.

5 Вектор поляризации преобразователей ориентируется вдоль оси второго порядка. Для увеличения чувствительности датчика применяется срез YZb5/ : /-45°/+35 16.

В качестве материала для звукопровода используется антпферромагнетик с анизотропией типа легкая плоскость. Подобные антиферромагнетики, как и другие магнитные материалы, обладают точкой фазового перехода из магнитоупорядоченного состояния в парамагнитное состояние. Температура, характеризующая этот переход для антиферромагнетиков, называется

0 температурой Нееля (Т) и колеблется в широких пределах: от 18 К для СоСО, до 960 К для гематита oL-Fe O, .

Устройство также может быть реализовано на ПАВ. При этом звукопровод

выполняется в виде пластины, вырезанной из монокристалла . антиферромагнетика в плоскости, перпендикулярной оси третьего порядка. На поверхности пластины напыляются две системы

встречноштыревых преобразователей (ВШП), которые сверху покрываются пьезоэлектрической пленкой окиси цинка (ZnO). Один из преобразовате- . лей служит для возбуждения ПАВ, другой для приема. Остальные элементы

внешнего действия аналогичны предыдущему варианту выполнения устройства. 5Т Устройство работает следующим образом. К излучающему ультразвуковому преобразователю подводится гармоническое высокочастотное напряжение. При этом в звукопроводе возбуждаются в общем случае три акустические волн с взаимно ортогональньми поляризациями, распространяющиеся к приемному преобразователю и имеющие различные скорости. При деформировании звукопровода происходит изменение величины эффективных модулей упругости материала звукопровода, приводящее к изменению скоростей акустичес ких волн. Если звук распространяется вдоль оси третьего порядка, то одна и.з трех акустических волн поляризована вдоль кристаллографической оси второго порядка. Ориентируя вектор поляризации излучающего и .приемного сдвиговых преобразователей вдоль оси второго порядка, можно добиться .одномодового режима распространения звука, когда возбуждается только одн звуковая волна.. При этом достигается высокая линейность зависимости скорости звука от внешнего давления на звукопровод. Изменение скорости звука приводит к изменению времени распространения звуковой волны до приемного преобразователя. В результате фаза сигнала- на выходе датчика будет меняться пропорционально величине деформаций .звукопровода. При применении среза Y2bS/-45 / /+35°16 одномодовый режим распространения звука реализовать не удается ни прикакой ориентации вектора поляризации пьезоэлектрических преобразователей. В звукопроводе распространяются одновременно три акустические волны, скорости кото2рых имеют одинаковый характер зависимости от внешнего давления. После сложения этих волн на выходе датчика образуется результирующий. , фаза которого зависит от внешнего давления в большей степени, чем в случае одномодового режима распространения звука по звукопроводу. Однако- при этом возрастает нелинейность характеристики тензодатчика вследствие различия скоростей акустических волн. Скорость звука в антиферромагнетике зависит от величины напряженности внешнего магнитного поля. Это позволяет осуществить регулировку чув-ствительности тензодатчика путем изменения напряженности постоянного магнитного поля с помощью управляющих катушек.При деформации звукопровода -р- относительное изменекие выходного сигнала известного датчика имеет В предлапорядок величины -гаемом датчике при таком уровне деформации относительное изменеши;. сигнала f 3,5-10составляетчто позволяет снизить минимальную вепичику из-меряемой деформации более чем на три порядка. Возможность ре.гулироузания чувствительности датчика позволяет в процессе эксплуатации при периодической поверке компенсировать изкггшние параметров отдельных элементоЕ конструкции с течением времени, что обеспечивает продление срока службы датчика.

1. Тензодатчик, состоящий из тензочувствительного монокристаллического звукопровода с размещенными на нем источником и приемником колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены два магнита с плоскими полюсами, а звукопровод выполнен в виде прямоугольной пластины из антиферромагнетика, вырезанной так, что продольная ось симметрии совпадает с кристаллографической осью высшего порядка, а плоскость пластины перпендикулярна кристаллографической оси второго порядка, при этом пластина помещена между полюсами магнита так, что плоскость пластины перпендикулярна плоскости полюсов магнита, а источник н приемник колебаний расположены на противоположных боковых гранях пластины, перпендикулярных продольной оси симметрии. 2. Тензодйтчик, состоящий из тензочувствительного МОнокристаллического звукопровода с размещенным на нем источником и приемником колебаний, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности, в него введены два магнита с плоскими полюсами, а звукопровод выполнен в виде прямоугольной пласти ны из антиферромагнетика, вырезанной так, что продольная ось симметрии ее наклонена к кристаллографической оси высшего порядка под углом 45° по часовой стрелке, и боковая грань, параллельная продольной оси симметрии, повернута к кристаллографической оси второго порядка под углом 54°44 СО 00 а по часовой стрелке, при.этом рластина помещена между полюсами магнита так, что плоскость пластины перпендику ч| лярна плоскости полюсов магнита, а ю источник и приемник колебаний расположены на противоположных боковых гранях пластины, перпендикулярных продольной оси симметрии.