Устройство для измерения усилий

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 51) С 01 енеро ЗМЕРЕНИЯ ьно закреписточника х волн, под.отсчетноещ е е с я с-Ф е о-аз ния чувствисчет уменьшеействий надве струкв с элекзатворов и УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТДЕЛАМ ИЗОБРГТЕНИЙ И ОТКР(71) Куйбьппевский институт инжжелезнодорожного транспорта(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛИЙ, содержащее консо ленную пьезопластину, дв поверхностных акустическ ключенных к генератору, устройство, о т л и ч а тем, что, с целью повьппе тельности и точности за .ния влияния внешних возд измерение, в него введен туры полевых транзисторо тродами в виде истоков,ЯО 134889 стоков, упоры и вторая пьезопластина с вогнутой рабочей поверхностью, при этом середина дуги ее рабочей поверхности расположена с зазором напротив свободного края консольной пластины, противоположный край которой неподвижно закреплен с помощью упоров на второй пьезопластине, при этом на свободном краю консольной пластины, на ее концах, размещены структуры полевых транзисторов с электродами, параллельными плоскости консольной пластины, причем истоки и затворы расположены так, что расстояние между .ними кратно нечетному числу акус Р тических полуволн заданной длины и смещены ближе к рабочей поверхности второй пьезопластины чем стоки, при Яф этом истоки и стоки подключены к от-счетному устройству, а источникиповерхностных акустических волн ра положены на рабочей поверхности вт рой пьезопластины диагонально по р ные стороны консольной пластины па-радлельно электродам полевых транзис,рфдь торовООИзобретение относится к контроль- но-измерительной технике, конкретнее к измерению усилий с помощью поверхностных акустических волн, и может быть использовано в любых областях народного хозяйства для измерения усилий, ускорения, вибраций,Известно устройство для измерения усилий, состоящее из пьезопластины со встречно-штыревыми преобразователями, упругой мембраны, на которую воздействует внешнее усилие Я .Принцип действия известного устройства основан на изменении скорости15 распространения поверхностных акустических волн от приращений модуля упругости под воздействием внешних усилий.Недостатком этого устройства явля 20 ется низкая точность измерения при широком диапазоне измеряемых усилий, обусловленная малой величиной приращения модуля упругости под воздействием внешних усилий.Известен пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий консольно закрепленный в корпусе пьезоэлемент с электродами, инерционную массу присоединенную к свободноФ30 му концу пьезоэлемента, усилитель, связанный с электродами, корректирующее звено, принцип действия которого основан на изменении скорости распространения поверхностных акусти-. ческих волн от приращений модуля упругости под воздействием внешних. усилий 2.Недостатком этого устройства является низкая точность измерения пришироком диапазоне измеряемых усилий, обусловленная малой величиной приращения модуля упругости под воздействием внешних усилий.Наиболее близким по технической сущности к изобретению .является устройство для измерения усилий, содержащее консольно закрепленную пьезопластину, два источника поверхностных акустических волн, подключенных к генератору и отсчетное устройство, 50Принцип действия известного устройства основан на измерении скорости распространения поверхностных акустических волн от приращений модуля упругости под воздействием внеш них усилий 2 .Недостатками этого устройства являются низкая точность измерения при широком диапазоне измеряемых усилий, малая величина приращения модуля упругости под воздействием внешних усилий.Цель изобретения - повышение чувствительности и точности за счет уменьшения влияния внешних воздействий наизмерение,ф Цель достигается тем, что в устройство, содержащее консольно закрепленную пьезопластину, два источника поверхностных акустических волн, подключенных к генератору, и отсчетФное устройство, введены две структуры полевых транзисторов с электродами в виде истоков, затворов и стоков, упоры и вторая пьезопластипа с вогнутой рабочей поверхностью, при этом середина дуги ее рабочей поверхности расположена с зазором напротив сво 1бодного края консольной пластины;, противоположный край которой не- подвижно закреплен с помощью упоров па второй пъезопластине, при этом на свободном крае консольной пластины 1 на ее концах, размещены структуры полевых транзисторов с электродами, параллельными плоскости консольной пластины, причем истоки и затворы расположены так; что расстояние между ними кратно нечетному числу акустических полуволн заданной длины и смещены ближе к рабочей поверхности второй пъезопластины чем стоки, при этом истоки и стоки подключены к отсчетному устройству, а источники поверхностных акустических волн расположены. на рабочей поверхности второй пьезопластины диагонально:1 по разные стороны консольной пластины параллельно электродам полевыхтранзисторов,На фиг. 1 изображена структурнаясхема устройства; на фиг, 2 - вид на1торец консольной пластины со стороныполевых транзисторов.