Пьезорезонансный датчик силы и температуры

СОЮЗ СОВКТСНИХСОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИ ХРЕСПУБЛИН 119) 1111 15 А О 01 1- 1/16, Ь О 1 К 7/32 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯИ АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРпО делАм изОБРетений и ОтнРытий(71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им, Н.Е.Жуковского(54)(57) ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫИ ДАТЧИКСИЛЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащийдва пьезоэлемента, укрепленных наупругом элементе и включенных в схемы автогенераторов, соединенных спомощью преобразователей частотакод с вычислительным блоком, связанным с блоком памяти, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности путем учета взаимного влияния сило- и температурочувствительности пьезорезонаторов, внего введены привод возвратно-вращательного движения упругого элемента,два Фиксатора и устройство управления, связанное с приводом, преобразователями частота - код и вычислительным блоком, при этом приводсвязан с упругим элементом, установленным с возможностью вращенияна 180 о вокруг своей оси между двумя Фиксаторами, а пьезорезонаторыразмещены параллельно оси вращения,сс 1 ЗбрЭ Гец;1( (ттцг)( цт(Я К )1"ернтельц тсхццт(е .( может о,г: Испо;111 -ЗОВДГ ДЛЯ ЛГТЛВР(МС ЦГЛ;(.3 М(,. ,ЦЯ СИЛЫ И РМПРРа ТттсР)г. Д ТД Кжс П ЛГЦ:". - МЫХ К ЦИМ фИ ЗИЧРГК 1 Х ВЕ.ТП 1 ти:г.3 ВР Г Тцг) ДИ(Ь(р(тр Р)ИЛГ Т Ы( Г 1 ттИ И си.ы, ( одс ржяцц( дит)д)е ттс)цИдт,цо ВК )ГЮЧ ЕЦЦЫС ЧттВСТзит(131 нтптт ЭЗРМЕН 1 Ы1 елотатками устрй( тпд яцляютЯ Н РВ ОЗМОЖНО( ТЬ ОДО)3 РЕтГ Ц О ЦЗМР -реция днух пардмстро 3, д )дкж( 5 оста)х)чндя тлчцл(.ть измерений,ндибо.)се блц.зкцк цэобрт тецю ПЛ ТРХ ЦитР(К ЛЙ (.УЦтнг) ( Г Ц Я т( Г Я Ст(" Я Гг Ь Е З О Р Р (3 СЦД Ц 11 ЫИ,Г 3 т Ч Ц )( ( И ГЦ т е М -П Р Р С 3 Т У Р Ы, ( . г Д С Рж Д Щ,ГЦ 11 Ь Р;)( -мента, урсзс (нье цд, и;) угом мецт( и Вк:гюч( ццыс;3 хе) с)3 гг еТ(ЕРЯТОР) В, Г ОС;ГГП 1(1 Х (. П 1)" 11,и р Р О б р д (3 О 3 д т Гз л Р Й ч 1 ( т О т д - к одс ВьЧцс.гцзсл цым бм, ( Вязднымс бх с) к лм Г д м. 51 1 ц11(3 Л(31 Кт т 3 ВЕТ 1 1) Л трт)С Тцт 1 Я ВЯЕТ ГЯ ТЛ 1 ЧТО)го ЦС( У ЧИТЫВ Я Р Т ( г) Г 1) Я ж т 1 )1 ЬС (3 фг) ( 1Ч т( Г 3 " Т 13 т 1 Т Е. 1 Ь ОСТЕг . ,е лтк) ц 3 б тттт.11 ця яля(тгтся поныв 1 ЦЕНИР Тт 11.(ТЦ 11 ГТс УЧ(1 )3 Ц 3 ДЦМЦО -ГО В 5151 ЦЦ 51 С 1:О Ц ("1:тгР(1 ГУРО 1 УВ СТГ 31 ТГГЬ 11 Г ГГ( 11 Е. Г)Р(3) Д".".)Т,) ТТР "ГЬ г(тГ ГЦ 131 Т(5 Геьг 11 )(; ПЬРЗЛ реэлндцсцыц:дт цк Гц ц,т ц. ТГзтчгдТур 11 (1)ДР)ж;1 ц:(Г Д:т;3;Р;1):Р ТРцдУК) РП:1(.(ЦЬЬХ 1(3 Уц РУГ:53 С,1( 111 т Ц ВКЛЮЧЕЦЦЬгХ В ГХЕ "Ы ДцтГЕ ЦЕРД ЛРЛЦТСЛЕДИЦЕЦЦЫХ С ПОМЛЦЦ и ПРСг(ЭРДэт)(ДтЕЛГй ЯСттД - КО; ( 3),1 Ц( ТЦ(ТРЗ)ЦЬГтблоком, сг)я зятт: ьгс Г 6(:к(Ос( пдмгтц.внедецы прц)3 д зсзг(рдтцл - )3)дцдтс.-, -НОГО Дниже5 ,тР",1 Л ,.г 1 .ттдва фиксдтг рд;) у(.тр, ( Тт); ; дц -ления, Гцязд 1)Р цр 3(1;м Гр( -Обрсзэлндтеля (ц чдГ т;Ттд - к(гт иВычисзт(т)1 Иьм б.".