Способ калибровки преобразователей переменной силы

Предложен способ измерения силы, приложенной к преобразователю переменной силы, для его последующей калибровки. При этом переменная сила, возбужденная возбудителем переменной силы 8, преобразовывается посредством упругого элемента 4 в упругую деформацию, которая измеряется при помощи лазерного интерферометра 1. 2 ил.

 

Суть изобретения

Способ калибровки преобразователей переменной силы с использованием лазерного интерферометра, основанный на измерении деформации упругого элемента, пропорциональной возбужденной силе.

Описание изобретения

Изобретение используется при калибровке, поверке, испытаниях преобразователей переменной силы.

Известен способ калибровки преобразователей переменной силы с применением сравнения сигналов эталонного и калибруемого преобразователей (техническая документация фирм «РСВ Piezotronics», США; «Kistler», Швейцария). Способ основан на использовании гидравлического принципа возбуждения силы. Недостаток: не позволяет калибровать преобразователи в широком диапазоне частот.

Другим известным способом является вибрационный способ калибровки преобразователей переменной силы с последовательным применением двух различных масс (техническая документация фирмы «Брюль и Кьер», Дания. «Преобразователи силы типов 8200 и 8201», 1994 г.). Способ заключается в том, что калибруемому преобразователю переменной силы придают синусоидальные механические колебания при последовательном применении двух различных масс, закрепляемых на нем, что вызывает инерционные силы, пропорциональные закрепляемым массам. Измеряются значения масс и ускорений и определяется коэффициент преобразования калибруемого преобразователя силы из двух уравнений, составленных на основе второго закона Ньютона. Недостатком описанного способа, предусматривающим использование однонаправленного механического движения, является большая неопределенность калибровки за счет наличия поперечных и изгибных колебаний, нарушающих однонаправленность движения. Кроме того, способ является достаточно трудоемким, так как предусматривает двойной эксперимент (для каждой из двух масс) и не обеспечивает возможность калибровки на иных, нежели синусоидальном, возбуждениях. Также, поскольку преобразователи силы калибруются в «свободном» состоянии (т.е. закрепленными на одну поверхность), возникают погрешности, характерные для режимов измерений преобразователей в реальных условиях эксплуатации, т.е. закрепленных за обе поверхности. Получаемые этим способом метрологические характеристики преобразователей неадекватны таковым при практическом использовании преобразователей, помещенных между двумя поверхностями. Этот факт является причиной появления неучитываемой при измерениях составляющей неопределенности, которая может иметь значительную величину.

Цель изобретения - повышение точности и расширение частотного диапазона калибровки преобразователей переменных сил. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что переменная сила, возбужденная возбудителем переменной силы, преобразовывается посредством упругого элемента в его упругую деформацию, пропорциональную возбужденной силе. Величина упругой деформации измеряется лазерным интерферометром.

Способ поясняется рис. 1.

В соответствии с законом Гука в области упругих деформаций деформация, возникающая в упругом теле, линейна и пропорциональна приложенной к этому телу силе. При превышении предела пропорциональности связь между силой и деформацией становится нелинейной.

Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от геометрических размеров упругого тела. Зависимость коэффициента упругости от соотношения размеров упругого тела (площади поперечного сечения S и длины Г) можно выразить следующим соотношением:

где:

Е - модуль упругости, являющийся механической характеристикой материала упругого тела.

Если обозначить относительное удлинение как

а механическое напряжение в поперечном сечении как

где:

F - сила, приложенная к упругому телу;

S - площадь поперечного сечения упругого тела,

то закон Гука в относительной форме запишется как:

Следовательно, представляется возможным откалибровать при помощи эталона упругий элемент калибровочной установки таким образом, чтобы в диапазоне упругих деформаций он имел известную зависимость упругой деформации 6 от приложенной силы F, осуществляя таким образом функцию преобразования силы в упругую деформацию, которая может быть измерена лазерным интерферометром. Эта известная зависимость в дальнейшем будет использоваться как эталонная при калибровке других преобразователей переменной силы. Конструктивно упругий элемент является частью крышки калибровочной установки, в которой (крышке) выполнена концентрическая кольцевая проточка (ряд проточек) определенной глубины, ширины и радиуса. На внешний торец упругого элемента нанесено отражающее покрытие для возможности измерений его упругой деформации посредством лазерного интерферометра. Внешний вид упругого элемента схематически изображен на рис. 2.

Способ позволяет использовать различные по форме возбуждающие силы, что обеспечивает калибровку не только на синусоидальном, но и других по форме (прямоугольный, треугольный, случайный и их комбинациях, серии последовательных импульсов) силах, соответствующих режимам измерений преобразователей в реальных условиях эксплуатации, и позволяет определять амплитудно- и фазочастотные характеристики преобразователей в широком диапазоне частот (от 1 Гц до 20⋅10³ Гц).

Краткое описание чертежей

На рис. 1 схематически изображено устройство для калибровки преобразователей переменной силы с использованием лазерного интерферометра.

Перечень позиций к рис. 1:

1 - лазерный интерферометр;

2 - отражающее покрытие;

3 - кольцевая проточка;

4 - упругий элемент;

5 - корпус;

6 - калибруемый преобразователь переменной силы;

7 - измерительный усилитель;

8 - возбудитель переменной силы;

9 - генератор.

На рис. 2 схематически изображена конструкция упругого элемента калибровочной установки.

Перечень позиций к рис. 2:

2 - отражающее покрытие;

3 - кольцевая проточка;

4 - упругий элемент.

Способ измерения силы, приложенной к преобразователю переменной силы, для его последующей калибровки, отличающийся тем, что переменная сила, возбужденная возбудителем переменной силы 8, преобразовывается посредством упругого элемента 4 в упругую деформацию, которая измеряется при помощи лазерного интерферометра 1.