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, блок компенсации, подключенный к выходу блока счетчиков, и три обкладки на пьезоэлементе, две из которых подключены к выходам блока компенсации, а третья и одна из уже имеющихся - к входам двух генераторов электрических колебаний, кроме того, 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. авторское свидетельство СССР 1164562).

Недостатком указанного устройства является низкая чувствительность к измеряемой величине, т.к. на выходе устройства постоянное напряжение изменяется в пределах нескольких вольт.

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 чувствительность, т.к. реализуется линейная зависимость выходного сигнала от измеряемой величины.

Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство для измерения усилий, содержащее пьезоэлемент с тремя обкладками, элементы для передачи измеряемого усилия, два генератора электрических колебаний, фазовый детектор, введены две катушки индуктивности, блок счетчиков, блок компенсации, три обкладки на пьезоэлементе, причем фазовый детектор выполнен в виде фазового детектора релейного типа. Две катушки индуктивности подключены к двум обкладкам пьезоэлемента и к двум входам генераторов электрических колебаний. Другими входами генераторы электрических колебаний подключены к двум другим обкладкам пьезоэлемента, выходы генераторов электрических колебаний подключены к входам фазового детектора релейного типа. Вход разрешения счета блока счетчиков подключен к выходу фазового детектора релейного типа, а счетный вход - к выходу одного из генераторов электрических колебаний, выход блока счетчиков подключен к входу блока компенсации, выходы которого подключены к двум обкладкам пьезоэлемента.

Техническим результатом является повышение чувствительности к измеряемой величине.

Технический результат достигается за счет того, что реализуется нелинейный режим бифуркации связанных колебаний генераторов, для чего вводятся блоки, позволяющие поддерживать этот высокочувствительный режим.

Изобретение поясняется чертежом, где схематично изображено устройство для измерения усилий.

Предлагаемое устройство для измерения усилий содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2, пьезоэлемент 8 с шестью обкладками 9, 10, 11, 12, 13 и 14, две катушки индуктивности 6 и 7, фазовый детектор релейного типа 3, блок счетчиков 4, блок компенсации 5 и силопередающие элементы 15 и 16.

Генератор электрических колебаний 1 подключен к образующим колебательный контур катушке индуктивности 6 и обкладкам 9, 10 пьезоэлемента 8, а генератор электрических колебаний 2 - к катушке индуктивности 7 и обкладкам 11, 12 пьезоэлемента 8. 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. Вход блока компенсации 5 соединен с выходом блока счетчиков 4, а выходы блока компенсации 5 соединены с обкладками 13 и 14 пьезоэлемента 8.

Устройство для измерения усилий работает следующим образом. Генераторы электрических колебаний 1 и 2 работают на частотах f₁ и f₂ резонансов электрических колебательных контуров. Генераторы электрических колебаний 1 и 2 связаны между собой электрически через взаимную емкость между обкладками 9 и 11 и акустически через пьезоэлемент 8. Режим биения колебаний с частичным увлечением частот обеспечивается при соблюдении условия



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

= (f₂-f₁)/(f₁+f₂) - относительная расстройка частот колебаний генераторов электрических колебаний 1 и 2, 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 15 и 16 приводит к изменению диэлектрической проницаемости ₁ пьезоматериала между обкладками 9 и 10 пьезоэлемента 8:

₁ = ₁(F), (2)

что, в свою очередь, обуславливает зависимость емкости С₁ между обкладками 9 и 10 пьезоэлемента 8:

C₁=₂(F). (3)

Вследствие этого изменяются частота колебаний f₁ генератора электрических колебаний 1 и относительная расстройка частот генераторов электрических колебаний 1 и 2:

f₁=₃(F); (4)

= ₄(F). (5)

Следовательно, изменится частота биения колебаний связанных генераторов электрических колебаний 1 и 2:

= ₅(F). (6)

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

N=₆(F). (7)

Чувствительность к величине измеряемого усилия F тем выше, чем больше значение N, т.е. при меньшей частоте биения связанных колебаний :



где f₀=(f₁+f₁)/2 - средняя частота колебаний генераторов.

Т. о. , максимальная чувствительность нелинейного режима биения с частичным увлечением частот достигается при



Цифровой код N подается на вход блока компенсации 5, который выдает компенсирующее напряжение U_к на обкладки 13 и 14 пьезоэлемента 8, что приводит к изменению диэлектрической проницаемости ₂ пьезоэлемента 8 между обкладками 11 и 12:

₂ =₇(U_к), (10)

что обуславливает изменение емкости С₂ между обкладками 11 и 12 пьезоэлемента 8:

C₂ = ₈(U_к). (11)

Вследствие этого изменятся частота колебаний f₂ генератора электрических колебаний 2 и относительная расстройка частот генераторов электрических колебаний 1 и 2:

f₂=₉(U_к); (12)

= ₁₀(U_к). (13)

Следовательно, изменится частота биения колебаний связанных генераторов электрических колебаний 1 и 2:

= ₁₁(U_к). (14)

Блок компенсации 5, анализируя изменение цифрового кода на выходе фазового детектора релейного типа, выдает напряжение компенсации U_к, которое компенсирует изменение параметров режима биения с частичным увлечением частот, вызванное приложенным усилием F, и сохраняет их на заданном уровне, т.е.

= const = ₄(F) = -₁₀(U_к); (15)

= const = ₅(F) = -₁₁(U_к). (16)

Таким образом, напряжение компенсации U_к, которое выдается на выход устройства, пропорционально приложенному усилию F:

U_к~F. (17)

Предлагаемое устройство для измерения усилий позволяет значительно повысить чувствительность к измеряемой величине, т.к. позволяет поддерживать нелинейный режим работы.