к;,). Птт этотПР ИВ ОД Г 13 Я 3 Д Ц С У П Р З 1(1 11 ) 51 Р М ( тЛМ . УСТаноцзЕ 11)", 1 Л змКЦ(Т; Ю ЦРДЩ -ния на 180 цкру Гцг)сй ос:3 и Гдн умя фикс д т( р дмц,. На фцг. 1 и зобрдже:д струк:урцяя схема пьеэлре злцдц(Гт ддтчцкд на фцг. 2 - т(цтрупня311 и 11; на фиг,. 3 - рд зрсз Л - Л цд ф)(г. 2: На фИГ( - г) т"1;ИД:ЬЦДт ( ХЕ.(Д датиикд. Пьезоре ндцсцьцт датчик силы и ТГЕМГРРЯтУРЫ С;1( РжГ Дт;Д ЦЬЕЗОКЦДР - цезьгх ре 3 цд горл 1 )т 2, укретпл( ц)ь,х гна упругм .)Демецтт 11 3,3(3 тц тд)гт)гим.гт ЦРЦВОДЦЫМ КОЛЕ т-ЛМ 4 Г ВЫСТУ- :1(ч. пругий ззел(1 нт устанлвле)т В Гсцоднцц ,К Внутренней стороне приглдн. гл кстлеся прижат лбрезиненнь)й ролик т, снязацный с ренерсинным ).(грлдццгдтелем 8 Вознратно-ВряцаТ, )11 О С. ЛВИжеНИЯ УПРУГ ЛГО ЭЛГМЕтаг)г).3. т ктрлдяигате:ь и фрцкцилнная пд;) д рози - -.рц злгт,ноет колесо лб)" аз уют привод нл нратцо - вряцательногс дцижеция, К друТму концу упруго: о .элемента приложена измеряемая Гц.а, дс йстзуюцгдя герпец,иузяро плл(.кос - ти РРЗОЦЯтОРС)н. г г СЦОЦЯЦИИ ИМЕЮ; СЯ ,1 цд (цксдтлрд 5 ц 10 крайних голлже - Ццй тУт)Г) ЛГЛ 1( МЕЦТа.ТТ11,( злрезлцдтры включены В хемы д:тл Рнера".т ПОВ 11 т 12 солтетГт Р Тт Т . ) , Х С) Д Ы т( 3 Т Л Г Р Ц Р ) 3 Т С)О В1 Г)"; к "чт г)1 к прРбрдзлВдте.151 М 3(1 г 1 1 ко 1. и 1 г:+, Го(тляи (х из рт ц )т т - цых Г 1(ттчцОВ 1 ) и 15);(,1 1р 13, Г и 181 )зыптлце цць)х 1 д чт( КГх этзеть( цтдх 1 - Е 19 - 22. тт- Ч( М ( ЦГ 1(ДЛЫ Г 1)ЫХЛДЯ Кяжд Л тГГ (г Р;(ТРОВ ПОСтУПаЮт ЦД (ОтГ -, - (. ВУЮШЦР г УММЦРУЮЦЦЕВЫЧИтаЮЩЦ( .Одь: ренерсцццых счетчиков через с(;тц:тот ну)сцттР коммутдтлрь), а тть(од р( Вт 1):,1 цых сче тчикон является лд трекс .цо гых 51 м преобразователя ТДТЛГД КЛД, .) П.",)ДВЛЯЮ(ЦИР ВХОН КОМ- дтлрлц и Входы устацовки нуля ГТС С РСЦ)3 ЦЫХ СЧ РТЧИКОВ Г 1 ОДКЛЮЧР 1(Ыт( ( т р О и с т В у 3 111 и р а В гз е ц и я Г О с т О я ц гу из уира 35 яющсго автомата 241 Гг)- Едцигэ)(НОГО С бЛОКОМ 2 с):аМЯТИ, СЧС т - чиком 2 Г) ц коммутатором 211, Вьхл 311 бл( кд памяти с ТРД)(иены с устанив лсцць.1 ц 1(хе;Тами счетчика, а Выходксмму гятсрд - с его вычитаюшим Вх: -ДЛМ. 1;Т)ОЬР ТОГО, УСтРОйСтВО УПРан.Е -ния сле дцнено с пр)знодом 28 возврат 5(о - (рдцдтеэц,цогл движения, содержащего ДВ; релс 29 и 30, соединенныхс утр; В;яюц;цм антоматом, и реверсивцый дгцгд ель питание которого к"ииу 1 црття контактами упомянутых Бь:.о;,ы цреобразог(ателей частотдлд п(.дключены к Вычислительномуб:лку 31., сое;1 иценному с блоком 32ПДМЯтц И ",гстРОйСтНОМ УПРаВЛЕНИЯ.У(.трс)(.тцо работает следующимобряэсм:Б:.сх,)дном г;оложении г(фиг, 2)Воздейстнующис на упругий элемент 3с укрепленными на нем резонаторами1 и 2 параметры сила Г и температура1 приводят к изменению частот автогенераторов 11 и 12, . + а 1, (Т - Т ) - а, (Е-Е ),(1) Г "1= Е + а (Т-Т ) + а (Г-Р ), (2) где а,а, - коэффициенты преобразования по температуре;а,аг - коэффициенты преобразования по силе;То, Ро - координаты реперныхточек по температуреи силе;Г ,Гг, - начальные частоты аво тогенераторов.