Частотный преобразователь усилий

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве частотного датчика усилий. Целью изобретения является повышение точности. Цель достигается тем, что контакты 2 и 3, расположенные на резонаторе 1 в виде ленты, выполнены с переменной шириной по длине резонатора, описываемой уравнением второй производной упругой линии резонатора при поперечных колебаниях. На резонаторе расположен тензоэлемент 8, соединенный электрически с помощью усилителя с контактами 2 и 3. К резонатору прикладывается измеряемая сила, изменяющая частоту его колебания, по которой судят об измеряемом усилии. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦ ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) 111) А1 (g1)g G 01 L 1/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ДBTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯЫ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4489207/24-10 (22) 06.10.88 (46) 30.11.90. Бюп. ))- 44 (71) Кооператив "Диск" (72) С.М.Заседателев, Э.Л.Егиазарян, Г.Э.Егиазарян и И.В.Шелковый (53) 531. 781 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 576578, кл. G 01 L 1/10, 1976.

Измерительные преобразователи механических и тепловых величин на базе микроэлектроники. M., МДНТП им. Дзержинского, 1980, с. 154-157. (54) ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСИЛИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве частотного датчика усилий. Целью изобретения яляется повышение точности. Цель достигается тем, что контакты 2 и 3, расположенные на резонаторе 1 в виде ленты, выполнены с переменной шириной по длине резонатора, описываемой уравнением второй производной упругой линии резонатора при поперечных колебаниях. На резонаторе расположен тензоэлемент, соединенный электрически с помощью усилителя с контактами

2 и 3, К резонатору прикладывается измеряемая сила, изменяющая частоту

его колебания, по которой судят об измеряемом усилии. 3 ил.

16 10318

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве частотного датчика усилий.

Цель изобретения - повышение точн ости, На фиг. 1 изображен график первой формы колебаний резонатора, на фиг. 2 — соответствующая эпюра изгибающих моментов; на фиг. 3 — конструкция частотного преобразователя усилий, аксонометрия (металлизированные дорожки и усилитель не показаны) .

Частотный преобразователь усилий содержит резонатор 1 в виде ленты (струны), воспринимающий измеряемое усилие, на поверхности которого выполнены фигурные металлизированные контакты 2 и 3 возбуждения. В резонаторе (перед операцией металлизации) вьполнен участок .4 с проводимостью, обратной по отношению к исходной монокристаллической пластине 5 (например, если исходная пластина 5 имеет проводимость п-типа, то учас + ток 4 имеет проводимость р -типа) .

Металлизированные контакты 2 и 3 выпОлнены непосредственно над участ ками 4 и образуют с ними электрические контакты. Таким образом, создаются спаи металл-полупроводник, по сути представляющие собой термоэлектрический элемент. Оба элемента спая— металлизированные контакты 2 и 3 и участок 4 или по крайней мере участок

4 или контакты 2 и 3 выполнены фигурными, причем их конфигурация повторяет форму кривой 6 (фнг.2) при не40 обходимости попер ечных колебаний резонатора только на основной частоте по первой форме колебаний (фиг.1).

При необходимости иных собственных частот системы и соответственно иных форм колебаний резонатора (т, е. упру.45 гой линии) конфигурация спаев термоэлемента повторяет форму кривой 6 для данного конкретного случая. Между элементами спаев — контактами 2 и 3 выполнены зазоры во избежание50 короткого замыкания между ними (зазоры могут быть выполнены, например, как показано на фиг. 3, где зазоры в металлизированных контактах выполнены в непосредственной близости от 55 ! узловых точек 7 кривой б, а в участке 4 Р -типа под срединной частью контакта 2). На резонаторе 1 исходной пластины 5 выполнены приемник 8 поперечных колебаний, представляющий собой мост Уитстона из тензорезисторов, образованных диффузией примеси или ионным легированием. В целях снижения занимаемой на резонаторе 1 площади функции активного (тензочувствительного) элемента может выполнять лишь одно плечо (резистор) приемника 8 (как показано на фиг ° 3) .

Вся конструкция частотного преобразователя усилий и его элементов выполнена стандартными методами микроэлектроники.

Резонатор может иметь форму и закрепление, отличные от представленных на фиг, 3 (например, резонатор может быть выполнен в виде .мембраны, закрепленной на различных растяжках и пр.). Следует учесть, что при этом собственные формы колебаний также определяются решением уравнения свободных колебаний резонатора с учетом краевых условий задачи. Конфигурация спаев термоэлемента в этом случае также ограничена кривой, описываемой уравнением второй производной упругой линии резонатора (с точностью до коэффициента).

Частотный преобразователь усилий строится по известной структурной схеме датчика с резонатором в автоколебательном режиме, при этом резонатор питается через возбудитель от усилителя, на вход которого поступает ч ер ез при емник выходной сиг нал этого же резонатора. Как известно, самовозбуждение такой замкнутой сис- темы происходит в том случае, если ее усиление (в разомкнутом виде) превышает единицу, а суммарный фазовый сдвиг всех звеньев равен нулю или целому числу полных периодов.

Диагональ питания мостовой схемы(при емни к 8 и on ер еч ных к ол еб а ний) подключают к источнику питания, а измерительная диагональ через усилитель связана со спаями — контактами

2 и 3 термоэлемента. Подключение к чнешней аппаратуре (источнику постоянного питания и регистрирующей аппаратуре) осуществляют с помощью проводников (не показаны). Оба контакта запараллелены, Частотный преобразователь усилий работает следующим образом.

Пластину 5 с сформированным в ней резонатором 1 закрепляют на объекте где х

15 В

25 К

30

Фиг. ) Фиг. 2

5 161 измерения. При протекании через контакты 2 и 3 импульсного тока соответствующие участки резонатора 1 в местах спаев нагреваются или охлаждаются согласно эффекту Пельтье, т.е. в резонаторе создается переменный градиент температуры, а возникающие при этом термоупругие напряжения вызывают изгиб резонатора по необходимой (например, первой) форме колебаний, При прохождении тока обратной полярности происходит изменение знака термоупругих напряжений в резонаторе и резонатор изгибается в противоположное положени е. Происходит периодический нагрев и охлаждение в зонах спаев 2 и 3 с частотой, равной собственной частоте резонатора.

При приложении к пластине 5 усилия

9 происходит деформация резонатора

1, что приводит к изменению его собственной частоты. Возникающая при этом разность частот между колебаниями недеформированного и нагруженного резонатора пропорциональна измеряемой величине усилия. Изгибные колебания резонатора изменяют сопро( тивление тензорезисторов и с измерительной диагонали моста снимаются приращение напряжения той же частоты.

Усилитель — преобразователь преобраI зует это напряженке в переменное напряжение выходного сигнала и в импульсы тока, поступающие на контакты термоэлемента.

Формула изобретения, Частотный преобразователь усилий, содержащий резонатор в виде ленты с

0318 d расположенными на нем тензоэлементами и контактами, соединенными между собой электрически с помощью усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, контакты выполнены с переменной шириной по длине 1 резонатора, описываемой уравнением

10 т(К, 1) (x) = В 8(К;x) - I Т(К х)

1 координата длины резонатора; коэффициент, зависящий от геометрии резонатора и его физико-механических свойств;

2 (apl )я, < EI> номер гармоники, i=1 2 3 . ° ., масса единицы длины pesoнатора; жесткость резонатора на прогиб; собственная частота колебаний резонатора.

S(K х) = — (ch;x + cos К x);

Т(К,х) — — (sh К х + sin К x);

Т(Х 1) = — (sh К, 1 + sin К 1)

U(K;1) — 2 (ch К;1 — cos K;1).