Датчик силы

 

датчик CHJbl, содержащий упругий элемент, на поверхности которого сформированы две тензочувстГ вительные линии задержки поверхност ных акустических волн, .отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения и уменьшения температурной погрешности , каждая линия задержки сформирована на двух пьезоэлектрических пласпластинах , помещенных в пазы упругого элемента, при этом между торцами пластин и стенками пазов размещены прослойки из пластичного материала , а пластины каждой пары линии задержки расположены соответственно на противоположных сторонах замкнутого прямоугольника. сл о 4; сл срм{

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ .РЕСПУБЛИН

„„SU„„1045014 А

С 01 Ь 1/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3469508/18-10 (22) 12.07.82 (46) 30.09.83. Вюл. 9 36 (72) Л.и. Захарьящев и В.Д. Семенченок (71) Рязанский радиотехнический институт (53) 531 ° 781(088.8) (56) 1. Патент Великобритании

9 1432818, кл. G 01 B 17/04, 1976.

2. Патент СшА Р 4107626, кл. 331-65. 1978 (прототип). (54)(57) ДАТЧИК СИЛЫ, содержащий упругий элемент, на поверхности которого сформированы две тензочувствительные линии задержки поверхностных акустических волн,, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения и уменьшения температурной погрешности, каждая линия задержки сформиро-. вана на двух пьезоэлектрических пласпластинах, помещенных в пазы упругого элемента„ при этом между торцами пластин и стенками пазов размещены прослойки из пластичного материала, а пластины каждой пары линии задержки расположены соответственно на противоположных сторонах замкнутого прямоугольника.

1045014

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может применяться как датчик больших сил, например в диапазоне 10-10000 кН.

Известно устройство, содержащее упругий элемент в виде консольно э закрепленной балки из пьезоэлектрического материала, на противоположных поверхностях которой сформированы две линии задержки новерхностных акустических волн, каждая из которых состоит из двух преобразователей встречно-штыревого типа, подключенных к электронному блоку. При изгибе балки под действием измеряемой силы в линиях задержки получают равные по величине ц противоположные по знаку изменения, обусловленные деформацией областей балки, лежащих между преобразователями. Электронный блок преобразует эти изменения в электрический сигнал, несущий информацию об измеряемой силе (1 ).

К недостаткам укаэанного устройства относятся невозможность изме ( рения больших сил, обусловленная тем, что изготовить из пьезоэлектрических материалов крупногабаритные упругие элементы, способные выдерживать большие усилия (например, в диапазоне 10-10000 кН), невозмож- N но, а также низкая вибро- и ударопрочность, обусловленная хрупкостью упругих элементов, изготовленных из пьезоэлектрических материалов.

Наиболее бли=.-ê-,HM по технической 35 сущности к предлагаемому является датчик с:::лы, содержащий упругий элемент, на поверхности которого сформированы две тензочувствительные линий задержки поверхностных акустических волн (2 ).

Недостатки известного датчика заключаются в невозможности измерения больших сил (например, в диапазоне 10-10000 кН), обусловленной тем, что нанесение пьезоэлектрической пленки на балки и формирование преобразователей встречно-штыревого типа осуществляются с применением вакуумной технологии осаждения пленок и фотолитографии. Проведение таких процессов на крупногабаритных упругих элементах, масса которых может. достигать десятков и даже сотен колиграммсв (например, у датчика силы на 10000 кН), не представ.- 55 ляется возможным. Кроме того,невозможно формирование тензочувствительных линий задержки в труднодоступных областях упругого элемента, так как вакуумная технология осажцения 6О пленок и фотолитография требуют прямого доступа к поверхности подложки (в данном случае упругого элемента), Это значительно сужает количество разновидностей монолитных упругих элементов, которые могут быть применены в устройстве.

Недостатком устройства является также значительная температурная погрешность в условиях быстрого изменения температуры окружающей среды.

Цель изобретения — расширение диапазона измерения и уменьшение температурной погрешности.

Указанная цель достигается тем, что в датчике силы, содержащем упругий элемент, на поверхности которого сформированы две тензсчувствительные линии задержки поверхностных акустических волн, каждая линия задержки сформирована на двух пьезоэлектрических пластинах, помещенных в пазы упругого элемента, при этом между торцами пластин и стенками пазов размещены прослойки из пластичного материала, а пластины каждой пары линий задержки расположены соответственно на противоположных сторонах замкнутого прямоугольника.

I

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик силыу на фиг. 2 — разрез

A-А на фиг. 1 ; на фиг. 3 — датчик силы, вариант выполнения; на фиг. 4 — разрез Б-Б на фиг. 3. ,Цатчик силы (фиг. 1-2) содержит упругий элемент 1, опирающийся на основание 2. На поверхности упругого элемента 1 сформированы первая и вторая тензочувствительные линии задержки поверхностных акустических волн. Первая линия задержки содержит возбуждающий 3 и при емный 4 преобразователи встречноштыревого типа, нанесенные на пьезоэлектрические пластины 5 и б„ которые помещены в пазы 7 и 8 упругого элемента 1. Аналогично, вторая линия эадерх<ки содержит возбуждающий

9 и приемный 10 преобразователи, нанесенные на пьезоэлектрические пластины 11 и 12, помещенные в па- . зы 13 и 14 упругого элемента 1. Усилители 15 и 16 подключены своими выходами и входами к преобразователям 3, 4 и 9, 10 соответственно. Быходы усилителей соединены также с входами устройства 17 вычитания частот. Акустические контакты между боковыми стенками пазов и смежными с ними торцами пьезоэлектрических пластин обеспечиваются тонкими клеевыми просз;.ойками 18-21 (например, из эпоксидной смолы) (фиг. 2). Пазы 7, 8, 13 и 14 расположены в слабодефсрмируемых областях упругого элемента, где напряжения не должны превышать предела прочности клеевых прослоек 18-21.

