Устройство для измерения усилий Советский патент 1983 года по МПК G01L1/16 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ

1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к уст

, ройствам для измерения распределения постЗянных и переменных усилий по координатам, а также может быть использовано как датчик деформаций нагруженных изделий сложной формы.

Известны устройства для измерения усилий, использующие зависимость полупроводниковых приборов от приложен- ,д ного к ним усилия. Туннельный диод помещается в зону давления и по из(Менению, например, его пикового тока IP, судят о величине воздействующего на диод усилия 1 .,5

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее чувствительный злемент - туннель, ный диод, последовательно соединенный с ним резистор и электрически соединенный с резистором фильтр нижних частот с индикатором 2 .

Это устройство позволяет измерять усилие в заданной точке пространства, но не дает информации о распределен НИИ усилия по координате. Для получения такой информации необходимо применить несколько однотипных устройств, что ведет к значительному усложнению измерительной схемы и существенному увеличению стоимости всего устройства. Кроме того, .такое решение не всегда возможно, особенно при жестких требованиях к разрешающей способности устройства. Большие сложности вызывает при этом и организация большого количества каналов связи чувствительных элементов с змepитeльнoй схемой. Все это приводит к тому, что известное устройство обладает недоста:точными функциональными возможностями.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения измерения распределения усилий по координатам. 399 Указанная цель достигается тем, что.в него введены распределитель импульсов и ячейки памяти, включенные между резистором и индикатором, причем управляющие входы ячеек памяти через распределитель импульсов соединены с чувствительным элементом, а чувствительный элемент выполнен в виде матрицы последовательно соединенных туннельных диодов с различными пиковыми токами, при этом шаг различия токов выбран из соотношения klp,M РМ, где К - коэффициент тензочувствительности пикового тока; максимальное значение пикового тока в матрице; максимальное измеряемое усилие. Такое выполнение устройства поз:воляет осуществлять измерения усилия не только в заданной точке, но и пространственное распределение усилия, т.е. расширяет функциональные возможности устройства. Кроме того, в этом устройстве вся информация с туннельных диодов, помещаемых в зону давления (деформаций), передается во вторичную электронную схему по одному каналу связи. Последнее существенно-для упрощения измерений сложных распределений усилия и, следовательно, расширяет возможные пределы использования устройства. На фиг.1 предстдвлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 вольтамперная характеристика чувствительного элемента. Устройство для измерения усилий (фиг.1) содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде последовательно соединенных туннельных диодов, резистор 2, распределитель импульсов 3, ряд ячеек t памяти и индикатор 5.Резистор 2 соединен последовательно с чувствительным элементом 1, и на эту цепочку в точке 6 подаются пилоообразные импульсы тока Ячейки k памяти включены между резис тором 2 и индикатором 5, а управляющие входы ячеек через распределитель 3 импульсов подключены к чувствитель ному элементу 1. Устройство работает следующим образом. Чувствительный элемент помещается в зону, где необходимо измерить расп ределение усилия, или, например, наклеивается на деталь. Нарастающий ток смещения, представляющий собой периодически повторяющиеся импульсы пилообразного тока, проходит через резистор 2 и чувствительный элемент 1 . После достижения током смещения величины, равной пиковому току первого диода, последний переключается в состояние высокого напряжения. Вырабатывающийся при этом положительный перепад напряжения снимается с чувствительного элемента воздействует на электронный распределитель 3 импульсов, так, что последний выдает на управляющий вход первой ячейки памяти импульс записи. При этом в ячейке записывается напряжение, снимаемое с резистора 2 и пропорциональное пиковому току первого диода, т.е. диода с минимальным значением пикового тока При дальнейшем увеличении тока смещения и достижении им значения, равного пиковому току второго диода, последний переключается и напряжение, пропорциональное этому току, записывается во вторую ячейку. Ток смещения возрастает до тех .пор, пока не переключится последний диод. Импульсы переключения последнего диода приводит всю схему в исходное состояние, и процесс нарастания тока ничинается вновь. Таким образом, в ячейках памяти записаны значения пиковых токов соответствующих диодов. Усилие, воздействуя на туннельные диоды, изменяет величину пикового тока, а значит и величину напряжения, записываемую в ячейку памяти. Изменение усилия ведет к изменению напряжений, записанных в ячейках памяти. Это напряжение может быть измерено непосредственно вольтметром или подано на индикатор (осциллограф, самопишущий потенциометр и др.). Устройство может быть использовано в качестве датчиков туннельных диодов, изготовленных по эпитаксиальной технологии и обладающих высокой механической прочностью. В качестве распределителя импульсов может быть применен сдвиговый регистр, разрядность которого определяется количеством измерительных диодов. Например, для устройства, измеряющего давления не более чем в восьми точках, можно использовать восьмиразрядный регистр, вы- полненный на микросхеме 155ИР13. В аналоговых запоминающих ячейках исполь зованы интегрирующие цепочки, управляемые электронными ключами, собранными на микросхемах типа Цб КТ1, Па раметры интегрирующей Цепочки при это должны быть такими-, чтобы постоянная интегрирования была меньше времени а поминания сигнала, определяемого дли тельностью импульса, вырабатываемого распределителем импульсов. Для обеспечения нормальной работы устройства необходимо, чтобы в процессе измерения сохранялась начальная последовательность возрастания пиковых токов /сводов. Поскольку IP с приложением усилия уменьшаете, то исходный шаг различия токов Д1р должен быть боль ше изменения любого из диодов. Это всегда будет выполняться при klpjv,- Р,, где 1 - коэффициент тензочувствитель ности пикового тока, равный для диодов, например, из арсенида галлия {0,6-1,3)х х10 41/бар; максимальное значение пиково ГС) тока 8 матрице; Р.Д- максимальное измеряемое усилие. Устройство может найти применение в различных измерительных системах для определения конфигурации усилий или давлений в сложных замкнутых объемах, а также нагруженных деталей сложной формы. Фс рмула изобре:тенйя Устройство для измерения усилий, содержащее чувствительный элемент на туннельном диоде, резистор и ни- дикатор, соединенные последовательно, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет измерения распределенного усилия, в него введены распределитель импульсов и ячейки памяти, включенные между резистором и индикатором, причем управляющие входы ячеек памяти через распределитель импульсов соединены с чувст вительным элементом, а чувствительный элемент выполнен в виде матрицы последовательно соединенных туннельных диодов с .различными пиковыми токами, при этом шаг различия токов выбран из соотношений д1р / К I рл РАД где К - коэффициент тензочувствитепь ности пикового тока; максимальное значение пикового тока в матрице; РМмаксимальное измеряемое усилие. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США W 3383Э07, кл. 73-885, 25.05.68. 2.Авторское свидетельство СССР № , кл, G 01 L 1/16, 25.07.73 (прототип).