Датчик силы

% ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(54)157) ДАТЧИК СИЛЫ, содержащийупругий элемент, на поверхности которого сформированы две тензочувствительные линии задержки поверхностных акустических волн о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюрасширения диапазона измерения иуменьшения температурной погрешности, каждая линия задержки сформиро-.вана на двух пьезоэлектрических пласпластинах, помещенных в пазы упругого элемента при этом между торцами пластин и стенками пазов размещены прослойки из пластичного материала, а пластины каждой пары линии задержки расположены соответст"венно на противоположных сторонахзамкнутого прямоугольника.Изобретение относится к силоизмерительной технике и может применяться как датчик больших сил, например в диапазоне 10-10000 кН.Известно устройство, содержащее упругий элемент в виде кснсольно 5 закрепленной балки из пьезоэлектрического материала, на противоположных поверхностях которой сформированы две линии задержки поверхностных акустических волн, каждая 10 из которых состоит из двух преобразователей встречно-штыревогс типа, подключенных к электронному блоку. При изгибе балки под действием измеряемой силы в линиях задержки получают равные по величине ц противоположные по знаку изменения, обусловленные деформацией областей балки, лежащих между преобразователями. Электронный блок преобразует эти изменения в электрический сигнал, несущий информацию об измеряемой силе (1 .К недостаткам укаэанного устройства относятся невозможность изме( рения больших сил, обусловленная тем, что изготовить иэ пьезоэлектрических материалов крупногабаритные упругие элементы, способные выдерживать большие усилия (например, в диапазоне 10-10000 кН), невозмож О нс, а также низкая вибро- и ударопрочность, обусловленная хрупкостью упругих элементов, изготовленных из пьезоэлектрических материалов.Наиболее близким по технической 35 сущности к предлагаемому является датчик слы, содержащий упругий элемент, на поверхности которого 1 сформированы две тензочувствительные линии задержки поверхностных акустических волн2 ).Недостатки известного датчика заключаются в невозможности измерения больших сил например, в диапазоне 10-10000 кН), обусловленной тем, что нанесение пьезоэлектрической пленки на балки и формирование преобразователей встречно-штыревого типа осуществляются с применением вакуумной технологии осаждения пленок и Фотолитографии. Проведение таких процессов на крупногабаритных упругих элементах, масса которых может. достигать десятков и даже сотен кслиграммсв (например, у датчика силы на 10000 кН), не представ; 55 ляется воэможнью.Кроме того,невозможно формирование тензочувствительных линий задержки в труднодоступных областях упругого элемента, так как вакуумная технология осажцения 6 О пленок и Фотолитография требуют прямого доступа к поверхности подложки (в данном случае упругого элемента), Это значительно сужает количество разновидностей монолит- у ных упругих элементов, которые могут быть применены в устройстве. Недостатком устройства является также значительная температурная погрешность в условиях быстрого изменения температуры окружающей среды.Цель изобретения - расширение диапазона измерения и уменьшение температурнрй погрешности.Указанная цель достигается тем, что в датчике силы, содержащем упругий элемент, на поверхности которого сформированы две тензсчувствительные линии задержки поверхностных акустических волн, каждая линия задержки сформирована на двух пьезоэлектрических пластинах, помещенных в пазы упругого элемента, при этом между торцами пластин и стенками пазов размещены прослойки из пластичнсгс материала, а пластины каждой пары линий задержки расположены соответственно на противоположных сторонах замкнутого прямоугольника. На Фиг, 1 изображен предлагаемый датчик силы; на фиг. 2 - разрез А-А на Фиг. 1; на фиг. 3 - датчик силы, вариант выполнения; на Фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3.Датчик силы (Фиг, 1-2) содержит упругий элемент 1, опирающийся на основание 2. На поверхности упругого элемента 1 сформированы первая и вторая тенэочувствительные линии задержки поверхностных акустических волн. Первая линия задержки содержит возбуждающий 3 и при емный 4 преобразователи встречноштыревого типа, нанесенные на пьезоэлектрические пластины 5 и б которые помещены в пазы 7 и 8 упругого элемента 1. Аналогично, вторая линия эадерхки содержит возбуждающий 9 и приемный 10 преобразователи, нанесенные на пьезоэлектрические пластины 11 и 12, помещенные в пазы 13 и 14 упругого элемента 1. Усилители 15 и 16 подключены своими выходами и входами к преобразователям 3, 4 и 9, 10 соответственно. Быходы усилителей соединены также с входами устройства 17 вычитания частот. Акустические контакты между боковыми стенками пазов и смежными с ними торцами пьезоэлектрических пластин обеспечиваются тонкими клеевыми прсс:;.