Устройство для измерения силы

) я. М.,л. 340 ЕРЕНИЯ закрепнт с дву" из котозаряда,О ДЛЯ ИЗ онсольно ьезоэлем ов, одна илителем одУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О ПИСЯНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54)(57) УСТРОЙСТСИЛЫ, содержащееленный биморФныймя парами электррых соединена с состоящим из усилителя, охваченногообратной связью с помощью емкости,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения точности измерениясилы при вариации точки ее приложения, оно снабжено вторым усилителемзаряда и дифференциальным усилителемвходы которого подключены к выходамусилителей зарядов, при этом другаяпара электродов биморного пьезоэлемента подключена к второму усилителю заряда, а отношение емкостей усилителей заряда выбрано равным отношению длин соответствующих парэлектродов.Изобретение относится к техникеизмерения силы, массы, ускорения ндругих величин с помощью примененияпьезоэлектрических преобразователей,работающих на изгиб.Известны устройства для измерениясилы, содержащие консольно закрепленный в опоре пьезоэлектрический преобразователь и электронный усилитель,согласующий преобразователь с оконечным измерительным прибором. В качестне согласующего усилителя в последнее время преимущественно используется усилитель заряда (1).Недостатком этих устройств является нестабильность коэффициента пре"15образования силы в элеатрический сигнал при вариациях точки ее приложения.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности является устройство для измерения силы, содержащее консольно закрепленный биморфныйпьезоэлемент с двумя парами электродов, одна из которых соединена сусилителем заряда, состоящим из усилителя, охваченного обратной связьюс помощью емкости.Работа устройства основана на прямом поперечном пьезоэффекте. Приприложении измеряемой силы к свободному концу преобразователя перпендикулярно его широким граням пьезопластины, в результате изгиба испытывают деформации растяжения-сжатия, такчто возникающие электрические зарядына гранях пластин и снимаемые с элек 35тродов преобразователя сигналы оказываются пропорциональными действующей силе 2),Однако коэффициент преобразованияизвестного устройства зависит от 40координаты точки приложения измеряемой силы на продольной оси преобразователя, что приводит к низкой точности измерений при вариациях места приложения силы. 45 Белью изобретения является повышение точности измерения силы при вариации точки ее приложения.Поставленная цель достигается тем,50 что устройство для измерения силы, содержащее консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент с двумя парами электродов, одна из которых соединена с усилителем заряда, состоящим иэ усилителя, охваченного обратной связью с помощью емкости, снабжено вторым усилителем заряда и дифференциальным усилителем, входы которого подключены к выходам усилителей зарядов, при этом другая пара элект родов биморфного пьезоэлемента подключена к второму усилителю заряда, а отношение емкостей усилителей заря да выбрано равным отношению длин соответствующих пар электродон. 65 На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.устройство содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, консольнозакрепленный в неподвижной опоре 2,первый усилитель 3 заряда с интегрирующим конденсатором 4, второй усилитель 5 заряда с интегрирующим конденсатором б и дифференциальный усилитель 7 напряжения. Преобразователь1, в свою очередь, содержит. две соединенные вместе (например, склеенныеили спаянные) прямоугольные постоянной толщины пьеэопластины 8 и 9,снабженные внутренним электродом 10и днумя внешними электродами, разделенными узкими поперечными зазорами11 и 12 на перную и вторую прямоугольные секции (части) 13, 14 и 15,16 соответственно.Секции 13 и 15 расположены однапротив другой и имеют одинаковыйразмер в направлении продольной осипреобразователя. Аналогично секции14 и 16 расположены одна против другой и имеют одинаковую длину, не равную длине секций 13 и 15. Ширина унсех электродов и пьезопластин одинакова. На пьезопластинах 8 и 9 по всейих ширине предусмотрены прямоугольные участки 17 и 18, свободные отэлектродных покрытий 14 и 16 и расположенные одна против другой. Этиучастки являются местом приложенияизмеряемых сил,Закрепление преобразователя 1 вопоре 2 осуществляется с помощью слояклея 19 или винтового прижима.