Датчик напряжения поверхностного трения
Изобретение позволяет конструировать датчики для непосредственного измерения напряжения трения, которые могут быть использованы для определения напряжения трения на поверхности самолетов, судов, автомобилей и других транспортных средств и их моделей. Датчик трения состоит из корпуса, в котором размещены две жесткие параллельные пластины, являющиеся элементами измерителя перемещения. Нижняя пластина скреплена с корпусом, верхняя может перемещаться. Пространство между пластинами, а также пространство между пластинами и корпусом залито полимерным гелем. Под действием потока верхняя пластина сдвигается в направлении действия силы трения. Этот сдвиг измеряется датчиком перемещения. Согласно закону Гука сдвиг верхней пластины пропорционален напряжению трения, поэтому датчик имеет линейную характеристику. Датчики обладают высокими техническими характеристиками и обеспечивают высокую точность и надежность измерений. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения напряжения трения на поверхности самолетов, судов, автомобилей и других транспортных средств и их моделей.
Известен датчик напряжения трения, содержащий чувствительный элемент в виде платиновой резистивной пленки, напыленной на стеклянную подложку. (Winter R. G. An outline of the techniques avaliable for the measurement of skin fricnion in turbulent boundary layers. ; "Progress in Aerospace Science", 1977, v. 18, N1, p. 43 - 45). Принцип измерения датчика основан на аналогии Рейнольдса между теплообменом и трением. Измеряя тепловой поток, рассеиваемый датчиком, определяют величину напряжения трения. К недостаткам датчика следует отнести недостаточную точность измерения, поскольку способ измерений косвенный. Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, содержащее чувствительный элемент, представляющий собой пленку упругого вещества - полимерного геля заданной толщины с известным модулем сдвига. Чувствительный элемент нанесен на поверхность модели, на поверхность модели и чувствительного элемента нанесены маркеры. Сдвиговую деформацию пленки под действием потока измеряют оптическим методом. Величину напряжения трения определяют из закона Гука (SU, авт. св. 1822252) , где m - напряжение трения в точке M; G - модуль сдвига упругого вещества; Xm- сдвиг поверхности пленки в точке M; h - толщина пленки. Такое техническое решение повышает точность измерений, поскольку напряжение трения измеряется непосредственно и можно проводить прямую градуировку устройства. Это устройство имеет ряд недостатков, затрудняющих его применение для измерения напряжения трения на поверхности натурных объектов и их моделей. К числу этих недостатков можно отнести сложность нанесения на поверхность обтекаемого тела тонкой однородной пленки упругого вещества известной толщины, а также технические трудности измерения сдвиговой деформации пленки под действием потока. Эти факторы не позволяют реализовать на практике потенциально высокую точность измерений. Задачей настоящего изобретения является повышение точности и надежности измерений и расширение области применения устройства. Точность и надежность повышаются за счет того, что сдвиг чувствительного элемента под действием силы трения измеряется внутренним датчиком перемещения, что является техническим результатом. Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения напряжения трения, содержащем чувствительный элемент, представляющий собой пленку упругого вещества - полимерного геля заданной толщины с известным модулем сдвига, чувствительный элемент расположен между двумя жесткими параллельными пластинами, являющимися элементами датчика перемещения. Конструкция расположена в жестком корпусе. Внутри корпуса расположен термодатчик. На фиг.1 изображена общая конструкция датчика трения; на фиг. 2 - конструкция датчика трения с емкостным измерителем перемещения; на фиг.3 - конструкция датчика трения с оптронным измерителем перемещения. Корпус 1 датчика на фиг.1 содержит две жесткие пластины 2, являющиеся элементами датчика перемещения. Нижняя пластина скреплена с корпусом. Пространство между пластинами, а также пространство между пластинами и корпусом залито полимерным гелем 3. Датчик снабжен монтажным кольцом 4, точно согласованным размерами с датчиком. Внутри корпуса расположен термодатчик 5. Принцип работы датчика трения Перед началом измерений монтажное кольцо 4 устанавливается заподлицо с поверхностью обтекаемого тела, затем в него вставляется датчик. Это позволяет устанавливать поверхность верхней пластины заподлицо с поверхностью обтекаемого тела. Поэтому сила, действующая на верхнюю пластину 2, при воздействии потока обусловлена только трением. Под действием трения потока, верхняя пластина сдвигается относительно нижней