Устройство для измерения усилий Советский патент 1992 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет контролировать работоспособность пье- зокерамического датчика.

Известно устройство для измерения усилий, содержащее упругий элемент, закрепленный в корпус, два пьезоэлемента с электродами, установленными по разные стороны от упругого элемента. Первый пье- зоэлемент снабжен двумя электродами; К одному из них подключен генератор, а ко второму подключен измерительный прибор, терморезистор, соединенный с электродами второго пьезоэлемента.

Недостатком этого устройства является то, что его конструкция не позволяет проводить диагностику работоспособности датчика в процессе измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения усилий и давлений, содержащее упругий элемент, закрепленный в корпусе, два пьезоэлемента с электродами, установленные по разные стороны от упругого элемента, генератор, подключенный к электроду первого пьезоэлемента, и измерительный прибор, подключенный к электроду второго пьезоэлемента.

Недостатком этого устройства является то, что его конструкция не позволяет проводить контроль работоспособности датчика в процессе измерения, не снимая его с объекта измерения.

Цель изобретения - повышение надежности пьезоэлектрического датчика в процессе измерения. Эта цель достигается тем,

VJ

ю

00 ON 00 W

что в известное устройство, содержащее упругий элемент, закрепленный в корпусе, два пьезоэлемента с электродами.установленные по разные стороны от упругого элемента, генератор, подключенный к электроду первого пьезоэлемента, и измерительный прибор, введены второй генератор, счетчик, распределитель, два переключателя, коммутатор, два пиковых детектора, дифференциальный усилитель, индикатор и третий электрод, расположенный на первом пьезо- элементе и соединенный с помощью первого переключателя с электродом второго пьезоэлемента и первым входом коммутатора, два выхода которого соединены через пиковые детекторы с входами дифференциального усилителя, выход которого связан с индикатором, причем второй генератор подключен через счетчик к входу распределителя, четыре выхода которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго переключателя и второму и третьему управляющим входам коммутатора, а электрод второго пьезозлемента соединен с измерительным прибором через второй переключатель.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемое техническое решение позволяет контролировать работу устройства в процессе измерений (во время погружения), не отключая его от измерительной системы.

Существенным отличием предлагаемого устройства является введение дополнительного электрода на первом пьезоэлементе шириной 0,1-0,2 его длины, что позволяет контролировать работоспособность пьезоэлемента в процессе измерения, так как разница двух сигналов, снимаемых с его выхода (второго пьезоэлемента) до и после подключения к нему дополнительного электрода, остается постоянной при исправном состоянии датчика и изменяется при частичном или полном разрушении пьезоэлементов, регистрируется индикатором.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит: корпус 1, в котором по контуру закреплен упругий элемент (мембрана) 2, пьезоэлементы 3 и 4 с электродами 5 и 6 на первом пьезоэлементе и 7 на втором пьезоэлементе, генератор 8, измерительный прибор 9, схему 10 управления, состоящую из последовательно соединенных второго генератора 11 тактовых импульсов, вырабатывающего тактовые импульсы 12, счетчика 13 импульсов и распределителя. 14 импульсов, который вырабатывает управляющие импульсы 15, 16, 17, 18, поступающие соответственно на управляющие входы 19, 20 переключателя 21, 22, и управляющие входы 23, 24 коммутатора

25, последний входит в состав дифференциальной схемы 26 обработки сигналов, которая содержит два пиковых детектора 27,28, подключенных входами к коммутатору 25 и выходами к соответствующему входу дифференциального усилителя 29, выход которого подключен к индикатору 30.

Выходной электрод 7 пьезоэлемента 4 подключен к комму этору 25, соединенному со схемой обработки сигналов, и параллельно к измерительному прибору через переключатель 21. Дополнительный электрод 6 пьезоэлемента 3 подключен к переключателю 22, соединенному с выходным электродом 7, а генератор переменного

напряжения 8 подключен к электроду 5 пьезоэлемента 3.

Устройство работает следующим образом,

Генератор 8, подключенный к электроду

5 пьезоэлемента 3, возбуждает в колебательной системе, образованной упругим элементом (мембраной) 2 и пьезоэлемента- ми 3 и 4 изгибные колебания. Вследствие

прямого пьезоэффекта на электродах 6, 7 образуются переменные электрические сигналы.

Распределитель 14 импульсов, подключенный к счетчику 13 импульсов, вырабатывает управляющие импульсы 15, 16, 17, 18. Переключатели (21, 22) и коммутатор 25 последовательно подключают соответственно выходной электрод к измерительному прибору 9, дополнительный электрод 6 к выходному электроду 7 и выходной электрод 7 к входам пиковых детекторов 27, 28.

