Пьезоэлектрический датчик касательных напряжений Советский патент 1986 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к измерительной технике и можей найти применение для исследования, динамических касательных напряжений или сил трения в жидкостях, сыпучих и твердых телах, например, для исследования напряженного состояния сред с упругими и вязкоупругими свойствами.

Целью изобретения является повышение точности и устранение влияния рабочей среды.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

Датчик состоит из корпуса 1 ,, в котором размещен распорный стакан 2 и консольньй элемент 3, выполненный за одно целое с основанием; 4. Консольный элемент 3 в месте сочленения с основанием -4 имеет поперечные проточки, образующие упругий шарнир 5. Пьезоэлементы 6 зажаты между свободным концом консольного элемента 3 и распорным стаканом 2 через изоли- рукнцие прокладки 7 и 8, имеюп ие модуль упругости меньше, чем у пье- зокристаллов. Наружные прокладки 7 . вьшолнены в форме цилиндрических сегментов и плотно прилегают к внутренней поверхности распорного стака- на 2, а прокладки 8 выполнены в виде тонких- пластин. Пьезоэлементы 6 на торцовых гранях, перпендикулярных электрической оси, имеют электроды 9, снабженные электрическими выводами lOi По оси консольного элемента 3 просверлено отверстие;, которое используется для крепления пятки 11, передающей внешнее усилие на консольньй элемент 3 и не имеющей непосредственного KOHTaicTa с распорным стаканом 2 и корпусом 1, а также прикрывающей чувствительные элементы датчика от воздействия внешней, среды. Кроме того, отверстие служят каналом для электрических выводов 10, Корпус

1датчика вьшолнен таким образом, . что между ним и распорным стаканом

2оставлен зазор, предотвращаюпщй передачу деформаций корпуса 1 распорному стакану 2, непосредственно связанному с пьезоэлементами 6. Жесткое соединение между корпусом 1 и распорным стаканом 2 осуществлено только в нижней части датчика до высоты, не превосходящей высоту осно- вания 4. Все свободные полости внутри датчика заполнены низкомодульным

компаундом (условно не показан).

На наружной поверхности корпуса дат-, чик имеет резьбу, которой он вворачивается в отверстие в стенке установки. При этом верхняя торцовая поверхность пятки 11 должна находиться заподлицо с внутренней поверхностью стенки.

Датчик работает следующим образом.

Напряжения 5 возникающие в рабочей среде, воздействуют на верхнюю торцовую поверхность пятки датчика, вызывая деформацию консольного элемента. За счет различия жесткостей консольного элемента на сжатие и изгиб происходит выделение и передача на пьезокристалл только той составляющей внешней нагрузки, которая направлена по касательной к поверхности пятки. Один из пьезокрис- таллов оказывается сжатьм, а другой растянутым в направлении электри-. ческой оси. Вследствие деформации кристаллической решетки на электродах, расположенных на гранях кристаллов перпендикулярно электрической оси, возникают электрические сигналы, пропорциональные величине приложенного касательного напряжения. В датчике для повьпяения избирательности функции чувствительного элемента, определяющего избирательность, разделены. Нагрузка в нем прикладывается к консольному элементу, который выполнен из металла за одно целое с основанием и имеет поперечные проточки, образующие упругий шарнир. Между свободным концом консольного элемента и дополнительно введенным распорным стаканом через изолирующие прокладки зажаты i пьезокристаллы. Они ориентированы так, что их электрическая ось напрйв- лена перпендикулярно плоскости кон- сольного элемента. Введение упругого шарнира снижает изгибную жесткость консоли без существенного увеличения деформаций последней под действием нормальной нагрузки, что приводит к значительному снижению побочных воздействий на пьезокристал- лы при минимальном снижении полезной нагрузки. Кроме того, такая конструкция обладает повышенной жесткостью, так как в данном случае пьезокристаллы работают на сжатие и, следовательно, она имеет более высокую собственную частоту.

Введение дополнительного распор- ного станка, отделенного от корпуса зазором, позволяет выделить сило- измерительную цепь, опирающуюся на основание и состоящую из консоли пакета изолирующих прокладок, пье- зокристаллов и распорного станка, от участка корпуса, подверженного вредному воздействию деформаций стенок установки. Изолирующие проклад- ки, выполненные из материала с модулем упругости меньшим, чем у пьез кристаллов, например, стеклопластика, кроме их основной функции (отделения электродов пьезокристаллов от металлических элементов) в данной конструкции выполняют роль механических фильтров, предотвращающих передачу на пьезокристалл напряжений, отличных от нормальных.

