Датчик силы Советский патент 1985 года по МПК G01L1/10 

11 Изобретение относится к технике измерений механических усилий и может быть использовано в разработках датчиков давлений, перемещений, ускорений и г.д, Известен датчик, состоящий из ли зового резонатора, выполненного в ви де перемычки в пьезокварцевом гдшинд pBj заполненном гелием и закрыгом крышкой из пьезокварца, основанный на преобразователе измеряемого параметра в частоту генерации путем всестороннего сжатия пьезокварцевого цилиндра, внутри которого находится чувствительный элемент 1 7. Недостатком этого датчика является температурная погрешность, опре деляемая температурной частотной характеристикой кварцевого резонатора ., Наиболее близким по технической сурдности к изобретению является датчик силы, содержащий упругое кольцо с чувствительными элементами, выполнеиными в виде идентичных пьезоэлектрических вибраторов с взаимно перпендикулярными силочувстврпельиьпчи осями и укрепленными на торцевых выступах упругого кольца C2j. IТакой преобразователь позволяет измерять параметры давления в широком диапазоне температур,, однако имеет недостаточную точность и чувст вительность, Цель изобретения - повыишние точности и чувствительности. Поставленная цель достигается тем что в датчике силы состоящем из внутреннего кольца, на внутренних выступах которого параллельно один другому симметрично относительно его горизонтальной плоскости симметрии жестко закреплены два дисковых пьезо кварцевых резонатора, сверху и снизу от внутреннего кольца симметрично относительно его горизонтапьной плоскости симметрии размещены два од наковых внешних цилиндрических упругих кольца, соединенных с внутренним кольцом коническими перемьгаками, при чем суммарная площадь сечений внешних колец в 3-8 раз преБьш ает суммар ную площадь сечений внутреннего коль ца- и конических перемычек,, длина сте нок конических перемычек в 5-20 раз больше их толщины, а угол при верши22не конуса перемычек выбирают по соотношению: 2 arctg , if - угол при верпшне конуса, рад, расстояние между внешними кольцами, мы; ошрина внутреннего кольца, мм; внешние диаметры внешних и внутреннего колец, соответственно, мм. Пьезокзарцевые резонаторы связаны с внутренним кольцом по дуговым вы- ступам в пределах углов 10-60, причем через пентры этих дуг проходят оптическая ось одного резонатора и механическая ось другого. Кроме того, вдоль конических перемычек и внутреннего кольца выполнены два взаимно перпендикулярных паза, плоскости которых проходят через вертикальные оси симметрии датчика, при- чем ширина пазов в 1,2-3,7 раз меньше диаметра пьезокварцевых резонаторов. На фиг, 1 показана конструкция датчика силы; на фиг, 2 - сечение внутреннего кольца с установленным в нем пьезокварцевым резонатором для двух крайних значений углов . 10 и 60 j на фиг. 3 - зависимости . коэффициента силочувствительности K,j. для резонаторов АТ-среза-, на фиг, 4 - варианты установки пьезокварцевых резонаторов на внутренних выступах внутреннего кольца по углам о( 10 и на фиг. 4 обозначены г;игX, и X,оптические оси и механические оси пьезокварцевых резонаторов, причем оси Z и 2 совпадают, поскольку при этом наблюдается максимальная силочувствительность датчикаj на фиг, 5 - вариант конструкции датчика с выполненными взаимно перпендикулярными пазами. Датчик силы состоит из внутреннего цилиндрического упругого кольца 1, на внутренних выступах 2 которого параллельно один другому и симметрично по отношению к горизонтальной оси симметрии внутреннего, цилиндрического упругого кольца 1 жестко закреплены два дисковых пьезокерамических резонатора 3, Сверху и снизу от внутреннего ц шиндрического упругого кольца симметрично его осям симметрии расположены два одинаковых внешних цилиндрических упругих кольца 4, соединенных с внутренним упругим кольцом 1 коническими перемычками 5. Кроме того, на фиг, 1 показаны элементы пьезокварцевых резонаторов 3: электроды резонаторов 6 и шейки электродов резонаторов 7. Датчик силы работает следующим образом. После сборки силопередающего элемента и установки пьезокварцевых .резонаторов 3 последние подключаются каждый к автогенератору (не показаны выходы которых подключены к входам смесителя (не показан). На выходе смесителя формируется сигнал разностной частоты двух колебаний, пропорциональный измеряемой силе Р. Датчик (фиг. 1) устанавливается для проведения измерений таким образом,чтобы силаР была направлена перпендикулярно к внешним плоскостям его внешних колец. Воздействие силы Р, прикладываемой как показано на фиг. 1, вызывает уменьшение расстояния ft между внешними кольцами 4 на величину /I Н , что приводит к передаче усилия на внутреннее кольцо 1 и изменению его диаметра с на величину 4cJ . При этом коэффициент преобразования деформаций определяется как Ж /2 Пьезокварцевые резонаторы 2 вьто нены в виде дисков, на плоскостях к торых напьшены электроды 6, расположенные друг под другом, и шейки электродов 7, подключенные к автоге нераторам. Усилие Р трансформируетс в усилие Р , распределяемое равноме но по торцам резонаторов 3 в пределах дуг, по которым они контактируют с в.нутренними выступами 2 внут реннего кольца 1 (фиг. 4). Этим обе печивается надежный протяженный кон такт внутреннее кольцо - резонаторы улучшающий теплообмен и повышающий надежность элемента. Резонаторы рас положены по отношению к усилию т ким образом, чтобы в пределах углов оС вектора усилия действовали толь 1 24 ко в пределах отрицательной силоувствительности для одного резонатора и положительной силочувствительности для другого резонатора 3. Достигается это такой установкой резонаторов 3, при которой оптическая ось одного резонатора и механическая ось другого резонатора проходят через центры дуг,по которым эти резонаторы контактируют с выступами 2. На фиг. 3 видно, что вдоль оси 2 наблюдается максимальная отрицательная, а вдоль оси X положительная чувствительность дисковых резонаторов АТ-среза, используемых в предлагаемой конструкции. Во втором варианте датчика (фиг.5) вдоль перемычек и внутреннего кольца сделаны два взаимно перпендикулярных паза, плоскости которых проходят через вертикальные оси симметрии силопередающего элемента. Этим повьш1ается чувствительность датчика за счет уменьшения его жесткости. Предлагаемый датчик имеет следую-г щие преимущества по сравнению с известными. Погрешности от гистерезиса и невоспроизводимости уменьшаются примерно в 2-5 раз, поскольку оба пьезокварцевых резонатора работают только на сжатие, что позволяет использовать способ непосредственного контакта резонаторов 3 с выступами 2, без промежуточных соединений. Нестабильность частоты генерации, влияющая на основную погрешность, уменьшена примерно на порядок введением предварительного поджатия, необходимого для крепления резонаторов 3. Уменьшены динамические тейпературные погрешности размещением резонаторов внутри силопередающего элемента и обеспечением протяженного контакта по дугам, что улучшает теплообмен и уменьшает градиенты температуры. Расширен диапазон измеряемых сил. Увеличен коэффициент преобразования деформаций, который в прототипе меньше или равен 1,0, а в предлагаемой конструкции всегда больше единицы, т.е. повьш1ена чувствительность.

