устройство для измерения усилий

Формула изобретения

Устройство для измерения усилий, содержащее пьезоэлемент с тремя обкладками, элементы для передачи измеряемого усилия, два генератора электрических колебаний, фазовый детектор, отличающееся тем, что в него введены две катушки индуктивности, подключенные к генераторам электрических колебаний и к двум обкладкам пьезоэлемента, блок счетчиков, счетным входом подключенный к выходу одного из генераторов электрических колебаний, а фазовый детектор выполнен в виде фазового детектора релейного типа, входами подключенный к выходам генераторов электрических колебаний, а выходом - к входу разрешения счета блока счетчиков.

Описание изобретения к патенту

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

Известно устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу, элементы передачи измеряемого усилия, соединенные с пьезоэлементами, элемент связи в виде заземленной прокладки, генератор электрических колебаний, подключенный к наружной обкладке первого пьезоэлемента, блок сравнения, подключенный к двум другим наружным обкладкам пьезоэлементов, и измерительный прибор, подключенный к выходу блока сравнения (см. свидетельство СССР 1164562).

Недостатком указанного устройства является наличие погрешностей, связанных с нестабильностью акустического контакта пьезоэлементов с силопередающими элементами, в частности неидентичностью акустических потерь пьезоэлементов в элементы конструкции устройства.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) является устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных и подключенных друг к другу через элемент связи в виде заземленной прокладки пьезоэлемента, расположенные параллельно друг другу и имеющие по две наружные обкладки, элементы передачи измеряемого усилия, соединенные с пьезоэлементами, два генератора электрических колебаний, подключенные к наружным обкладкам пьезоэлементов, фазовый детектор, подключенный к двум другим обкладкам пьезоэлементов, и блок сравнения сигналов, при этом выход блока сравнения соединен с входом второго генератора, а выход фазового детектора - с измерительным прибором (см. патент РФ 2082121).

Однако описанное устройство не позволяет обеспечить высокую стабильность измерений, во-первых, вследствие нестабильности акустического контакта при работе пьезоэлементов на частоте механического резонанса, во-вторых, из-за неидентичности изменения параметров пьезоэлементов под воздействием окружающей среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство для измерения усилий, содержащее пьезоэлемент с тремя обкладками, элементы передачи измеряемого усилия, два генератора электрических колебаний, фазовый детектор, введены две катушки индуктивности, блок счетчиков, а фазовый детектор выполнен в виде фазового детектора релейного типа. Две катушки индуктивности подключены к двум обкладкам пьезоэлемента и к входам двух генераторов электрических колебаний, другими входами генераторы электрических колебаний подключены к третьей обкладке пьезоэлемента. Выходы генераторов электрических колебаний подключены к входам фазового детектора релейного типа, выход которого подключен к входу разрешения счета блока счетчиков. Счетный вход блока счетчиков подключен к выходу одного из генераторов.

Техническим результатом является повышение стабильности измерения усилий.

Повышение стабильности измерений обеспечивается за счет того, что исключается влияние нестабильности акустического контакта с силопередающими элементами, т.к. генераторы электрических колебаний работают не на частоте механического резонанса, а на частоте резонанса электрического колебательного контура, определяемой параметрами катушек индуктивности и емкостями разделенных обкладок пьезоэлемента, и т. к. вместо двух пьезоэлементов применен один, исключается неидентичность изменения емкостей колебательных контуров от воздействий окружающей среды и времени.

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

Предлагаемое устройство для измерения усилий содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2, пьезоэлемент 12 с тремя обкладками 5, 6 и 7, две катушки индуктивности 8 и 9, силопередающие элементы 10 и 11, фазовый детектор релейного типа 3 и блок счетчиков 4.

