Частотный преобразователь усилий

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 19) 111)/1 О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР(56) Авторское свидетельство СССР Ф 576578, кл. С О 1 1, 1/1 О, 1976,Измерительные преобразователи механических и тепловых величин на базе микроэлектроники. М., МДНТП им. Дзержинского, 1980, с. 154-157,(54) ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСИЛИЙ(57) Изобретение относится к измериельной технике и может быть испол зовано в качестве частотного датчикаусилий, Целью изобретения яляетсяповышение точности. Цель достигаетсятем, что контакты 2 и 3, расположенные на резонаторе 1 в виде ленты,выполнены с переменной шириной подлине резонатора, описываемой уравнением второй производной упругойлинии резонатора при поперечных колебаниях. На резонаторе расположентензоэлемент, соединенный электрически с помощью усилителя с контактами2 и 3, К резонатору прикладываетсяизмеряемая сила, изменяющая частотуего колебания, по которой судят обизмеряемом усилии, 3 ил,Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве частотного датчикаусилий.Цель изобретения - повышение точности,На фиг. 1 изображен график первойформы колебаний резонатора; нафиг. 2 - соответствующая эпюра изгибающих моментов; на фиг. 3 - конструкция частотного преобразователяусилий, аксонометрия (металлизированные дорожки и усилитель не показаны) .15Частотный преобразователь усилийсодержит резонатор 1 в виде ленты(струны), воспринимающий измеряемоеусилие, на поверхности которого выполнены фигурные металлизированныеконтакты 2 и 3 возбуждения. В резонаторе (перед операцией металлизации)вьполнен участок .4 с проводимостью,обратной по отношению к исходноймонокристаллической пластине 5 (например, если исходная пластина 5имеет проводимость и"типа, то учас+ток 4 имеет проводимость р -типа),Металлизированные контакты 2 и 3ВыпОлнены непосредственно няд участками 4 и образуют с ними электрические контакты, Таким образом, создаются спаи металл-полупроводник, посути представляющие собой термоэлектрический элемент. Оба элемента спаяметаллизированные контакты 2 и 3 иучасток 4 или по крайней мере участок4 или контакты 2 и 3 выполнены фигурными, причем их конфигурация повторяет Форму кривой 6 (Фнг.2) при не 40обходимости попер ечных колебанийрезонатора только на основной частоте по первой Форме колебаний (фиг.1),При необходимости иных собственныхчастот системы и соответственно иныхформ колебаний резонатора (т,е. упру.45гой линии) конфигурация спаев термоэлемента повторяет форму кривой 6для данного конкретного случая. Между элементами спаев - контактами 2и 3 выполнены зазоры во избежание 50короткого замыкания между ними (зазоры могут быть выполнены, например,как показано на фиг. 3, где зазорыв металлизированных контактах выполнены в непосредственной близости от 55узловых точек 7 кривой б, а в участке 4 Р -типа под срединной частьюконтакта 2). На резонаторе 1 исходной пластины 5 выполнены приемник 8поперечных колебаний, представляющийсобой мост Уитстона из тензорезисторов, образованных диффузией примесиили ионным легированием. В целяхснижения занимаемой на резонаторе 1площади функции активного (тензочувствительного) элемента может выполнять лишь одно плечо (резистор)приемника 8 (как показано на Фиг3),Вся конструкция частотного преобразователя усилий и его элементов выполнена стандартными методами микроэлектроники,lРезонатор может иметь форму и закрепление, отличные от представленных на Фиг, 3 (например, резонаторможет быть выполнен в виде, мембраны,закрепленной на различных растяжкахи пр.). Следует учесть, что при этомсобственные формы колебаний такжеопределяются решением уравнения свободных колебаний резонатора с учетомкраевых условий задачи. Конфигурацияспаев термоэлемента в этом случаетакже ограничена кривой, описываемойуравнением второй производной упругой линии резонатора (с точностьюдо коэффициента).Частотный преобразователь усилийстроится по известной структурнойсхеме датчика с резонатором в автоколебательном режиме, при этом резонатор питается через возбудитель отусилителя, на вход которого поступает через приемник выходной сигналэтого же резонатора. Как известно,самовозбуждение такой замкнутой сис-темы происходит в том случае, еслиее усиление (в разомкнутом виде)превышает единицу, а суммарный Фазовый сдвиг всех звеньев равен нулюили целому числу полных периодов.Диагональ питания мостовой схемы(приемник 8 поперечных колебаний)подключают к источнику питания, аизмерительная диагональ через усилитель связана со спаями - контактами2 и 3 термоэлемента. Подключение кчнешней аппаратуре (источнику постоянного питания и регистрирующейаппаратуре) осуществляют с помощьюпроводников (не показаны), Оба контакта запараллелены.Частотный преобразователь усилийработает следующим образом.Пластину 5 с сформированным в нейрезонатором 1 закрепляют на объектегде х 25 К ЗО 35 г ) Фиг. 2 5 161 измерения. При протекании через контакты 2 и 3 импульсного тока соответствующие участки резонатора 1 в местах спаев нагреваются или охлаждаются согласно эффекту Пельтье, т.е. в резонаторе создается переменный градиент температуры, а возникающие при этом термоупругие напряжения вызывают изгиб резонатора по необходимой (например, первой) форме колебаний, При прохождении тока обратной полярности происходит изменение знака термоупругих напряжений в резонаторе и резонатор изгибается в противоположное положение. Происходит периодический нагрев и охлаждение в зонах спаев 2 и 3 с частотой, равной собственной частоте резонатора.При приложении к пластине 5 усилия 9 происходит деформация резонатора 1, что приводит к изменению его собственной частоты, Возникающая при этом разность частот между колебаниями недеформированного и нагруженного резонатора пропорциональна измеряемой величине усилия. Изгибные колебания резонатора изменяют сопротивление тензорезисторов и с измерительной диагонали моста снимаются приращение напряжения той же частоты. Усилитель - преобразователь преобразует это напряженке в переменное напряжение выходного сигнала и в импульсы тока, поступающие на контакты термоэлемента.Формула изобретения,Частотный преобразователь усилий, содержащий резонатор в виде ленты с 0318 6расположенными на нем тензоэлементами и контактами, соединенными между собой электрически с помощью усилителя, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точности, контакты выполнены с переменной шириной по длине 1 резонатора, описываемой уравнением ОТ(К,1)(х) = В 8(Кх) ф Т(Кх)1 координата длины резонатора,коэффициент, зависящий от геометрии резонатора и его физико-механических свойств;2