Дифференциальный пьезоэлектрический датчик силы

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1 С 01 1. 1(16 ЕНИЯ ТОРСНОМЪ( СВИДЕТЕЛЬСТВУ К УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗО(71) Харьковский ордена Ленинаавиационный институт им. Н, ЕЖуковского(56) 1. Авторское свидетельство СКф 777495, кл. С 01 Т. 1/16, 1978,2. Малов В. В. Пьезореэонансньдатчики. М., "Энергия", 1978,с. 182-183 (прототип). ЯО 1164563 А(54) (57) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СИЛЪ, содержащийдва консольно закрепленных в корпусепьеэореэонатора и пружину, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюрасширения диапазона измерения,в него введен рычаг, связанный однимконцом со свободными концами параллельно расположенных пьезорезонаторова другим концом - с пружиной, закрепленной в корпусе параллельно пьезоре-.зонаторам, при этом расстояние отточки закрепления пружины до пьезореэонатора и между пьезорезонаторамивыбрано иэ соотношения 1:23.1164563 20 Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано для точного измерения статических, усилий и давлений в широких динамических диапазонах. 5Известны дифференциальные пьезоэлектрические датчики статистической силы, содержащие два пьезореэонатора, консольно закрепленные в металлическом корпусе и соединенные на свободных концах металлической прокладкой1.Недостаток известных дифференциальных пьезоэлектрических датчиков статической силы состоит в узком динамическом диапазоне 5 характеристикипреобразования, причем .расширение динамического диапазона из-. мерений в таких устройствах невозможно из-эа ограниченности предельноО допустимых усилий растяжения 6 рст пьеэорезонаторов, которые в 24 раза меиьше, чем допустимые усилия сжатия Й,ф.Наиболее близким к изобретению является дифференциальный пьезоэлектрический датчик силы, содержащий два консольно закрепленных в корпусе пьезорезонатора и пружину 21. гЦель изобретения - расширениедиапазона измерений. Цель достигается тем, что в дифференциальный пьезоэлектрический датчик силы, содержащий два консольно закрепленных в корпусе пьезорезонатора и пружину, введен рычаг, связанный одним концом со свободными концами параллельно расположенных пьезорезонаторов, а другим концом - с пружиной, закрепленной в корпусе параллельно пьезорезонаторам, при этом расстояние от точки закрепления пружины до пьезорезонатора и между пьезореэонаторами выбрано из соотношения 1:23.На фиг. 1 представлена схема дифференциального пьезоэлектрического датчика силы; на фиг. 2 - зпюра действующих сил.Датчик содержит два пьеэореэонатораи 2, консольно закрепленныев металлическом корпусе 3 параллельно продольной оси пружины поджатия 4Пьезорезонаторы на свободных концах соединены металлической прокладкой5, выполненной в виде рычага, междукоротким концом которого и корпусомустановлена пружина поджатия. В,кор В отличие от аналога, где дости жимый динамический диапазон характеристики преобразования ограничен ве" личиной допустимого усилия растяжения 1 , пъезорезонатрров, в устройстве- прототипе благодаря использованию одновременного поджатия пьезорезонато. ров посредством пружины удается расширить диапазон воздействующих усилий до 12 , Однако предельно допустимые усилия сжатия пьезореэонаторов Б составляет 246 , а с учетом того, что в консольной конструкции при воздействии измеряемой силы Р один из резонаторов подвержен растяжению, а второй сжатию, потенциально 5 возможный,диапазон измеряемых усилий составляет 256. Таким образом, известные конструкции дифференциаль" ных пьезоэлектрических датчиков статической силы, ви 1 ючая и датчики статйческой силы (датчик-прототип), не используют и половины возможностей , по измерению статической усилий, которые может обеспечить пьезокварц, что ограничивает также, достижимую 55 точность измерений и динамический диапазон контролируеьых статических сил. пусе датчика выполнено отверстие 6, через которое,в торец металлической прокладки, соединяющей пьезорезонаторы, воздействует измеряемая статическая сила Р. Кроме того, электро" ды 7 пьеэореэонаторов подключены.кавтогенераторам 8 и 9, которые нагружены йа входы смесителя 10, связанного через фильтр нижних частот 11 с выходом 12 устройства, а пружина поджатия снабжена устройством регулировки поджатия, содержащим винт 13и шарик 14.