ДАТЧИК СИЛЫ, состоящий из внутреннего кольца, на внутренних выступах которого параллельно один другому и симметрично относительно его горизонтальной плоскости симметрии жестко закреплены два дисковых пьезокварцевых резонатора, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, сверху и снизу от внутреннего кольца симметрично относительно его горизонтальной плоскости симметрии размещены два одинаковых внешних цилиндрических упругих кольца, соединенных с внутренним кольцом коническими перемычками, причем суммарная площадь сечений внешних колец в 3-8 раз превышает суммарную площадь сечений внутреннего кольца и конических перемычек, длина стенок конических перемычек в 5-20 раз больI - I ше их толщины, а угол при вершине конуса перемычек выбирают по соотношению и л а H-fi y 2«rct - - , где V - угол при вершине конуса переьвычек, рад Н - расстояние между внешними кольцами, мм Ь - ширина внутреннего кольца, MMi D ,« - внешние диаметры внешних и внутреннего колец соответ5 ственно, мм. 2.Датчик по п. 1, отличающ и.и с я тем, что пьезокварцевые резонаторы связаны с внутренним кольцом по дуговым выступам в пределах углов 10-60, причем через центры, этих дуг проходят оптическая ось. одно го резонатора и механическая ось другого. . 3.Датчик по п. 1, отличаю щийся тем, что вдоль конических перемычек и внутреннего кольца выNU псхпнены два взаимно перпендикулярных СП паза, плоскости которых проходят го через вертикальные оси симметрии датчика, причем ширина пазов в 1,2-3,7 раз меньше диаметра пьезокварцевых резонаторов.

ЛпО

20 W

-10