ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения конструкторской разработки.

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения механических усилий в различных областях промышленности.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где схематично изображено устройство для измерения усилий.

Предлагаемое устройство для измерения усилий содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2, пьезоэлемент 12 с тремя обкладками 5, 6 и 7, две катушки индуктивности 8 и 9, силопередающие элементы 10 и 11, фазовый детектор релейного типа 3 и блок счетчиков 4.

Генератор электрических колебаний 1 подключен к последовательно соединенным катушке индуктивности 8 и обкладкам 5 и 7 пьезоэлемента 12, а генератор электрических колебаний 2 - к катушке индуктивности 9 и обкладкам 6 и 7 пьезоэлемента 12. Выходы генераторов электрических колебаний 1 и 2 соединены с входами фазового детектора релейного типа 3. Выход фазового детектора релейного типа 3 соединен с входом разрешения счета блока счетчиков 4. Счетный вход блока счетчиков 4 соединен с выходом генератора электрических колебаний 2.

Устройство для измерения усилий работает следующим образом. Генераторы электрических колебаний 1 и 2 работают на частотах резонанса f ₁ и f ₂ электрических колебательных контуров. Наличие взаимной емкости между обкладками 5 и 6 обуславливает дополнительно к акустической электрическую связь между генераторами. Режим биений колебаний с частичным увлечением частот обеспечивается при соблюдении условия:

где - коэффициент акустической и электрической связи между генераторами электрических колебаний 1 и 2:

- относительная расстройка частот колебаний генераторов электрических колебаний 1 и 2:

где f ₁, f ₂ - частоты колебаний генераторов электрических колебаний 1 и 2 соответственно;

u ₁, u ₂ - амплитуды электрических напряжений на обкладках пьезоэлемента.

Воздействие измеряемого усилия f через силопередающие элементы 10 и 11

приводит к изменению диэлектрической проницаемости пьезоматериала между обкладками 5 и 7 пьезоэлемента 12:

где k _e - коэффициент диэлектрической тензочувствительности материала пьезоэлемента 12;

что в свою очередь обуславливает зависимость емкости С между обкладками 5 и 7 пьезоэлемента 12 от измеряемого усилия f:

c = c ₀+ c, (4)

где С ₀ - емкость пьезоэлемента 12 между обкладками 5 и 7 без воздействия измеряемого усилия f;

c - изменение емкости, вызванное воздействием измеряемого усилия f

где ₀ - диэлектрическая постоянная;
s - площадь обкладки 5;

h - расстояние между обкладками 5 и 7.

Вследствие этого изменяется частота колебаний f ₁ генератора электрических колебаний 1:

где l - индуктивность катушки индуктивности 8.

Фазовый детектор релейного типа 3 выдает на вход блока счетчиков 4 сигнал разрешения счета, по длительности равный периоду режима биений с частичным увлечением частот. Таким образом, на выходе блока счетчиков 4 присутствует цифровой код n, являющийся функцией измеряемого усилия f:

Предлагаемое устройство для измерения усилий позволяет значительно повысить стабильность измерений. Во-первых, пьезоэлемент работает не на частоте механического резонанса, чем устраняется влияние нестабильности акустического контакта, т.к. величина акустических потерь пропорциональна величине энергии механических колебаний, запасенной в колебательном контуре. На частоте механического резонанса энергия колебаний сосредоточена в основном в механической части схемы замещения измерительного устройства:

w ₀=w' _мех+w' _эл;

w' _мех>>w' _эл; w' _ап~w' _мех, (8)

где w ₀ - полная энергия колебательного контура;

w' _мех, w' _эл, w' _ап - механическая, электрическая составляющие полной энергии и энергия акустических потерь колебательного контура при механическом резонансе.

При резонансе в электрической части схемы замещения измерительного устройства имею вид:

w ₀=w'' _мех+w'' _эл;

w'' _эл>>w'' _мех; w'' _мех<>_{МЕХ< sub="">, (9)}

в итоге w'' _ап<>_{АП< sub="">, (10)}

где w'' _мех, w'' _эл, w'' _aп - механическая, электрическая составляющие полной энергии и величина акустических потерь колебательного контура при резонансе в электрической части схемы замещения измерительного устройства.

Следовательно, акустические потери уменьшаются, во-первых, т пропорционально уменьшению механической составляющей энергии колебаний. Во-вторых, оба генератора электрических колебаний устройства подключены к одному пьезоэлементу, что значительно уменьшает влияние на результаты измерений нестабильности свойств пьезоматериала при воздействии дестабилизирующих факторов окружающей среды.