Один торец упругого элемента ввиде пьезопластины 1 закреплен не-,.подвижно посредством упоров 2 относительно пь"зопластины 3 и на его противоположном торце расположены истоки 1, затворы 5, стоки б, структуры полевых транзисторов 7. Стоки ботносительно истоков 4,(выходныеэлектроды) подключены к отсчетномуустройству 8. Источники поверхностных акустических волн 1 ПВА) 9, 10,расположенные на противоположньи1134 концах параллельных раздельных звукопроводов 11, 12, подключены кгенератору электрических сигналова 13 фУстройство работает следующим образом. 5В исходное состоянии, когда наупругий элемент .1 не действует внешнее усилие, его торец с истокамии затворами 4, 5 находится на рав- сном расстоянии от источников ПВА 9, 1010. В этом случае время распространения электрических сигналов от генератора 13 до истоков затворов 4,5 будет одинаковым. Прохождение ПАВв звукопроводах 11, 12 пьезопластины 3 вызывает появление электростатических зарядов над истоками 4,затворами 5 (выполненными, например,из металла), которые усиливаются вструктурах полевых транзисторов 7 и 20с их стоков 6 и истоков 4 поступаютна отсчетное устройство 8,Каждая структура полевых транзисторов 7, в которые входят исток 4,затвор 5, сток 6, расположена на 25торце упругого элемента 1 раздельно над каждым звукопроводом 11, 12,1 Входные электроды (истоки и затворы)расположены ближе к звукопроводам,чем выходные электроды (стоки) нарасстояние, примерно 0,1-1 мм. Поэтому электрические заряды, сформирован-ные на пьезолластине 3, оказываютвоздействие в основном только на входные электроды (исток, затвор) полевых транзисторов 7, которые усиливаютэлектрические сигналы с большим отношением сигнал/шум, что повышает точность измерения. Цепь питания структур транзисторов по постоянному току 40на чертеже не показана,Истоки и затворы расположены параллельно между собой на расстоянииравным нечетному числу длин полуволнакустических колебаний в пьезопласти не, что позволяет только в этом случае усиливать электрические сигналыструктурами полевых транзисторов 7,8894а усиленные сигналы привязывать пофазе к колебаниям генератора 13, чтотакже повышает точность измерения,Пьезопластина З.выполнена с вогнутой цилиндрической поверхностью,на которой по окружности поверхностирасположены два звукопровода 11,12 с источниками встречных направлений поверхностных акустических волн9, 10.При воздействии внешнего усилия(ускорения) торец упругого элемента 1с истоками и затворами 4, 5 перемещается над цилиндрической поверхностью звукопроводов 11, 12 и времяраспространения ПАВ в звукопроводе11 (например) уменьшается, а в звукопроводе 12 увеличивается до истокови затворов 4, 5. С истоков и стоковусиленные сигналы поступают в отсчетное устройство 8, которое пересчитывает величину изменения электрических сигналов (частоту, фазу, период)в единицы измеряемых усилий.Упругий элемент 1 перемещаетсяпо радиусу. равному радиусу вогнутойцилиндрической поверхности пьезопластины 3 и между истоками 4, затворами 5 и пьезопластиной сохраняется постоянный зазор (например 0,01 мм),что способствует стабильности амплитуды выходных сигналов и точностиизмерения.ЪДифференциальное включение звукопроводов 11 и 12 в отсчетное устройство 8 повышает точность измерений.Упругий элемент выполнен в видетонкой пластины из плавленного кварца, механические свойства которогомало зависят от внешних факторов итемпературыПрименение полевых транзисторовпозволяет усиливать сигналы с большимотношением сигнал/шум, что позволитуменьшить влияние внешних воздейст,вии, вызывающих появление шумов иповысить точность измерений.1134889 шетник Редак 084/39 Тир БНИИПИ Госу по делаь 113035, Москвааж 898дарственного комитсизобретений и открЖ, Раувская на Подписноа СССР Зака тииб д. 4 Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Филиал Составитель А. Северин Долинич Техред З.Палий Коррект