Установлено, что жесткое присоединение пьезокристалла к поверхност имеющей модуль упругости соизмеримы с модулем упругости пьезокристалла, приводит к тому, что он генерирует заряды при отсутствии сжимающей нагрузки вследствие изгиба или растяжения опорной поверхности. Устранить такой эффект можно только введением прокладок с модулем упругост меньшим, чём у пьезокристалла. Чем ниже модуль упругости прокладки, тем лучше изоляция. Однако здесь необходимо придерживаться условия, что жесткость пакета из изолирующих прокладок и пьезокристаллов, работающих на сжатие, должна оставаться выше изгибной жесткости консоли с упругим шарниром. Несоблюдение такого требования приведет к резкому падению чувствительности датчика обусловленному перераспределением сил между пьезокристаллами и консолью.

Обязательным элементом конструкции датчика является пятка, передающая усилие на консольньм элемент и не имеющая непосредственного контакта с распорным стаканом и корпусом. Введение этого элемента продиктовано стремлением максимально увеличить площадь соприкосновення рабочего органа датчика со средой, так как от этого зависит его чувствительность , и одновременно защитит его чувствительные элементы от прямого воздействия этой среды. Попадание рабочей среды внутрь датчика

; 5 0

5

0

недопустимо, а поскольку пятка отделена о,,т корпуса и распорного стакана, то образующийся зазор необхо-- димо герметизировать. Традиционные приемы герметизации с помощью мембран здесь неприменимы, так как требуется сохранить податливость пятки в направлении, совпадающем с плоскостью мембраны, а эластичное уплотнительное кольцо критично к величине нормальной нагрузки и не удается подобрать оптимальное сочетание свойств кольца, обеспечивающих его прочность на срез под действием нормального давления и высокую податливость в зазоре на сжатие и сдвиг под действием приложенного к пятке касательного усилия. Заполнение всех внутренних полостей датчика низко- МОДУЛЬНЫМ компаундом с модулем упругости около 0,1 МПа позволяет эффективно решить проблему защиты чувствительных элементов датчика от влияния рабочей среды. Кроме того, поскольку пьезокристаЛлы генерируют сигналы противоположного знака, то используя данный датчик совместно с дифференциальным усилителем, можно добиться дополнительной компенсации сигнала-помехи, имекщего одина- ковую полярность для обеих кристаллов.

Использование датчика дает возможность выполнить качественно новые экс- v периментальные исследования по непо- .соедственному измерению напряженного состояния, во никакщего в объемных конструкциях из упругих и вязкоуп- ругих Материалов при динамическом нагружении в широком частотном диапазоне. Полученные результаты помогут уточнить теоретические расчеты.

55

45

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический : датчик касательных напряжений, содержащий корпус с закрепленным- в нем консольным упругим элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен охватывающим упругий элемент, кон- сольно установленным с зазором в корпусе стаканом и двумя пьезоэле- ментами, каждый из которых закреп5 - 1254319 .6

лен с помощью двух прокладок на2. Датчик по п, 1, о т л и ч а - стенках стакана и упругого элементаю щ и и с я тем, что, с целью устра - по разные стороны от его свободногонения влияния рабочей среды, он снаб конца, при этом упругий элемент вы-жен установленной на свободном кон- полнен из материала корпуса, а це упругого элемента коаксиально прокладки - из материала с модулемстакану пятой, а полости-внутри дат- упругости меньшим, чем у пьезоэле-чика заполнены низкомодульным ком- ментов,паундом.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании напряженного состояния сред с упругими и вязко- упругими свойствами. Для повьшения точности консольный упругий элемент 3 охвачен установленным с зазором в корпусе 1 стаканом 2, между которьг- ми зажаты пьезоэлементы 6. Возникающие в рабочей среде напряжения через пятку It вызьшают деформацию упругого элемента 3, приводящую к появлению электрических зарядов на электродах пьезоэлементов 6, пропорциональных величине приложенного напряжения. Изолирующие прокладки 7 и 8, выполненные из материала с модулем упругости меньвшм, чем у пьезоэлементов 6, являются механическими фильтрами, предотвращакицими передачу на пьезоэлементы напряже- Q НИИ, отличных от нормальных. Внутрен ние полости датчика заполнены низкомодульным компаунде, защищающим чувствительные элементы датчика от влияния рабочей среды. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. Л СП 4 СО qD