Тензодатчик (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСНИКСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН то плоскость полюсами магнита та пластины пер полюсов магии колебаний рас ных боковых г скостириемннк ендикуляр а, а исто а плик и е рпе ндианях плас ольной ос нысимм кулярных пр е н ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(54) ТЕНЗОДАТЧИК (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57) 1. Тензодатчик, состоящий из тензочувствительного монокристаллического звукопровода с размещенными на нем источником и приемником колебаний, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены два магнита с плоскими полюсами, а звуко- провод выполнен в виде прямоугольной пластины из антиферромагнетика, выре занной так, что продольная ось симметрии совпадает с кристаллографической осью высшего порядка, а плоскость пластины перпендикулярна кристаллографической оси второго порядка, при этом пластина помещена между 5) С 01 1 1/16; С 01 оложены на противополож 2. Тенэодатчик, состоящий иэ тензочувствительного монокристаллического звукопровода с размещенным нанем источником и приемником колебаний, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повьппення чув .твительности, в него введены два магнита с плоскими полюсами, а звукопровод выполнен в виде прямоугольной пластины иэ антиферромагнетика, вырезанной так, что продольная ось симметрии ее наклонена к кристаллографическойоси высшего порядка под углом 45 по часовой стрелке, и боковая грань, параллельная продольной оси симметрии, повернута к кристаллографическойоси второго порядка под углом 54" 44 по часовой стрелке, при этом пласти а помещена между полюсами магнита так, что плоскость пластины перпендикулярна плоскости полюсов магнита, а источник и приемник колебаний расположены на противоположных боковых гранях пластины, перпендикулярных продольной оси симметрии.1138 б 72 ТОГО ПРИ ИЗМЕРСНИЯХ СчЩСС.;ВЕНБЫМ является направление деформирующего прокладку усилия, что приводит к дополнительному усложнению процессаизмерения Изобретение относится к области тензометрии и может быть использовано для измерения механических величин (сил, давленийдеформаций, ускорений) в устройствах автоматического регулирования и системах управления.Известны тензометрические устройства, принцип работы которых основан на зависимости акустических свойств/материалов от внешних механических воздействий. К таким устройствам относятся пьезорезонансные тензочувствительные датчики. Примером конкретного выполнения таких датчиков может служить пьезорезонансный преобразователь усилий. В качестве чувствительного элемента использован высокочастотный пьезорезонатор с колебаниями сдвига по толщине, выполненной в форме диска. Конструкция устройства предусматривает приложение торцовых усилий сжатия к плоскости резонатора. При этом положение диска фиксируется плоской пружиной, создающей предварительное сжатие чувствительного элемента в направдении воздействия измеряемых усилий. Тензочувствительность пьезоэлектрических резонаторов является следствием зависимости частотно-опЗО ределяющих параметров вибратора: его геометрических размеров, плотности и упругих свойств от напряжений, создаваемых в теле пьезоэлемента 1.Из множества разновидностей35 пьезорезонаторов в качестве тензопреобразователей применяются только пьезоэлементы, использующие колебания сдвига по толщине и колебания изгиба. Это связано с тем что тен,О зочувствительный резонатор должен находиться в жестком механическом контакте с другими элементами конструкции датчика, служащими для крепления резонатора и передачи воздействия45 на него При этОм происходит демпфи - , рование резонатора и увеличение потерь акустической энергии. В результате снижаются добротность, стабильность частоты и, в конечном итоге, точность. Для устранения этих нежелательных явлений приходится искать методы акустической развязки резонатора, а в ряде случаев полностью отказаться от пьезорезонансных методов измерения.55Известно устройство измерения внутренних упругих деформаций в твердых телах, основанное на явлении двойного лучепреломления объемной звуковойволны в деформированной среде. Устройство содержит излучающий ультразвуковой преобразователь, приклеиваемый