Датчик силы

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН С 01 Ь 1/1 ОБ НИЯ ПИСАНИЕ СТВ ША У 3878477, 1974.видетельство ССС 1 1. 1/16,25.088 ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ТОРСКОМ,Ф СВИДЕ(71) Омский политехнический институт(54)(57) ДАТЧИК СИЛЫ, содержащийпьезопластину, на одной стороне которой расположен спиральный преобразователь поверхностных акустическихволн, подключенный к выводам усилителя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения чувствительности,он снабжен двумя усилителями, одиниз которых дифференциальный, двумя 801113689 А встречно-штыревыми преобразователями, двумя фазовыми детекторами и дополнительным спиральным преобразователем поверхностно-акустических волн, расположенным на противоположной стороне пьезопластины и соединенным с усилителем, при этом одни входы фазовых детекторов соединены с выходами соответствующих . усилителей, а другие входы - с первыми выводами встречно-штыревых преобразователей, вторые выводы которых заземлены, причем выходы фазовых детекторов соединены с входами дифференциального усилителя, пьеф зопластина выполнена с плоскими гранями,а встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн размещены на тех же сторонах пьезопластины, что и спиральные префсобразователи,10 15 20 25 30 35 40 45 50 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий в машиностроении,Известны датчики силы, в которых изменение времени запаздывания поверхностных акустических волн преобразуется в частоту или напряжение. Указанный датчик силы содержит консольно закрепленную пьезопластинку прямоугольного и равного сечения, к свободному концу которой прикладывается перпендикулярно ппоскости пл аст инки измеря емая сил а, у силитель, фазовый детектор. На поверхности пьезопластинки нанесены возбуждающий и приемный преобразователи поверхностных акустических волн, образуя линию задержки. Пье- зопластинка с нанесенными преобразователями является чувствительным элементом датчика. Под действием измеряемой силы чувствительный элемент деформируется, в результате чего изменяется время запаздывания поверхностных акустических волн. В автогенераторном варианте датчика (при измерении статических и квазистатических усилий) преобразователи подключены к входу и выходу усилителя. При измерении переменных усилий с целью последующего, например, спектрального анализа измеряемая величина преобразуется в напряжение. В этом варианте датчика электрический сигнал на возбуждающий преобразователь чувствительного элемента подается от внешнего генератора, возбуждающий и приемный преобразователи соединены с входами фазового детектора, Для уменьшения дестабилизирующего влияния температуры и увеличения коэффициента преобразования измеряемой величины в частоту или напряжение датчик выполняется по дифференциальной схеме 13. Однако коэффициент преобразования измеряемой силы в деформацию, соответствующую результирующему фазовому сдвигу, в данном чувствительном элементе мал, так как он зависит при прочих равных размерах (толщине и щирине пьезопластинки) от расстояния между заделкой и геометрическим центром линии задержки.Наряду с этим уменьшение погрешности измерения от температуры в автогенераторном варианте датчика синыограничено неидентичностьюпараметров усилителей. Разнесение чувствительного н активных элементов нарасстояние, включающее дестабилизирующее влияние температуры на усилители, осложняется тем, что каждаяполовина дифференциального чувствительного элемента подключается к усилителю по схеме четырехполюсника,при этом число соединительных кабелей увеличивается,Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является датчик силы, содержащий пьезопластину,.на одной стороне которой расположенспиральный преобразователь поверхностных акустических волн, подключенный к выводам усилителя 12 3.Недостатком устройства являетсянизкая чувствительность.Цель изобретения - повышение чувствительности устройства.Цель достигается тем, что датчиксилы, содержащий пьезопластину, наодной .стороне которой расположенспиральный преобразователь поверхностных акустических волн, подключенный к выводам усилителя, снабжен двумя усилителями, один из которых дифференциальный, двумя встречно-штыревыми преобразователями, двумя фазовыми детекторами и дополнительным спиральным преобразователемповерхностно-акустических волн, расположенным на противоположной стороне пьезопластины и соединеннымс усилителем, при этом одни входыфазовых детекторов соединены с выходами соответствующих усилителей,а другие - с первыми выводами встречно-штыревых преобразователей, вторыевыводы которых заземлены, причемвыходы фазовых детекторов соединеныс входами дифференциального усилителя, пьезопластина выполнена с плоскими гранями, а встречно-штыревыепреобразователи поверхностных акустических волн размещены на тех же сторонах пьезопластины, что и спиральные преобразователи. На чертеже представлен общий вид датчика силы.Датчик силы состоит иэ пьезопластинки 1 из ниобата лития У-среза, преобразователей поверхностных акустических волн 2,3 у виде прямоугольных спиралей, усилителей 4,5,113689 4 пластинки 1 возникают локальные преобразователями 2,6 с одной стороны пьезопластинки 1 и 3 - с другой, причем как девиация частоты, так и изменение запаздывания поверхностных акустических волн вызывает увеличение результирующего фазового сдвига в каждой из половин датчика, Таким образом., при деформации пьезопластинки 1 силой изменяется напряжение на выходах фазовых детекторов 8,9 и 1 О 15 20 .