на величину x в направлении действия силы трения. Этот сдвиг измеряется датчиком перемещения, состоящим из верхней и нижней пластин 2. Величина напряжения трения определяется из закона Гука по формуле : , Отношение G/h определяется градуировкой. Модуль сдвига полимерного геля G зависит от температуры. Поэтому для компенсации этой зависимости измеряют его температуру, с помощью термодатчика, а затем вносят поправку. Датчик трения с емкостным измерением перемещенияЧтобы повысить точность измерений, применяют емкостное измерение перемещения. В таком датчике трения пластины изготовлены из диэлектрика, на внутренних поверхностях пластин сформированы проводящие емкостные элементы, которые образуют емкостной мост. Выход моста подключен к дифференциальному усилителю с высоким входным сопротивлением, расположенному внутри датчика. Емкостной измеритель перемещения обладает высокой чувствительностью и точностью, что приводит к повышению точности измерения напряжения трения. На фиг. 2 изображена конструкция датчика трения с емкостным измерением перемещения. Корпус 1 датчика содержит две диэлектрические пластины 2, нижняя пластина скреплена с корпусом. На внутренних поверхностях пластин сформированы емкостные элементы. Эти элементы представляют собой металлизированные полоски, лежащие в плоскости, перпендикулярной чертежу. Эти полоски соединены через, одну, так как показано на фиг.2 и образуют емкостной мост 6. Пространство между пластинами, а также пространство между пластинами и корпусом залито полимерным гелем. Выход моста подключен к дифференциальному усилителю с высоким входным сопротивлением 4, расположенному внутри датчика. Внутри корпуса расположен термодатчик 3. Датчик снабжен монтажным кольцом 5. Принцип работы датчика
При сдвиге верхней пластины 2 под действием силы трения вправо, емкость группы полос А и группы полос Г ( C13) увеличивается на величину dC; ( C13 = C + dC). Емкость группы полос А и группы полос В уменьшается на величину dC (C14 = C - dC). Аналогично происходит изменение емкости C23 и C24. При этом происходит разбалланс емкостного моста 6. Если на вход моста А-Б подано напряжение переменного тока амплитуды U, то напряжение на выходе моста В-Г будет равно u = U (dC/C). Поскольку сигнал с моста пропорционален сдвигу пластин, то зависимость между сигналом с датчика и напряжением трения также линейна u = D. . Коэффициент D определяется градуировкой. Усилитель с высоким входным сопротивлением служит буфером, чтобы исключить влияние соединительных проводов, которые сами образуют емкостной мост. Датчик трения с оптическим измерением перемещения,
Чтобы повысить локальность измерений, применяют оптическое измерение перемещения. В таком датчике трения верхняя пластина изготовлена из непрозрачного материала, на внутренней поверхности пластины сформирован отражатель. Нижняя пластина изготовлена из полупроводника, на внутренней поверхности пластины сформирована микрооптопара, представляющая собой светодиод в центре и два фотодиода по краям пластины. Оптронный измеритель перемещения обладает малыми размерами и позволяет уменьшить размер верхней пластины до одного миллиметра, что повышает локальность измерений. На фиг. 3 изображена конструкция датчика трения с оптическим измерением перемещения. Корпус 1 датчика содержит две пластины. Нижняя, скрепленная с корпусом пластина 2, изготовлена из полупроводника, на внутренней поверхности пластины сформирована микрооптопара, представляющая собой светодиод 4 в центре и два фотодиода 5 по краям пластины. Верхняя пластина 3 изготовлена из непрозрачного материала, на внутренней поверхности пластины сформирован отражатель 6. Отражатель, светодиод и фотодиоды сформированы в виде полос, лежащих в плоскостях, перпендикулярных плоскости чертежа. Внутри корпуса расположен термодатчик 7. Датчик снабжен монтажным кольцом 8. Принцип работы датчика
При сдвиге верхней пластины с отражателем 3 под действием силы трения вправо, освещенность правого фотодиода увеличивается, а левого уменьшается. Поскольку ток с фотодиода пропорционален его освещенности, то величина
,
где
I1 - фототок с первого фотодиода;
I2 - фототок со второго фотодиода,
будет пропорционален сдвигу пластин, а следовательно, напряжению трения S = D . Коэффициент D определяется градуировкой. Заявителем были изготовлены датчики трения со следующими характеристиками :
Диапазон измерения тангенциального напряжения - 3000 Па
Диапазон рабочих частот - 0-600 Гц
Диапазон рабочих температур - -40 - +130
Размеры чувствительной площадки - 1011 мм
Проведенные лабораторные и трубные исследования показали, что датчики обладают высокими техническими характеристиками и обеспечивают высокую точность и надежность измерений.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3