к объекту, в котором измеряютсяупругие деформация, приемный ультразвуковой преобразователь, приклеиваемый в этому же объекту на противоположной стороне через упругую прокладку. Вектор поляризации приемногопреобразователя ориентируется ортогонально к вектору поляризации излучающего преобразователя, Пря такойориентации в отсутствие деформацийв объекте и в упругой прокладке направление вектора поляризации принимаемой звуковой волны ортагональна вектору поляризация приемного преобразователя и сигнал на выходе устройства отсутствует: При внешнем воздействия на обьект в нем возникают деформации, которые вызывают поворотплоскости поляризациительно поляризации приемного преобразователя и появление сигнала навыходе, Деформируя упругую прокладку,можно создать в ней деформации, компенсирующие поворот вектора поляри-.зации звука в объекте что приводятк уменьшению сигнала на выходе устройства. При этом о величинах деформаций в объекте судят по величинеизвестных деформаций, создаваемыхискусственно в упругой прокладке Г 23. Однако при таком способе измерений в результате двойного луче;реломленяя в объекте возникают пва акустических луча с ортогональными поля,плзацяями (обыкновенный и необыкновенный, которые, интерферируя, дают эллиптическую поляризацию, звука. В результате не удается достичь полной компенсации сигнала ца выходе, что снижает точность измерения. Кроме Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является тензодатчик, состоящий яз тензочувствительного монокристаллического звукопровода с размещенными на нем источником и приемником колебаний 3 .Недостатком устройства является низкая чувствительность,Цель изобретенная - повышение чувствйтельности.Поставленная цель достигается тем, что в тензодгтчик, состоящий из тенэочувствительнаго монокристаллического звукопровода с размещенными на нем источником и приемником колебаний, введены два магнита с плоскими полюсами, а звукопровод выполнен в виде пластины из антиферромагнетика, вырезанной так, что продольная ось .симметрии совпадает с кристаллографической осью высшего порядка, а плоскосгь пластины перпендикулярна кристаллографической оси второго порядка, при этом пластина помещена межд полюсами магнита так, что плоск.ость пластины перпендикулярна ллоскости полюсов магнита, а источцик и приемник колебаний расположены па противоположных боковых гранях пластины, перпендикулярных продольной оси симметрии.По второму варианту у тензодатчика выполнен такой срез пластины, при котором продольная ось симметрии пластины аклонена к кристаллографической оси высшего порядка под углом 45 по часовой стрелке и боковая грань, параллельная продольной оси симметрии, повернута к кристаллографической оси второго порядка под углом 54 44 по часовой стрелке.На чертеже представлено устройство. 1 О 20 35Звукопровод 1 вырезан из моно- крист;мпла и имеет форму переллелепипеда, у которого размеры двух противоопожных граней определяются размерами размещаемых на них ультразвуко вых преобразователей 2 и 3, а расстояние между этими гранями выбирается в пределах 05-1 см и ограничивается величиной допустимого ослабления амплитуды сигнала в звукопроводе. Преоб разователь 2 служит для возбуждения акустической волны, а преобразователь 3 - для приема. Звуколровод помещен между полюсами 4 и 5 постоянного магнита., напряженность поля которого 50 ориентируется параллельно граням с пьезоэлектрическими преобразователями. По обе стороны от звукопровода между полюсами магнита расположены соединенные последовательно управ ляющие катушки 6 и 7 плоскость которых совпадает с плоскостью полюсов, а цапряженность магнитного поля кол линеарна напряженности поля постоянного магнита. Катушки служат длярегулирсвания напряженности магнитного поля, что приводит к изменениючувствительности датчика. К гранямзвукопровода, свободным от пьезопреобразователей и параллельным напряженности магнитного поля, прикладываются сжимающие деформации, подлежащие измерению, Кристаллографическиеоси монокристалла ориентируются относительно граней звукопровода взависимости от достигаемой цели. Дляполучения высокой линейности характеристики устройства кристаллографические оси второго и третьегопорядка направляются перпендикулярно напряженности магнитного поля.