Датчик силы

СООЭ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСОУБЛИН 452 А д 11+ С 01 Ь 1/10 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ОРСКОМ,К Св ЕЛЬСТ НЧф 2 Ф 1 с 1 --э-акольца,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫПФ(56) 1. Патент США У 36 17780,кл, 73-141, 1967,2. Авторское свидетельство ССУ 558189, кл. С 01 1. 9/08,. 1975(54)(57) ДАТЧИК СИЛЫ, состоящий извнутреннего кольца, на внутреннихвыступах которого параллельно одиндругому и симметрично относительноего горизонтальной плоскости симметрии жестко закреплены два дисковыхпьезокварцевых резонатора, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности и чувствительности, сверху и снизу от внутреннегокольца симметрично относительно егогоризонтальной плоскости симметрииразмещены два одинаковых внешнихцилиндрических упругих кольца, соединенных с внутренним кольцом коническими перемычками, причем суммарнаяплощадь сечений внешних колец в3-8 раэ превышает суммарную площадь сечений внутреннего кольца иконических перемычек, длина стенокконических перемычек в 5-20 раэ больше их толщины, а угол при вершинеконуса перемычек выбирают по соотношению где Ч - угол при вершине конусаперемычек, рад 1 Н - расстояние между внешнимикольцами, мм, Ь - ширина внутреннегомм 1 3,а - внешние диаметры внешних и внутреннего колец соответОственно, мм. В2. Датчик по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что пьезокварцевые резонаторы связаны с внутренним кольцом по дуговым выступам в пределах углов 10-60 , причем через центры.ф этих дуг проходят оптическая ось. одно го резонатора и механическая ось дру- , гого. 3. Датчик по п. 1, о т л и ч а юФеМ щ и й с я тем, что вдоль конических перемычек и внутреннего кольца выполнены два взаимно перпендикулярных кафф паза, плоскости которых проходят . СЛ через вертикальные оси симметрии дат-. Ю чика, причем ширина пазов в 1,2-3,7 раэ меньше диаметра пьезокварцевых резонаторов.Изобретеие относится к технике кзмереий механических усилий и может быть использовано в разработках датчиков давлений, перемещений, ускореий и т,д,Известен датчик,. состоящий из линзоного оезонаторя, выполненного в виде перемычки н пьеэокнарценом цили 11 д -ре, заполненом гелием и закрьггом крышкой из пьеэокнярпа, основанный на преооразонателе измеряемогопараметра н частоту генерации путемвсестороннего сжатия пьеэокварцево 1 оцклиг 1 дря внутри котороГО няхОдитсячунстнктепьый элемент Г 1 7,Недостатком этого датчика является температуряя погрешность, определяемая температурной частотной характеристикой кварцевого резонатора.кОНаиболее олиэким по техническойсущности к изобретению является датчик силы, содержащий упругое кольцочунстнительными элементами ньц;оленными н виде идентичных пьезоэлек трических вибраторон с взаимно периендик лярнымк силочунствителььплиосями и укрепленными ня торцевых вы -Г ступах упруГ 01 О кольца30Такой преобразователь позволяетизмерять параметры давления в широксм диапазоне температур, однакоимеет недостаточную точность и чувстнительость, 25 Дель изобретения - повышение точ ности и чувствительности Постанле 1 гная цель дости ается темчто н датчике силы, состоящем из Ювнутреннего кольца. на внутреннихвыступах которого параллельно оцидругому симметрич 11 О относительногориэо 1 тальной плоскости симметриижестко закреплены дна длско 1 зых пьезо кварцевых резонатора, сверху и снизуот внутреннего кольца симметричноотносительно его горизонтальнойплоскости симметрии размещены дна одиаконых внешних цилиндрических упру Огих кольца, соединенных с внутренним кольцом коническими перемьгчками, причем суммарная площадь сечений внешних колец в 3-8 раз превышает суммарную площадь сеченкй вутреннего копьца и конических перемьиек, длина стенок коическкх перемычек в 5-20 раз больше их толщины, а угол при верши не конуса перемычек выбирают по соотношеию; Н-и2 ягсга11 1 у Ч - уголри вершине конуса,РадН - расстояние между внешними ГДЕ кольцами, мм;Н - ширина внутреннего кольЦЯМ."Л.д,с - внешние диаметры внешних и внутреннего колец, соответстненно, мм.Пьезокнарцевые резонаторы связаны с ннутре 11 ним кольцом по дуговым выступам в пределах углов 10-60", причем через центры этих дуг проходят оптическая ось Одного резонатора и механкческая ось другого. Кроме того, вдоль конических перемычек и внутреннего кольца выполнены дна взаимно перпендикулярных паза, плоскостикоторь 1 х проходят через вертикальные оси симметрии датчика, причем ширина пазов в 1,2-3,7 раэ меньшс диаметра пьезокнарценых резона торов.