С выходного электрода 7 на коммутатор поступает амплитудномодулированное переменное напряжение 31. В моменты времени ti и t2, совпадающие с временем работы до и после подключения дополнительного электрода 6 к выходному электроду 7 происходит детектирование и фиксация амплитуды пачек импульсов 32, 33 с помощью пиковых детекторов 27, 28.

В результате с их выхода на входы-диф- ференциального усилителя 29 поступают постоянные напряжения Ui и U2, связанные с возбуждающим направлением Ui генератора 8 соотношениями: Ui kik-Ui, U2 k2k-Ui.

где Ui - выходное напряжение, снимаемое с электрода 7 до подключения к нему дополнительного электрода 6;

Ua - выходное напряжение, снимаемое с электрода 7 после подключения к нему дополнительного электрода 6;

ki-k2 - коэффициенты трансформации пьезодатчика до и после подключения дополнительного электрода;

k - коэффициент преобразования пиковых детекторов 27, 28 (фиг.2, диаграммы 34, 35).

Для устранения влияния коммутационных помех на точность измерений, возникающих при подклю знии дополнительного электрода 6 к выходному электроду 7, моменты времени ti и tz выбираются меньшими времени подключения дополнительного электрода, измерительного прибора и большем времени переходных процессов в пье- зоэлементе. При исправном состоянии пьезоэлемента параметр (Ui-Ua) остается постоянным, Это объясняется тем, что активная площадь электрода 7 при подключении к нему электрода б уменьшается на величину, пропорциональную площади электрода 6 и это приводит к тому, что коэффициенты трансформации kt. ka под действием измеряемой величины изменяются на одну и ту же величину, что не приведет к изменению разницы сигналов (Ui-lte), а при дефектах пьезоэлемента разница сигналов (Ih-Uz) изменяется и выходит за установленные пределы, что легко регистрируются индикатором 30, информирующим о дефектах пьезоэлемента,

Следует сказать, что величина разницы сигналов (Ui-U2) определяется в исходном состоянии упругими пьезоэлектрическими свойствами системы и геометрическими размерами электродов.

По приведенному описанию был изготовлен макет предлагаемого устройства, в котором использовался преобразователь усилии, выполненный из биморфного пьезоэлемента, состоящего из двух пьезопластин типа ЦТС-19 размерами: 50x10 х 0,5 103 м.

установленных по разные стороны от упругого элемента, закрепленного в корпусе, ширина дополнительного электрода была выбрана 5 , Схемы 11. 13. 14, 25, 29

выполнены соответственно на микросхемах К 555 ЛАЗ, К555 ИЕ 7, К555 ИО 4. К 561 КП1, К 140 МА1, а схемы 27, 28 были собраны на основе операционного усилителя типа К 140 YD 6.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известным обладает большей надежностью, так как оно позволяет диагностировать работоспособность пьезоэлемента в процессе измерения.

Формула изобретения Устройство для измерения усилий, содержащее упругий элемент, закрепленный в корпусе, два пьезоэлемента с электродами, установленные по разные стороны от упругого элемента, генератор, подключенный к электроду первого Пьезоэлемента, и измерительный прибор,отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, в

него введены второй генератор, счетчик, распределитель, два переключателя, коммутатор, два пиковых детектора, дифферен- циальный усилитель, индикатор и третий электрод, расположенный на первом пьезоэлементе и соединенный с помощью первого переключателя с электродом второго пьезоэлемента и первым входом коммутатора, два выхода которого соединены через пиковые детекторы с входами дифференциального усилителя, выход которого связан с индикатором, причем второй генератор подключен через счетчик к входу распределителя, четыре выхода которого подключены соответственно к управляющим входам

первого и второго переключателя и второму и третьему управляющим входам коммутатора, а электрод второго пьезоэлемента соединен с измерительным прибором через второй переключатель. .

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Целью изобретения является повышение надежности. Устройство снабжено третьим электродом 6, расположенным на пьезоэлементе 3 вместе с вторым электродом 5, подключенным к генератору 8, возбуждающему колебания в этом пьезоэлементе. Пьезоэлементы 3, 4 укреплены на упругом элементе 2 с двух сторон от него. Электрод 7 пьезоэлемента 4 присоединен через переключатель 21 к измерительному прибору 9, выходной сигнал которого пропорционален измеряемому усилию, приложенному к пьезоэлементу 2. Электрод 6 подключен через переключатель 22 к электроду 7 и входу коммутатора 25. два выхода которого соединены через пиковые детекторы 27, 28 с входом дифференциального усилителя 29. Выход усилителя 29 связан с индикатором 30, фиксирующим наличие дефектов в пьезоэлементах. 2 ил. Ё