При этом ось второго порядка параллельна направлению приложения изме,ряемого давления, а ось третьегопорядка перпендикулярна граням звукопровода, на которых расположеныпьезоэлектрические преобразователи.Вектор поляризации преобразователейориентируется вдоль оси второго порядка. Для увеличения ч;вствительности датчика применяется срез УЕЬ 5//-45 ь/+35 16. В качестве материала для звуко- провода используется антиферромагнетик с анизотропией типа "легкая плоскость". Подобные антиферромагнетики, как и другие магнитные материалы, обладают точкой фазового перехода измагнитоупорядоченного состояния в парамагнитное состояние, Температура, характеризующая этот переход для антиферромагнетиков, называется температурой Нееля (Т) и колеблется в широких пределах: от 18 К для СоСО до 960 К для гематита о в ГеО .Устройство также может быть реализовано на ПАВ. При этом звукопровод выполняется в виде пластины, вырезанной из монокристалла,антиферромагнетика в плоскости, перпендикулярной оси третьего порядка. На поверхности пластины напыляются две системы встречноштыревых преобразователей (ВШП), которые сверху покрываются пьезоэлектрической пленкой окиси цинка (ЕпО). Один из преобразовате- . лей служит для возбуждеция ПАВ, другой для приема. Остальные элементы внешнего действия аналогичны предыдущему варианту выполнения устройства.Устройство работает следующим образом.К излучающему ультразвуковому преобразователю подводится гармоническое высокочастотное напряжение. 5 При этом в звукопроводе возбуждаются в общем случае три акустические волны с взаимно ортогональными поляризациями, распространяющиеся к приемному преобразователю и имеющие раз личные скорости. При деформировании звукопровода происходит изменение величины эффективных модулей упругости материала звукопровода, приводящее к изменению скоростей акустичес ких волн. Если звук распространяется вдоль оси третьего порядка, то одна из трех акустических волн поляризована вдоль кристаллографической оси второго порядка. Ориентируя вектор 20 поляризации излучающего и,приемного сдвиговых преобразователей вдоль оси второго порядка, можно добиться ,одномодового режима распространения звука, когда возбуждается только одна 5 звуковая волна. При этом достигается высокая линейность зависимости скорости звука от внешнего давления на звукопровод. Изменение скорости звука приводит к изменению времени распространения звуковой волны до приемного преобразователя, В резуль- тате фаза сигнала на выходе датчика будет меняться пропорционально величине деформаций звукопровода.При применении среза УЕЪ 5/-45 ф/35 /+35 16 одномодовый режим распространения звука реализовать не удается ни прикакой ориентации вектора поляризации пьезоэлектрических преобразователей. В звукопроводе распространяются одновременно три акустические волны, скорости которых имеют одинаковый характер зависимости от внешнего давления. После сложения этик волн на выходе датчика образуется результирующий сигнал, фаза которого зависит от внешнего давления в большей степени, чем в случае одномодового режима распространения звука по звукопроводу. Однако при этом возрастает нелинейность характеристики тензодатчика вследствие различия скоростей акустических волн.Скорость звука в антиферромагнетикезависит от величины напряженностивнешнего магнитного паля. Это позволяет осуществить регулировку чувствительности тензодатчика путем изменения напряженности постоянногомагнитного поля с помощью уп 1 являющихкатушек.ДМПри деформации звукопровода=10 относительное изменение выхидьного сигнала известного датчика имеетфпорядок величины10 , В предлагаемом датчике при таком уровне деформации относительное изменен .сигналаЬХ,-зсоставляет - = 3 5.10 что позво) 3ляет снизить минимальную в еличигу из меряемой деформации более чем яа три порядка.Возможность регулирования чувстнительности датчика позволяет в процессе эксплуатации при периодической поверке компенсировать изменение параметров отдельньгх элементов конструкции с течением времени, что обеспечивает продление срока слукбь датика.Подписн ираж 897 Заказ 76 пиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная ВНИИПИ Госу по делам 13035, Москваарственного комитет зобретений и открыт Ж, Раушская наб и д. 4/