На фиг, 1 показана конструкциядатчика с 11 лы на фиг, 2 - сечениевнутреннего кольца с установленным н ем пьезокварценьгм резонаторомдля двух крайних значений углов10 и 60 ; на фиг 3 - зависимостикоэффициента силочунствительно тиК для резонаторов АТ-среза; нафиг, ч - варианты установки пьезокварценых резонаторов на внутренних выно перпендикулярными пазами.Датчик силы состоит из внутреннего цилиндрического упругого кольца 1, на ннутреннкх выступах 2 которого параллельно один другому и симметрично по Отношению к Горизонтяльной оси симмегрик внутреннего, цилиндрического у 1 тругого кольца 1 жестко закреплены двя дисковых пьезокерямических резонатора 3. Сверху и снизу от внутреннего цилиндрического упругого кольца скмметрично его осям ступах внутреннего кольца по углам ж = О и 60 ; на фиг, 4 обозначеныи- оптические оси и 11 и Х.2 механические оси пьезокварцевых резонаторов, 11 ричем оск 2 и Х сонпадают, поскольку при этом наблюдается максимальная силочувствительность датчика, на фиг, 5 - вариант конструкции датчика с выполненными нзаимсимметрии расположены два одинаковыхвнешних цилиндрических упругих кольца 4, соединенных с внутренним упругим кольцом 1 коническими перемычками 5. Кроме того, на фиг. 1 показаны элементы пьезокварцевых резонаторов 3: электроды резонаторов 6и шейки электродов резонаторов 7Датчик силы работает следующимобразом,10После сборки силопередающего элемента и установки пьезокварцевых резонаторов 3 последние подключаютсякаждый к автогенератору (не показаны),выходы которых подключены к входам 15смесителя (не показан), На выходесмесителя формируется сигнал разностной частоты двух колебаний, пропорциональный измеряемой силе Р .Датчик (фиг, ) устанавливаетсядля проведения измерений таким образом, чтобы сила Р была направлена перпендикулярно к внешним плоскостямего внешних колец.Воздействие силы Р, приклады 25ваемой как показано на фиг. 1, вызывает уменьшение расстояния Н между внешними кольцами 4 на величинуЬ Н, что приводит к передаче усилияна внутреннее кольцо 1 и изменению З 0его диаметра Ы на величину дд . Приэтом коэффициент преобразования деформаций определяется как 1, Н с 1(1 З 5 Пьезокварцевые резонаторы 2 выполнены в виде дисков, на плоскостях которых напыпены электроды Ь, расположенные друг под другом, и шейки 40 электродов 7, подключенные к автогенераторам. Усилие Р трансформируется в усилие Р, распределяемое равномерно по торцам резонаторов 3 в пределах дуг, по которым они контакти руют с внутренними выступами 2 внутреннего кольца 1 (фиг. 4). Этим обеспечивается надежный протяженный контакт внутреннее кольцо - резонаторы, улучшающий теплообмен и повышающий 50 надежность элемента. Резонаторы расположены по отношению к усилию Р таким образом, чтобы в пределах углов с(, вектора усилия Р действовали толь -ко в пределах отрицательной силочувствительности для одного резонатора и положительной силочувствительности для другого резонатора 3, Достигается это такой установкой резонаторов 3, при которой оптическая ось одного резонатора и механическая ось другого резонатора проходят через центры дуг,по которым эти резонаторы контактируют с выступами 2. На фиг 3 видно, что вдоль оси 2 наблюдается максимальная отрицательная, а вдоль оси У -положительная чувствительность дисковых резонаторов АТ-среза, используемых в предлагаемой конструкции,Во втором варианте датчика (фиг.5)вдоль перемычек и внутреннего кольца сделаны два взаимно перпендикулярных паза, плоскости которых проходят через вертикальные оси симметрии силопередающего элемента, Этимповышается чувствительность датчиказа счет уменьшения его жесткости,Предлагаемый датчик имеет следующие преимущества по сравнению сизвестными,Погрешности от гистерезиса и невоспроизводимости уменьшаются примерно в 2-5 раэ, поскольку оба пьезокварцевых резонатора работают толькона сжатие, что позволяет использовать способ непосредственного контакта резонаторов 3 с выступами 2,без промежуточных соединений.Нестабильность частоты генерации,влияющая на основную погрешность,уменьшена примерно на порядок введением гредварительного поджатия,необходимого для крепления резонаторов 3.Уменьшены динамические тейпературные погрешности размещением резонаторов внутри силопередающего элемента и обеспечением протяженногоконтакта по дугам, что улучшает теплообмен и уменьшает градиенты температуры,Расширен диапазон измеряемых сил.Увеличен коэффициент преобразования деформаций, который в прототипеменьше или равен 1,0, а в.предлагаемой конструкции всегда больше единицы, т.е. повышена чувствительность.1167452олаф иг. тическааь 2Ю-умл аасяои еюид усилию резонатора1167452 ФиаУ оставитель В. Го ехред С.Мигунова ковскийКоррек Самборска каз 424/ Тираж 897 ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и отк 3035, Москва, Ж, Раушская