Все электроды 10, 13-16 снабженыиндивидуальными металлическими выводами 20-24 С их помощью внутренний электрод 10 подключается к общейшине 25, первые секции 13 и 15 внешних электродов параллельно подключаются ко входу 26 первого усилителя 3заряда, а вторые секции 14 и 16внешних электродов - ко входу 27 вто-.рого усилителя 5 заряда. В усилителях 3 и 5 применены. интегрирующиеконденсаторы 4 и б, отношение емкостей которых является равным отношению длин первой и второй секций электродов. Выход усилителя 3 (зажим 28)и выход 29 усилителя 5 подключены кразноименным входам 30 и 31 дифферен"циального усилителя 7, к выходным зажимам 32 и 33 которого подключается .оконечный измерительный прибор (непоказан) .В предпочтительном варианте исполнения пьезопластины 8 и 9 представляют собой пластины Х-среза кварца с одинаковым направлением их кристаллографических осей, причем механическая ось пластины совпадает с продольной осью пластины, оптическая осьнаправлена вдоль ширины пластины, а электрическая ось кристалла кварца109392 Составитель А.Северин Техред А.Ач Корректор А.ференЦ Редактор О.Черниченко Заказ 3413/33 Тираж 823 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул. Проектная, 4 направлена вдоль толщины пластины, например от пластины 9 к пластине 8.Усилители 3 и 5 заряда, выполняемые на базе операционных нысокоомных усилителей постоянного тока имеют в своем составе ключи 34 и 35, шунтирующие соответственно конденсаторы 4 и б. В исходном положении ключи замкнуты, а перед началом эксперимента ключи 34 и 35 одновременно пере ключаются в разомкнутое положение по 10 команде блока Зб управления.Устройство работает следующим образом.Под действием измеряемой силы, приложенной перпендикулярно широкой 15 грани пластины 8, на ее силоприемном участке 17 весь преобразователь 1 изгибается, в результате чего слои пьезопластины 8 испытывают деформации растяжения, а слои пьезопластины 20 9 - деформации сжатия в направлении продольной оси преобразователя, При этом происходит поляризация пьезопластин, причем вектор поляризации направлен в каждой пластине перпендикулярно их главньи граням от внутрен; него слоя к наружным слоям.Заряды, снимаемые с электродов поступают на входы усилителей 3 и 5 и преобразуются далее в напряжения и вычитаются в дифференциальном усилителе 7. Сигнал на выходе усилителя 7 не зависит от точки ее приложения, если отношение емкостей усилителей заряда выбирается равным отношению длин соответствующих пар электродов. 35Предлагаемое устройство может быть выполнено в нескольких вариантах. В частности, в пьезоэлектрическом пре- . образователе 1 одна из пьезопластин может быть заменена упругой прямо О угольной пластиной, например металлической. При этом металлическая подкрепляющая пластина, склеенная с единственной пьезопластиной или с двумя по разные стороны расположенными пьезопластинами, может выполнять Функции электрода 10.В другом варианте исполнения преобразователь 1 может быть выполнен с неразделенными внешними электрода. ми, а поперечным зазором разделяется на дне секции внутренний электрод 1 О При этом внутреннее электродное покрытие наносится не полностью на сопрягаемые грани пьезопластин, а с обеспечением свободного от внутреннего электрода прямоугольного участк: на незакрепленном конце преобразователя.Пьезопластины 8 и 9 могут ныполняться как из кристалла пьезоэлектри ка, так и из пьезокерамики. В послед. нем случае обе пьезопластины на стадии их изготовления поляризуются одинаково в электрическом поле, направленном перпендикулярно широким граням пластин.Усилители 3 и 5 заряда выполняютсм на базе операционных усилителей постоянного тока, имеющих коэффициент усиления по напряжению порядка нескольких десятков тысяч раз, и дополненных электрометрическими входными каскадами. В некоторых случаях усилители 3 и 5 могут представлять собой измерительные электрометрические усилители или повторители напряжения без применения конденсаторсь 4 и 6 в цепях обратной связи.Блок Зб управления ключами 34 и 35 усилителей заряда представляет собой программируемый или переключаемый оператором генератор импульсного напряжения.В качестве ключей 34 и 35 и Формирователей управляющих воздействий в устройстве используются электромагнитные и геркононые реле,Технико-экономическая эффектив- ность предлагаемого устройства заключается в том, что по сравнению с известными устройствами, содержащими консольно закрепленный пьезоэлектрический преобразователь, оно обеспечивает понышение точности измерения силы или массы взвешиваемого предмета при вариациях точки ее приложения на силоприемном участке преобразователя,