вВ положении, показанном на фиг,2,действующая сила Г создает такой момент в консольно-закрепленном чувствительном элементе 3, что верхнийрезонатор 1 испытывает деформациюрастяжения, а нижний 2 - сжатия, Поэтому коэфФИциенты силовой чувствительности в уравнениях (1) и (2)взяты с противоположными знаками,причем знак - соответствует деформации растяжения,Коэффициенты силовой и температурной чувствительности зависят оттекущих значений Р и Т. а.= а, 1+К (Г - Го ) а 1 = а Г 1+К (Т - Т) егде К силовой коэффициент термочувствительности;- температурный коэффициент(6) Если с помощью привода возвратно-вращательного движения 28 раз 6 вернуть упругий элемент 3 на 180 вокруг оси,перпендикулярной приложенной силе Г так, чтобы резонатор 2 оказался вверху, а резонатор 1 тензочувствительцости; аа. - коэффициенты сило- и термочувствительности в реперной точке;д=1,2 - номер пьеэорезонатора.Подставив выражения (3) и (ч) в (1) и (2), приняв Г и Т равными кулю и раскрыв скобки, получаемснизу, то частоты ца выходах автогенераторов 11 и 12 изменятся ибудут соответственно равны+ а-,К. )Г Т, (8)1 Огде,Т и Р - те же тек тие зн Ъ 4 аченияпараметров, что и вуравнениях (5) и (6) .В таком положении резонатор 2 15 испытывает деформацию растяжения,а резонатор 1 - сжатия, поэтому соответственно изменились знакиприкоэффициентах.Вычитая из уравнения (7) урав О нение (5), а из уравнения (6)уравнение (8), получаемУравнения (9) и (10) линейны относительно силь 1 Р и произведения силы и температуры ТР. Их можно решить относительно этих величин, азатем вычислять температуру и силу,Фиг. 3 иллюстрирует практическуюреализацию алгоритма получения урав 35 нений (9) и (10).Последовательность работы устройства задается управляющим автоматом (УА) 24.Устройство запускается сигналом 4 О х - Пуск от вь 1 числительного бло1ка 31. До поступления сигнала хУА находится в состоянии ожидания,чувствительный элемент 3 с пьезорезонаторами 1 и 2 находятся в исходном положении (Фиг,2), На выходеавтогенераторов 11 и 12 действуютинформационные частоты 111 иПри поступлении сигнала "Пуск" ка 5 О первом шаге УА обнуляет реверсивныесчетчики 15 и 16, сформировав сигнали подготавливает формировательвременных интервалов, состоящий изблока 25 памяти и счетчика 26, производя запись константы и из блокапамяти в счетчик. Константа и, задает длительность временного интервала Т, в течение которого на соответствующие входы реверсивцых счетчикОВ 15 н 16 бУдут Гостуять кнфърмационные час тать. Г Г, Б то же время УА цачиняет Формировать сигнал;, запрещающий обращение к устройству во время измерения.На следующем шаге УА Формирует сигнал, , открываюгиц ключ 27 и1частота опорного генердтора из вычислительного блока 3 1 поступает на вычитающий всад счетчика 26 да тех пор, пока содержимое счетчика не станет равным нули, В этот момент формируется сигнал х прекращающий Формирование дременнаго интервала Т Одновременно, в течение интервала Т, УА Формирует сигнал с открывающий ключи 20 и 21 коммутаторов 17 и 18 и частота Г+ поступает ця1вычитающий вход реверсивного счетчика 15, а Г - на суммирующий вход реверсивного счетчика 16, В результа те к концу интервала Т в счетчиках соатветствеццо будут записаны числа и. 11 = - Т, Г г Затем УА вновь Формирует интервал Т только тепер. в течение9интервала формируется сигнал который открывает ключи 19 и 22 коммутаторов 17 и 18. Частота Г поступает ня суммирующий вход реверсивного счетчика 15, а частота Затем УА подготавливает Формирователь временных интервалов к форми.