Устройство для измерения усилий

 

Область использования - силоимерительная техника. Два акустически связанных между собой элементом связи пьезоэлемента размещены параллельно друг другу и снабжены четырьмя наружными обкладками. К двум наружным обкладкам пьезоэлементов подключены генераторы электрических колебаний, а к двум другим наружным обкладкам - блок сравнения сигналов, соединенный с измерительным прибором. Пьезоэлементы установлены на упругих элементах с элементами крепления. Элемент связи выполнен в виде воздушного слоя между пьезоэлементами. Измеряемое усилие пропорционально изменению величины воздушного слоя. Техническим результатом является повышение чувствительности устройства. 1 ил .

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения механических усилий в различных отраслях промышленности.

Известно устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу и имеющих общую обкладку и по одной наружной обкладке, генератор, подключенный к обкладкам первого пьезоэлемента и измерительный прибор, подключенный к обкладкам второго пьезоэлемента (см. авторское свидетельство СССР N 143585).

Однако, известное устройство не позволяет избавиться от погрешностей, вызываемых нестабильностью акустических потерь, изменением температуры окружающей среды и параметров возбуждающего генератора.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) является устройство для измерения усилий, содержащее два акустически соединенных через элемент связи пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу и имеющих три наружных обкладки, генератор электрических колебаний, подключенный к одной из наружных обкладок первого пьезоэлемента, элементы передачи измеряемого усилия в виде конусов, блок сравнения сигналов, подключенный к двум другим наружным обкладкам обоих пьезоэлементов, и измерительный прибор, при этом элемент связи выполнен в виде заземленной прокладки (см. авторское свидетельство СССР N 1164562).

Недостатком указанного устройства является низкая чувствительность к измеряемому усилию, так как в основе силочувствительности лежит модуляция коэффициента акустической связи за счет изменения жесткости пьезоэлементов под действием измеряемого усилия.

Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство, содержащее два акустически связанных между собой через элемент связи пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу и имеющих три наружных обкладки, генератор электрических колебаний, подключенный к одной из наружных обкладок первого пьезоэлемента, блок сравнения сигналов, подключенный к двум другим наружным обкладкам пьезоэлементов, элементы передачи измеряемого усилия и измерительный прибор, введены упругие элементы с элементами крепления пьезоэлементов, а элемент связи выполнен в виде воздушного слоя между пьезоэлементами изменяющего величину пропорционально величине измеряемого усилия, при этом к дополнительной наружной обкладке второго пьезоэлемента подключен дополнительный генератор электрических колебаний.

Техническим результатом является повышение чувствительности устройства к измеряемому усилию.

Такое выполнение устройства позволяет значительно повысить чувствительность за счет изменения коэффициента акустической связи вследствие изменения режима квазистоячей волны в воздушном промежутке.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где схематично изображено данное устройство для измерения усилий.

Предлагаемое устройство для измерения усилий содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2, два пьезоэлемента 3 и 4 с четырьмя наружными обкладками 5, 6, 7 и 8, элемент связи в виде воздушного слоя 9, упругие элементы 10 и 11, элементы крепления 12 и 13 пьезоэлементов 3 и 4, элементы передачи измеряемого усилия 14 и 15, блок сравнения сигналов 16, измерительный прибор 17.

Генераторы электрических колебаний 1 и 2 подключены к наружным обкладкам 5 и 6 пьезоэлементов 3 и 4. Пьезоэлементы 3 и 4 имеют наружные обкладки 7 и 8, соединенные с входом блока сравнения сигналов 16, выход блока сравнения сигналов 16 соединен с измерительным прибором 17. Пьезоэлементы 3 и 4 установлены в узлах колебаний на упругих элементах 10, 11 элементами крепления 12 и 13, расположены параллельно друг другу и акустически связаны через воздушный слой 9. Измеряемое усилие, воздействуя через элементы передачи измеряемого усилия 14 и 15, выполненные в форме конусов, приводит к деформации изгиба упругих элементов 10 и 11 и изменению величины воздушного слоя 9, пропорциональному величине измеряемого усилия.

Устройство работает следующим образом. Воздействие измеряемого усилия через элементы передачи усилия 14 и 15 приводит к деформации изгиба упругих элементов 10 и 11. При этом пьезоэлементы 3 и 4 совершают перемещения навстречу друг другу. Для величины изменения расстояния между пьезоэлементами (Δl) можно записать: Δl = FS, где F - измеряемое усилие; S - податливость упругих элементов.

Силочувствительность данного устройства основана на изменении коэффициента акустической связи в основном за счет изменения режима квазистоячей волны в воздушном слое. При небольших перемещениях пьезоэлементов коэффициент акустической связи (γ) выражается формулой: γ = γ₀/(l₀ + Δl) где γ₀ - коэффициент, пропорциональный отношению акустических импедансов пьезоэлементов и воздуха; l₀ - начальное расстояние между пьезоэлементами, выбираемое из условия: l₀ = nc/(2f),
где
n = 1, 2, 3...;
c - скорость звука в воздухе;
f - частота колебаний пьезоэлементов.

От генераторов 1 и 2 осуществляется возбуждение пьезоэлементов 3 и 4 в режиме автоколебаний. Наличие акустической связи между пьезоэлементами 3 и 4 через воздушный слой 9 обеспечивает взаимную синхронизацию колебаний пьезоэлементов. При этом для отношения выходных напряжений (U₁/U₂), снимаемых с обкладок 7 и 8 пьезоэлементов 3 и 4, можно записать:
U₁/U₂ = l + ζ/γ + ζ²/(2γ²),
где ζ - коэффициент относительной расстройки парциальных частот пьезоэлементов.

Таким образом, выходной сигнал блока сравнения 16 (U_вых), пропорциональный отношению величин напряжений на обкладках 7 и 8 пьезоэлементов 3 и 4, зависит от величины измеряемого усилия (F):
U_вых = U_о(l₀ + FS),
где
U_о - опорное напряжение.

Предлагаемое устройство для измерения усилий позволяет значительно повысить чувствительность и стабильность измерений по сравнению с существующими аналогами за счет введения в конструкцию датчика элемента связи в виде воздушного слоя, так как, во-первых, стабильность измерения обеспечивается стабильностью акустического контакта твердых тел через газ; во-вторых, измеряемое усилие прикладывается к упругим элементам и не изменяет параметров пьезоэлементов; в-третьих, чувствительность измерений повышается за счет значительного изменения высокочувствительного режима квазистоячей волны в воздушном слое, под действием измеряемого усилия.

Формула изобретения

Устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных между собой элементом связи пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу и имеющих три наружных обкладки, генератор электрических колебаний, подключенный к одной из наружных обкладок первого пьезоэлемента, блок сравнения сигналов, подключенный к двум другим наружным обкладкам пьезоэлементов, элементы передачи измеряемого усилия и измерительный прибор, отличающееся тем, что в него введены упругие элементы с элементами крепления пьезоэлементов, а элемент связи выполнен в виде воздушного слоя между пьезоэлементами, изменяющего величину пропорционально величине измеряемого усилия, при этом к дополнительной наружной обкладке второго пьезоэлемента подключен дополнительный генератор электрических колебаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1