Дифференциальный пьезоэлектрический датчик статической силы работаетследующим образом,Как видно из эпюры действующих вконструкции датчика сил (фиг. 2),при равенстве нулю измеряемой статической силы Р состояние -пьезорезонатором 1 и 2 предлагаемого датжка полностью определяется выборомсилы поджатия Р, под пружины 4, задаваемой винтом 13 посредством шарика 14, и соотношением длин плеч/ 1 рычага-прокладки 5, связывающей пьеэорезонаторы 1 и 2 на свободных концах, Поскольку опорой рычагапрокладки 5 служит пьеэорезонатор 1,расположенный со стороны короткогоз 11 б 45 б 3 4плеча 2 этого рычага, на которое и ние генерируемой этим автогенератовоздействует поджимающая сила Г , ром частоты Г, , а на выходе второчто согласно правилу рычага в соот- го автогенератора 9 с учетом приловетствии с эпюрой, приведенной на женного к пьезорезонатору 2 максимальфиг. 2, можно записать следующие со-но допустимого растягивающего уси.готношения: лиЯ мафр,т- получим минимальное знаГдо1 Гр 4 ст 2 1 ( ) чение его частоты Г При воздейГ(Е,+ С 2) =РЕ (2) ствии измеряемой силы Р пьезорезона-где Р- сила, поджимающая пружи- тор 1 будет подвергаться растяжениюну 4;О Ж йР (О), а пьезорезонатор 2,Гст - сила, растягивающая пьезо- наоборот, точно такому же по величирезонатор 2 посредством не сжатию(ЙГ 2 йР ) О). Тогда необходлинного конца 12 рычага 5 димым условием правильной работы предГ - сила, сжимающая пьеэорезо- лагаемого датчика является выполнениенатор 1; неравенства Г 1 ( 1 что не 1 встык 2 1 п ю- длина короткого конца ры- трудно обеспечить выбором начальныхчага; значений собственных частот Йи Г 2- длина длинного конца рыча- пьеэорезонаторов 1 и 2,га. При воздействии измеряемой силыПосле несложных преобразований из 2 Р, измеряющейся от своего минимальновыражений ( ) и (2) получаем го значения Р;=0 до максимального2" малой поперечной жесткости не оказыР = -- - Г . (4)вает влияния на результаты измерений,25 а максимальное значение измеряемойТак как нрикладываемое к пьезо- силы Р,определяется таким состоякварцу максимально допустимое усилие нием датчика в условиях воздействиярастяжения, в 2раза меньше пре- Р, когда пьезорезонаторыи 2 сЭр Сдельно допустимого усилия сжатия 69 , точки зрения воздействующих на них1+ зо УсилийИ р как бьто чевидно, что величина - 1- -вместаю, Если в исходном состоянииIвыражении (4) также должна равнятьая при=О) В результате выполнения24, а соотношение плеч рычага-проклад- прокладки 5 В виде рычага с опредеки 5 будет равно 0/;-23. При этом из вы- ленным соотношением плеч (1/23) иражения (3) ВиДКО, что Для задания в З 5 Введения силы пОДжатия Ро к пьеэопьеэорезонаторах 1 и 2 максимально резонатору 1 приложено максимальное .допустимых усилий Ь =23 ф и 6 допустимое усилие сжатия Й фс роост рдст 9соответственно, прикладываемая к под-=24 роста к пьезорезонатору 2жимающей пружине сила Р должна максимально допустимое усилие растяРОиметь величину 23 Рр что соответ О жен"ярстто при максимальноствует 23 6 допустимом нагружении предлагаемогоТаким, образом, при В / 1 =1/23 и датчика Г=Г , благодаря его новымвыборе поджимающей силы Г равной . констрУктивным особенностям по сравРпо23 Р где Р - предельно допус- нению с Устройством пРОтотипомтимая сила растяжения пьезореэонато поскольку пьезорезонатор 1 посредров, пьезорезонатор 1 будет испыты- ством прикладываемой силы Р растягивать максимально допустимое для него вается, а пьезореэонатор 2 сжимаетусилие сжатия 6 =24 аа пьезо-ся, оказывается, что к пьеэореэочаЭ Эрезонатор 2 при этом будет испыты- тору 1 уже приложено максимальновать предельно допустимое дпя него 5 О допустимое усилие растяженияроостусилие растяжения Ьраста к пьезореэонатору 2 наоборотТак как пьезорезонаторы 1 и 2 максимально допустимое усилие сжавключены своими электродами 7 в схемы тия 1=24 Ьр, . В результатеавтогенераторов 8 и 9 соответствен- диапазоны прикладываемых к пьеэорено, то на выходе первого из автогене.5 эонаторам 1 и 2 усилий в процессераторов 8 с учетом поджатия пьезоре- изменения измеряемой силы От Р . =03т 1 Пэонатора 1 сжимающим усилием Й, = до Гсоставляют максимально ДО=.24 Ьфрт получим максимальное значе- стижимую для пьезокварца величину1164563 Составитель Н. Северинак Техред О.Неце Корректор И. Эрдей дактор К. 897 Подписноего комитета СССР и открытий аущская наб., д. 4/5178/38Тираа ВНИИПИ Государственнпо делам изобретений 3035, Москва, Ж, Р Зака Филиал ППП "Патент", г. Уагород, ул. Проектная,