рованию интервала Т переписывая 30констаьту и из блока 25 памятив счетчик 26.На следующем шаге формируется временной интервал Т аналогично таму,как формировался интервал Т, . В течение интервала Тс УА формирует гкгнял о , ат которога срабатывает реле 29 и подает напряжение питаниясоответствующей полярности на реверсивный двигатель 8 приводя 28 возвратно-вращательного движения,Реверсивный двигатель разворачивает чувствительный элемент 3с укрепленными на нем пьезорезоната,рами 1 и 2 на 180 вокруг оси перпендикулярной приложенной силЬтак, чтобы резонатор 2 оказалсясверху, а резонатор 1 - снизу. Врезультате изменяются частоты цавыходах автогенердторов 11 и 12 соответственно Г,с и Г ., я вчитанщий вход реверсив -цагс счет: .-;сд 1., В результате кконцу формирования ицтерва:я в счетчиках 15 и 16 будут саответствеа записаны кодь1, =: Т, 1,=ТГ,.)С-- ),Я отсутствие которого я-.яетгя с:кгналом длл вычислительного Гланд 1,а "ам, что процесс измерения зэк ц -чен. УА 2 й переходит в састал.е ажкЛя. кя Вычислительный блок 31 считывает из реверссвьгх счетчиков 15 к 16 коды И, и М ,. решает систему урдц - ценил ,9) (10) относительна паря;етраи сглы г и гТ, а затем апрелелет тд:перятуру Т к силу Г.В разул:тяте взаимного у.чта енкл начальных частот явтагенерат: эовсцижяетсл относительная погрешнос гькэмер нил ц отпадает неабходимас;,в перкоцкч.ской аттестации к калсб -равке и улл датчика, В результатеучета взяи нага влияния коэффицкец -тов сила- к тецзочувствительностк друг цд друга повышена точность к, -мерения, В итоге уходы указанных кээфФ.циецтав зависят только ат старенияезац-торов,1(роме того, достоинством предлагаемого устройства является то, ч" о в результате вычитания фактически взаимна-уничтожается зависимость частоты пьезарезацаторов от температурь, поэтому це играет роли - пикейна оця к.:я нет, Зта дает возможрезонаторы не таька 1 С-среза, но и других, с нелкнейым температурно в частот к характеристиками, апример, АТ-среза, и в то же время значительно снижает технологические требования к используемым резонаторам. В силу Зятем "А " 1 ече ке чнтервапя формирует скг . с) от лейстьил1.которого срябят,;.,:.ет реле 30, подаю. щее оответствующуь, полярность напряжения ктацкл ца реверсквный,вкгатель 8 привода 28 возвратно в : ря:.ятельцаго днижеция, который воз;ращает упругий элемент 3 с укрепле:цым: ця нем резаягорами 1 и 2 в исха.:,цае гсалажецке фиг. 2),На окоцчзки интервала Т- пре рд - щяется также Формирование скгндэтого не уничтожаются нелинейностиТЧЯ резонаторов, возникающие за счеттемпературного расширения металлических частей датчика, что в конечном итоге приводит к повышению точности измерения силы и темпебатчоы.