далее на выходе дифференциального 25 3 1 преобразователей поверхностных акустических волн 6,7, например, встречно-штыревого типа, фазовыхдетекторов 8,9,дифференциального усилителя 10, поглотителя поверхностных акустических волн 11. Преобразователи 2,3 расположены от заделки на расстоянии порядка 4 Ь, где 1 - толщина пластинки 1, а преобразователи Ь и 7 на таком же расстоянии от свободного конца пластинки 1. Период витков преобразователей 2,3 поперек пластинки 1 выбирается таким образом, чтобы К, =У, где У и У частоты акустического синхронизма для продольного и поперечного направления распространения волн, а расстояниеот кромок пластины 1 до геометрического центра преобразователей 2,3 было кратно целомуОЭ иРчислу полуволн 1.= -- = - где А2 2 ухдлина волны; 72 - скорость распространения волны в поперечном направлении. Период встречно-штыревых структур приемных преобразователей 6,7 равен периоду витков в преобразователях 2,3, расположенных в продольном направлении.Датчик силы работает следующим образом.1 При подключении усилителей 4,5 к преобразователям 2,3 в результате отражения волн от кромок пластинки 1 возбуждаются стоячие поверхностные акустические волны. Наведенные при резонансе электрические заряды распределяются по соответствующим виткам спиральньж преобразователей 2,3, в результате на поверхностях пластинки 1 в продольном направлении возбуждаются бегущие волны, которые преобразуются приемными преобразователями 6,7 в электрические сигналы. Разность фаз сигналов с выходов усилителей 4,5 и преобразователей 6,7 детектируется соответствующими фазовыми детекторами 8,9, а разность напряжений с выходов детекторов 8,9 усиливается дифференциальным усилителем 10. Когда величина усилия равна нулю ( Р = О), напряжения на выходах детекторов 8,9 незначительно отличаются, так как Р = Р и сигнал с выхода усилителя 10 имеет фиксированное значение. При нагружении чувствительного элемента силой (РФ О) в зоне заделки пьезо 30 35 40 45 50 55 механические напряжения, что вызывает изменение частот , и Х, автогенераторов с "поперечными" резонаторами. Резонансные частоты автогенераторов изменяются на одну иту же величину, но с противоположными знаками. Наряду с этим происходит деформация звукопровода между усилителя 10.Принцип работы датчика можно пояснить также с помощью следующих соотношений, Считая, что амплитудная модуляция автогенераторов пренебрежимо мала, а амплитуды сигналов спервого и второго автогенераторов,коэффициенты передачи соответствующих линий задержки и фазовьж детекторов незначительно отличаются друг от друга, выражения для напряжений1 с выходов первого и второго фазовых детекторов 8,9 имеет видиФ=О- ц;Е ч Ф)1 о;ье,"СЮгде= 12 Ци = Оо - напряжения, соответствующие начальному фазовому сдвигу при Р= 0; ьИ,ьФЦ - приращение напряжения при 1-+ О, обусловленное изменением частоты авто- генератора; ь Ц ь ф" Р)1 - поиоащение напряжения при РФ О, обуслов 4ленное изменением времени запаздывания поверхностных акустических волн. Знаки "+ или "- определяют приращение напряжений, соответствующее результирующему фазовому набегу поверхностных акустических волн, распространяющихся на верхней или нижней поверхности пьезопластинки 1. Например, при деформации растяжения на верхней и деформации сжа- тия на нижней поверхностях пьезопластинки 1 из ниобата лития У -среза с 1 поперечным" резойатором, расположенным вдоль оси Е и линиями задержки вдоль оси Х, приращения напряжений имеют соответственно знаки11+ 1 11 11Заказ 6609/35 Тираж 822 Подписное Ф ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Результирующее напряжение на выходе дифференциального усилителя 10 .выражается какО(В 1.аО 1 М(Г)д.дцГд Е ФП С 1) где К - коэффициент передачи усилителя.Компоненты фазовых сдвигов ЬЩможно представить следующим образом. Фазовый сдвиг приО, вызванный из.менением резонансной частоты авто- генераторов, равенаЧ (И=80 дбУ) Ж 1 (2, где дЕ В) - девиация частоты автогенераторов;ЗР- - время задержки;1 - расстояние между центрами преобразователей2,6 и 3,7;- .скорость волны.Фазовый сдвиг при Н О, обусловленный изменением времени запаздывания волн, возбужденных преобразователями 2,3 и принятых преобразователями 6 7, равенур,(ВМОМ Ий-А) 1., - (3) где М д - относительное изменение длины линии задержки;8 Ч=дlч - относительное изменение скорости поверхностной акустическойволньц1"1= . - относительная длина4 Елинии задержки в длинах волн.Из выражения (1) видно, что эф-фект увеличения выходного сигнала датчика достигается наряду с вклю="чением чувствительных элементов подифференциальной схеме также за счетдополнительного фазового сдвига, 5 обусловленного изменением частотыавтогенератора. Величины измененияфазовых сдвигов согласно (2) и (3)для указанной ориентации чувствительных элементов соизмеримы и таким образом результирующее изменение напряжения в каждой из половиндатчика увеличивается в два раза,Наряду с этим при измерении статических усилий в устройстве используются и частотные выходы автогенератора, которые также могут бытьсоединены по дифференциальной схеме,Технико-экономическая эффективность устройства характеризуетсяследующим: для указанной ориентациичувствительного элемента относительно кристаллографических осей крутизна преобразования по аналоговому 25выходу увеличивается в два раза;.интегральным иСполнением упругогои чувствительного элементов; увеличением коэффициента использованиядеформации чувствительного элемен-, 30 та эа счет локализации поперечных"резонаторов вблизи заделки и акустической развязки между чувствительным элементом и элементами конструкции датчика; датчик позволяет из-.35 мерять как статические, так и изменяющиеся во времени усилия, приэтом обеспечивается частотный и аналоговый выходы.