Датчик силы Советский патент 1982 года по МПК G01L1/16 

- , t

Изобретение относится к измери.тельной технике и может быть использовано для измерения усилия в маииностроении.

Известен датчик силы, в котором изменение времени запаздывания поверхносных акустических волн под действием измеряемой величины преоб- разуется в частоту. Датчик содершт консольно закрепленную пьезопластину, к свободному концу которой прикладывается перпендикулярно плоскости пластины измеряемая сила. На поверхность пьеэопластины нанесены преобразователи поверхностных акустических волн образуя -линию задержки. Один из преобразователей является возбуждающим и подключен к выходу усилителя, а другой приемный соейи нен с входом усилителя. Линия задержки включена в цепь положительной обратной связи усилйггеля и яв ляется чacтoтoзaдaющи i элементом ав тргенератора. Под действием измеряемой силы происходит деформация звукопровода линии задержки при этом изменяется время запаздывания по-, верхносных акустических волн и частот на выходе автогенератора 11,

(5.4) ДАТЧИК СИЛЫ

Однако уменьшение погреаности измерения ограничено неидентичностью параметров усилителей в рабочем диапазоне температур датчика, а разнесение чувствительного элемента и усилителей на расстояние значительно усложняется, так как требует увеличения числа соединительных кабеЛёй.

10

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является датчик силы, чувствительный элемент которого выполнен в виде резонатора на поверхностных акустических волнах. Чувствительный элемент датчика состоит из пьезопластинки прямоугольной формы закрепленной с двух сторон. На одной поверхности пьезопластины вдоль длинных сторон разме20щены встречно-штыревой преобразователь поверхностных акустических волн и отражающие электроды. Преобразователь подключен к входу и выходу усилителя. Дестабилизирующее

25 влияние температуры в данном датчике на чувствительный элемент может , быть снижено только за счет использования в качестве звукопровода материалов, имеющих стабильные температурные характеристики времени задержки. Однако известные срезы пьеэоматериадов не обладают стабил ными температурными характеристика ми в широком диапазоне температур. ПОЭТОМУ, наряду с использованием температурнрстабильных материалов чувствительного элемента в датчик силы на поверхностных акустических волнах резонаторного типа, дальнейшее снижение дестабилизирующего вли яния температуры обеспечиваются структурными методами терьюкомпенсадии. Цель изобретения - повышение точ ности за счет снижения дестабилизирующего влияния температуры. Указанная цель достигается Фем, что в датч:ике, содержащем пьезоплас тину с размещенными на ней пьезорезонатором, состоящим из преобразова теля поверхностных акустических вол И отражающих электродов, преобразователь -поверхностных акустических волн выполнен в виде двух прямоугол ных спиралей, а пьезопластина консольно закреплена и имеет цилиндрические закругления ребер вдоль длин ных сторон, а расстряние между витками спиралей выбрано из соотношения вдоль ньезопластины Ц а поперек пьезопластины h - ггг-г 173;е Vf и V - заданные скорости распространения поверхностных акустйч«йских волн соответственно вдоль и поперек пьезопластины f, и fj, резонансные часточи преобразователя соответственно вдоль и поперек пьез пластины. , На чертеже представлен датчик силы. Датчик состоит из пьезопластины преобразователей поверхностных акус .тических волн 2, отражаюцдах электро дов 3, усилителя 4,корпу.са датчика 5 Преобразователь 2 представляет собой две прямоугольные епиралйг, совмещенные таким образом, что расстояние между соседними витками спи ралей равно пвловине длины волны, возбуждаемой в соответствующем направлении распрос-з ранейия. Расстоя йие от центра преобразователя 2 поBepxHocTHEix акустических волн вдоль пьезопластины до геометрического центра отражаювдих электродов 3 крат но целому числу длин полуволн - , где А - длина волны/ соответствующая резонансной частоте f преобразователя 2. Длина пути распространяется поверхностной акустической волны поперек пьезопластины также кратва-целому числу длин полуволн , где Л2 длина волны, соответствующая резонансной частоте пре образователя: Преобразователь поверхностных акустических волн и отражающие электроды выполнены на одной из двух полированных поверхностей пьезопластины, например методом фотолитографии. На пьезопластине вдоль длинных сторон выполнены цилиндрические закругления, которые также подвергнуты полировке. Пьезопластина крепится консольно в корпусе 5, к выходам преобразователя подключен усилитель 4. Датчик работает следующим образом. В каждом направлении распространения вдоль и поперек пьезопластины возбуждаются стоячие поверхностные волны. В продольном направлении пьезопластины в формировании стоячей волны участвуют отражающие электроды.В поперечном направлении стоячая волна образуется в результате интерферейции, возбуждаемой преобразователем волны при ее циркуляции через соответствующие .закругления и противоположную поверхность пьезоппастины. При подключении к преобразователю усилителя в автогенераторе устанавяивается двухчастотный режим автоколебаний,. При нагружении пьезопластинн частота f продольного резонатора изменяется в результате механических напряжений, возникающих в звукопроводе. Изменение резонансной частоты от температуры продолйного и поперечного резонаторов -зависит от среза пьезопластины и ориентации ортогональных направлений распространения поверхностных акустит есних волн относительно кристаллографических осей. Для пьезопластины из ниобатй лития У среза и напрайления распространения доверхностных волн дл-я продольного резоиатора вдоль оси а поперечного вдоль оси X изменения резонансных частот от температура, имеют одинаковый знак и отличаются на величину не более 10%, а в случае использования изотропных йластинок звукопровода равны. . . Резонансная частота сигналов с выхода автогенератора, которую можно вьщелить/ подключив фильтр нижних частот к выходу усилителя, определяется разностью частот резонатора вдоль и поперек пьезопластины, поэтому дестабилизирующее влияние температуры ослабляется не менее чем на порядок и за счет этого повышаетс.я точность измерений, при этом чувствительный элемент может подключаться к усилителю с помощью одного кабеля. Для независимого возбуждения двух мод колебаний используется один активный элемент, при этом он одновременно выполняет функции смесителя. Форкй ла изобретения 1.Датчик силы, содержащий пьеэопластину с размещенны ш на йей резои натором, состоящим из преобразователя поверхностаых вола и отражаюодах электродов, отличают и и с я тем, что, с целью повцшения точное й прео азователь поверхностйых акустических волн ядшолйен в виде двух прямоугрпышх спиралей, а пьеаоплаютияа консояьыо закреплена и. имв ет циликйрические закругления вдоль длинных сторон.2,ДаФчйК по н. i, о т л и ч а й;Щ и и с я тем, что расстояние между :виткаьш спирапеа выбраво из соотяо.шевия вдоль пьезопластиша {ц , а гд п 1 -4 к перек пьеэопластины hj , J и Уд - скорости распространения поверхностных акустических волн соответственно вдсЗИь и поперек пьезопластины} f 1г резонансныечастоты преобразователя соответственно вдоль и поперек пьезопл астины, Источники информахши, ятые во внимание при экспертизе . .Патент ША № 3878477, кл. 3311974. .Патент ФРГ 2754669, G 01 L 1/16, 1978 (прототип).