Деформируемая рабочая область 22 испытывает деформацию сдвига. Bb1

1045014 ход 23 устройства 17 является выходом датчика.

Датчик силы (фиг. 3 и 4} позволяет измерять силу натяжения, например, троса. Он содержит упругий элемент 1, работающий на растяжение.

На его концах размещены элементы

24 и 25, к которым прикладываются измеряемые растягивающие силы Р.

На поверхности упругого элемента сформированы первая линия задержки, н которой поверхностные акустические волны распространяются перпен" дикулярно направлению дейстния сил

Р, и вторая линия задержки, н которой волны распространяются вдоль 15 этого направления. Под действием сил Р длина траектории и задержка поверхностных акустических волн в первой линии задержки уменьшаются (за счет поперечного сжатия деформируемой области 22 н соотнетстнии с коэффициентом Пуассона}, а но второй линии задержки — увеличиваются.

Акустические контакты между боковыми поверхностями пазов 7„ 8, 13 и

14 и смежными с ними торцами пьезоэлектрических пластин 5, б, 11 и 12 обеспечиваются зажатыми между ними прослойками 26-29 из пластичного материала (например, олово) . Зажатие осуществляется с помощью прижимных пластин 30-33 и винтов 34-37.

Усилие зажатия должно быть таким, чтобы напряжения н прослойках 26-29 превысили предел текучести и прослойки образовали плотный механический контакт с боковыми стенками пазов 7, 8, 13 и 14 и торцами пластин 5, б, 11 и 12. Рассматриваемая конструкция датчика имеет повышенную ремонтопригодность, так как 4О вышедшие из строя преобразователи

3, 4, 9 и 10 с пьезоэлектрическими пластинами 5„ б, 11 и 12 могут быть легко заменены. Пазы 7, 8, 13 и 14 находятся н слабодеформируемых областях упругого элемента. Границы раздела слабодеформируемых областей и деформыруемой рабочей области 22 показаны на фиг. 3 и 4 пунктирными ,линиями 38-40.

В качестве материалов для упругого элемента предлагаемого датчика силы можно использовать сплавы ы стали, для пьезоэлектрических пластин кварц, пьезокерамику. Диапазон Во3м ожных рабочих частот линяй задержки 3-20 МГц. В этом диапазоне акустические потери в сталях и сплавах составляют 0,5-5 дБ/см, а общие потери линий задержки могут быть равными 20-40 дБ.. Применение рабочих 60 частот ниже укаэанного диапазона связано с увеличением габаритов линий задержки. Увеличение же частот выше указанного диапазона приводит к неприемлемо большим потерям линий задержки, так.как акустические потери н сталях и сплавах растут пропорционально четвертой степени частоты.

Датчик работает следующим образом.

Под действием измеряемой силы P деформируемая рабочая область 22 упругого элемента испытывает напряжения. Ориентации пазов выбраны таким образом, что поверхностные акустические волны в линиях задерж-. ки распространяются по перпендикулярным траекториям (на фиг. 1-4 показаны волнистыми стрелками).

При деформации области 22 длина траектории и время задержки поверхностных акустических волн в первой линии задержки уменьшаются, а во второй — увеличиваются. В результате частота генератора, образованного усилителем 15 и первой линией задержки, получает положительное приращение, а частота генератора, образованного усилителем 16 и второй линией задержки, — отрицательное приращение. Сигнал на выходе 23 устройства 17 имеет частоту, равную сумме абсолютных значений приращений частот генераторов и пропорциональную измеряемой силе P. изменения частот генераторов за счет температурных изменений времени задержки линий примерно равны по величине и совпадают по знаку. Пересечение траекторий поверхностных акустических волн обеспечивает увеличение стЕпени идентичности температурных режимов первой и второй линий задержки, так как в этом случае их задержка зависит от температуры одной и той же области yxipyroro элемента, центр которой лежит н месте пересечения траекторий.

За счет этого достигается уменьшение температурного дрейфа .нуля, особенно н датчиках, работающих н условиях быстрого изменения температуры окружающей среды, приводящего к значительным градиентам температуры упругого эле" мента.

В предлагаемом датчике можно все существующие разновидности упругих элементов использовать как в тензорезисторньж датчиках силы. При этом линии задержки могут быть сформированы в труднодоступных областях упругого элемента, так как первоначально на пьезоэлектрических пластинах методамы фотолитографии формируются преобразователи встречноштыревого типа, а затем пластины помещаются н пазы упругого элемента. Предлагаемый датчик, сохраняя такие преимущества существующих

1045014

Составитель A. Северин

Редактор A. Лежнина Техред С.Йигунова Корректор Ю. Макаренко

Заказ 7537/40 Тираж 873 Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета CCCP по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент",. г. Ужгород, ул. Проектная, 4 датчиков на поверхностных акустических волнах, как высокая линейность .характеристики, малый гистерезис, частотная Форма выходного сигнала,,позволяет расширить диапазон измеряемых сил до 10000 кН.