сйками 18-21 (например, из эпоксидной смолы) (Фиг. 2), Пазы 7, 8, 13 и 14 расположены в слабсдефсрмируемых областях упругого элемента, где напряжения не должны превышать предела прочности клеевых прослоек 18-21. Дефсрмируемая рабочая сбласть 22 испытывает деформацию сдвига, Вы 1045014ход 23 устройства 17 является выходом датчика.Датчик силы (фыг. 3 и 4) позволяет измерять силу натяжения, например, троса. Он содержит упругий элемент 1, работающий на растяжение. На его концах размещены элементы 24 и 25, к которым прикладываются измеряемые растягивающие силы Р, На поверхности упругого элемента сформированы первая линия задержки, 1 О н которой поверхностные акустические волны распространяются перпен" дикулярно направлению дейстния сил Р, и вторая линия задержки, н которой волны распространяются вдоль 15 этого направления. Под действием сил Р длина траектории и задержка поверхностных акустических волн в первой линии задержки уменьшаютсяза счет поперечного сжатия деформируемой области 22 н соотнетстнии с коэффициентом Пуассона), а но второй линии задержки - увеличиваются. Акустические контакты между боковыми поверхностями пазов 7 8, 13 и 14 и смежными с ними торцами пьезоэлектрических пластин 5, б, 11 и 12 обеспечиваются зажатыми между ними прослойками 26-29 из пластичного материала (например, олово). Зажатие осуществляется с помощью прижимных пластин 30-33 и винтов 34-37. Усилие зажатия должно быть таким, чтобы напряжения н прослойках 26-29 превысили предел текучести и прослойки образовали плотный механический контакт с боковыми стенками пазов 7, 8, 13 и 14 и торцами пластин 5, б, 11 и 12. Рассматриваемая конструкция датчика имеет повышенную ремонтопригодность, так как 4 О вышедшие из строя преобразователи 3, 4, 9 и 10 с пьезоэлектрическими пластинами 5 б, 11 и 12 могут быть легко заменены, Пазы 7, 8, 13 и 14 находятся н слабодеформируемых областях упругого элемента. Границы раздела слабодеформируемых областей и деформыруемой рабочей области 22 показаны на фиг. 3 и 4 пунктирными ,линиями 38-40.50В качестве материалов для упругого элемента предлагаемого датчика силы можно использовать сплавы ы стали, для пьезоэлектрических пластин кварц, пьезокерамику. Диапазон возможных рабочих частот линяй задержки 3-20 МГц. В этом диапазоне акустические потери в сталях и сплавах составляют 0,5-5 дБ/см, а общие потери линий задержки могут быть равными 20-40 дБ Применение рабочих бО частот ниже укаэанного диапазона связано с увеличением габаритов линий задержки, Увеличение же частот выше указанного диапазона приводит к неприемлемо большим потерям линий задержки, так как акустические потери н сталях и сплавах растут пропорционально четвертой степени частоты.Датчик работает следующим обраПод действием измеряемой силы Р деформируемая рабочая область 22 упругого элемента испытывает напряжения. Ориентации пазов выбраны таким образом, что поверхностные акустические волны в линиях задерж-. ки распространяются по перпендикулярным траекториям (на Фиг. 1-4 показаны волнистыми стрелками), При деформации области 22 длина траектории и время задержки поверхностных акустических волн в первой линии задержки уменьшаются, а во второй - увеличиваются. В результате частота генератора, образованного усилителем 15 и первой линией задержки, получает положительное приращение, а частота генератора, образованного усилителем 16 и второй линией задержки, - отрицательное приращение. Сигнал на выходе 23 устройства 17 имеет частоту, равную сумме абсолютных значений приращений частот генераторов и пропор- циональную измеряемой силе Р. Изменения частот геНераторов за счет температурных изменений времени задержки линий примерно равны по величине и совпадают по знаку. Пересечение траекторий поверхностных акустических волн обеспечивает увеличение стЕпени идентичности температурных режимов первой и второй линий задержки, так как в этом случае их задержка зависит от температуры одной и той же области упругого элемента, центр которой лежит н месте пересечения траекторий, За счет этого достигается уменьшение температурного дрейфа, нуля, особенно н датчиках, работающих н условиях быстрого изменения температуры окружающей среды, при-, водящего к значительным градиентам температуры упругого эле" мента.В предлагаемом датчике можно всесуществующие разновидности упругих элементов использовать как в тензорезысторньж датчиках силы. При этом линии задержки могут быть сформированы в труднодоступных областях упругого элемента, так как первоначально на пьезоэлектрических пластинах методамы фотолитографии формируются преобразователи встречноштыревого типа, а затем пластины помещаются н пазы упругого элемента. Предлагаемый датчик, сохраняя такие преимущества существующих1045014 датчиков на поверхностных акустических волнах, как высокая линейностьери ктор Ю, Макаренко Тираж 873 Парственного комитета СССРизобретений и открытийЖ, Раушская наб., д. 4/5 одписное илиал ППП "Патент",. г, Ужгород, ул. Проектная, 4 аз 7537/40 ВНИИПИ Го по дела 113035, Мосчастотная форма выходного сигнала, ,позволяет расширить диапазон измеряемых сил до 10000 кН.