Генератор электрических колебаний 1 подключен к последовательно соединенным катушке индуктивности 8 и обкладкам 5 и 7 пьезоэлемента 12, а генератор электрических колебаний 2 - к катушке индуктивности 9 и обкладкам 6 и 7 пьезоэлемента 12. Выходы генераторов электрических колебаний 1 и 2 соединены с входами фазового детектора релейного типа 3. Выход фазового детектора релейного типа 3 соединен с входом разрешения счета блока счетчиков 4. Счетный вход блока счетчиков 4 соединен с выходом генератора электрических колебаний 2.

Устройство для измерения усилий работает следующим образом. Генераторы электрических колебаний 1 и 2 работают на частотах резонанса f₁ и f₂ электрических колебательных контуров. Наличие взаимной емкости между обкладками 5 и 6 обуславливает дополнительно к акустической электрическую связь между генераторами. Режим биений колебаний с частичным увлечением частот обеспечивается при соблюдении условия:



где - коэффициент акустической и электрической связи между генераторами электрических колебаний 1 и 2:

- относительная расстройка частот колебаний генераторов электрических колебаний 1 и 2:



где f₁, f₂ - частоты колебаний генераторов электрических колебаний 1 и 2 соответственно;

U₁, U₂ - амплитуды электрических напряжений на обкладках пьезоэлемента.

Воздействие измеряемого усилия F через силопередающие элементы 10 и 11 приводит к изменению диэлектрической проницаемости пьезоматериала между обкладками 5 и 7 пьезоэлемента 12:



где k_e - коэффициент диэлектрической тензочувствительности материала пьезоэлемента 12;

что в свою очередь обуславливает зависимость емкости С между обкладками 5 и 7 пьезоэлемента 12 от измеряемого усилия F:

C = C₀+C, (4)

где С₀ - емкость пьезоэлемента 12 между обкладками 5 и 7 без воздействия измеряемого усилия F;

C - изменение емкости, вызванное воздействием измеряемого усилия F



где ₀ - диэлектрическая постоянная;

S - площадь обкладки 5;

h - расстояние между обкладками 5 и 7.

Вследствие этого изменяется частота колебаний f₁ генератора электрических колебаний 1:



где L - индуктивность катушки индуктивности 8.

Фазовый детектор релейного типа 3 выдает на вход блока счетчиков 4 сигнал разрешения счета, по длительности равный периоду режима биений с частичным увлечением частот. Таким образом, на выходе блока счетчиков 4 присутствует цифровой код N, являющийся функцией измеряемого усилия F:



Предлагаемое устройство для измерения усилий позволяет значительно повысить стабильность измерений. Во-первых, пьезоэлемент работает не на частоте механического резонанса, чем устраняется влияние нестабильности акустического контакта, т.к. величина акустических потерь пропорциональна величине энергии механических колебаний, запасенной в колебательном контуре. На частоте механического резонанса энергия колебаний сосредоточена в основном в механической части схемы замещения измерительного устройства:

W₀=W"_мех+W"_эл;

W"_мех>>W"_эл; W"_ап~W"_мех, (8)

где W₀ - полная энергия колебательного контура;

W"_мех, W"_эл, W"_ап - механическая, электрическая составляющие полной энергии и энергия акустических потерь колебательного контура при механическом резонансе.

При резонансе в электрической части схемы замещения измерительного устройства имею вид:

W₀=W""_мех+W""_эл;

W""_эл>>W""_мех; W""_мех<, (9)

в итоге W""_ап<W", (10)

где W""_мех, W""_эл, W""_aп - механическая, электрическая составляющие полной энергии и величина акустических потерь колебательного контура при резонансе в электрической части схемы замещения измерительного устройства.

Следовательно, акустические потери уменьшаются, во-первых,пропорционально уменьшению механической составляющей энергии колебаний. Во-вторых, оба генератора электрических колебаний устройства подключены к одному пьезоэлементу, что значительно уменьшает влияние на результаты измерений нестабильности свойств пьезоматериала при воздействии дестабилизирующих факторов окружающей среды.