RU2541375C1 - Power sensitive resonator - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: power sensitive resonator with a bending shape of oscillations is made in the form of two identical parallel rods, some ends of which are rigidly connected to each other and to the first element of application of measured force, and other ends are connected via the first elastic hinged joints with the second element of application of the measured force, at the same time the second elastic hinged joints are made in the middle part of each rod to form wedge-shaped sections with high bending stiffness, narrow parts of which face towards the first and second elastic hinged joints, accordingly.

EFFECT: increased power sensitivity of a power sensitive resonator.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерений механической силы и связанных с ней величин: момента силы, давления, массы, деформаций, линейных и угловых ускорений. Известен резонатор силочувствительный (см. патент РФ №2329511, опубликованный в БИ №20 от 20.07.2008).The invention relates to the field of measurements of mechanical force and related quantities: moment of force, pressure, mass, deformation, linear and angular accelerations. Known resonator sensitive (see RF patent No. 2329511, published in BI No. 20 from 07.20.2008).

Известный резонатор силочувствительный с изгибной формой колебаний выполнен в виде двух идентичных параллельно расположенных между собой стержней, одни концы которых жестко соединены между собой и с первым элементом приложения измеряемой силы, а другие концы соединены через первые упругие шарниры со вторым элементом приложения измеряемой силы, при этом вторые упругие шарниры в средней части каждого стержня выполнены с образованием участков с большей изгибной жесткостью по сравнению с упругими шарнирами. Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.The known power-sensitive resonator with a bending waveform is made in the form of two identical rods parallel to each other, one end of which is rigidly connected to each other and to the first element of the application of the measured force, and the other ends are connected through the first elastic joints with the second element of the application of the measured force, the second elastic hinges in the middle of each rod are formed with the formation of sections with greater bending stiffness compared with elastic hinges. The above device is the closest in technical essence to the claimed device and therefore is selected as a prototype.

Недостатком прототипа является невозможность достижения максимального значения чувствительности (заложенных в принципе работы силочувствительного резонатора) при необходимой ударопрочности (в условиях действия неизмеряемых сил со значениями, превышающими диапазон измерения).The disadvantage of the prototype is the inability to achieve the maximum sensitivity (laid down in the principle of operation of the force-sensitive resonator) with the necessary impact resistance (under the conditions of unmeasured forces with values exceeding the measurement range).

Решаемой технической задачей является создание резонатора силочувствительного при сохранении габаритных размеров с более высокой чувствительностью с обеспечением ударопрочности.The technical problem to be solved is the creation of a power-sensitive resonator while maintaining overall dimensions with higher sensitivity with impact resistance.

Достигаемым техническим результатом является уменьшение критической силы стержней резонатора за счет уменьшения жесткости упругих шарниров, соединяющих концы стержней с участком приложения измеряемой силы.Achievable technical result is to reduce the critical strength of the rods of the resonator by reducing the stiffness of the elastic joints connecting the ends of the rods to the site of application of the measured force.

Для достижения технического результата в резонаторе силочувствительном с изгибной формой колебаний, выполненном в виде двух идентичных параллельно расположенных между собой стержней, одни концы которых жестко соединены между собой и с первым элементом приложения измеряемой силы, а другие концы соединены через первые упругие шарниры со вторым элементом приложения измеряемой силы, при этом вторые упругие шарниры выполнены в средней части каждого стержня с образованием участков с большей изгибной жесткостью, новым является то, что участки повышенной изгибной жесткости выполнены клиновидными, узкие части которых обращены в сторону первых и вторых упругих шарниров соответственно.To achieve a technical result in a power-sensitive resonator with a bending waveform made in the form of two identical rods parallel to each other, one end of which is rigidly connected to each other and to the first element of the application of the measured force, and the other ends are connected through the first elastic joints with the second element of the application measured force, while the second elastic hinges are made in the middle part of each rod with the formation of sections with greater bending stiffness, new is that increased flexural stiffness ki made tapered, narrower portions which face the first and second elastic hinge respectively.

Конструкция предлагаемого резонатора силочувствительного представлена на фигуре (пунктирными линиями обозначена форма прототипа).The design of the proposed power-sensitive resonator is shown in the figure (dashed lines indicate the shape of the prototype).

Резонатор силочувствительный состоит из двух идентичных параллельно расположенных стержней с участками 1 и 2, разделенными упругими шарнирами 3. Концы стержней монолитно объединены с каждой из сторон двумя элементами 4 и 5, к которым прилагается измеряемая сила. В средней части каждого стержня в месте перехода от участка 1 к участку 2 образованы упругие шарниры 3 посредством местного уменьшения ширины стержней. С одной стороны концы стержней жестко соединены между собой элементом 4 (аналогично условию защемления), а с другой стороны концы стержней участка 2 объединены элементом 5 через упругие шарниры 6. Измеряемая сила P прикладывается к элементам 4 и 5 через концентраторы 7. Изгибные противофазные колебания резонатора силочувствительного (типа двухветвевого камертона) возбуждаются электромеханическим преобразователем (например, пьезоэлектрическим, на фигуре не показан) в плоскости, содержащей обе ветви камертона.The force-sensitive resonator consists of two identical parallel-located rods with sections 1 and 2 separated by elastic hinges 3. The ends of the rods are integrally joined on each side with two elements 4 and 5, to which the measured force is applied. In the middle part of each rod at the transition from section 1 to section 2, elastic joints 3 are formed by locally reducing the width of the rods. On the one hand, the ends of the rods are rigidly interconnected by element 4 (similar to the pinching condition), and on the other hand, the ends of the rods of section 2 are connected by element 5 through elastic hinges 6. The measured force P is applied to elements 4 and 5 through hubs 7. Bending antiphase oscillations of the resonator a sensitive (like a two-branch tuning fork) are excited by an electromechanical transducer (for example, piezoelectric, not shown in the figure) in a plane containing both branches of the tuning fork.

Новая совокупность существенных признаков увеличивает силовую чувствительность (коэффициент преобразования) резонатора силочувствительного.A new set of essential features increases the power sensitivity (conversion coefficient) of the power-sensitive resonator.

Импеданс электромеханического преобразователя резонатора по электрической стороне на частоте резонанса принимает экстремальное значение, относительно значения за пределами резонансной частоты. Это используется для построения генераторов электрических сигналов с частотой, равной частоте механического резонанса резонатора. Процесс резонансных колебаний механического резонатора, и в частности двухветвевого камертона, сопровождается обменом потенциальной и кинетической энергией между двумя реактивными элементами системы с распределенными параметрами: эквивалентной упругостью и массой; часть энергии теряется на трение в материале стрежня и упругих шарнирах при их деформациях и в местах крепления концов стержней.The impedance of the electromechanical converter of the resonator on the electrical side at the resonance frequency takes on an extreme value, relative to the value outside the resonant frequency. This is used to build generators of electrical signals with a frequency equal to the frequency of the mechanical resonance of the resonator. The process of resonant vibrations of a mechanical resonator, and in particular a two-branch tuning fork, is accompanied by the exchange of potential and kinetic energy between two reactive elements of the system with distributed parameters: equivalent elasticity and mass; part of the energy is lost on friction in the material of the rod and the elastic joints during their deformation and in the places of attachment of the ends of the rods.

Устройство работает следующим образом. Механический резонатор через электромеханический преобразователь подключен в цепь обратной связи автогенератора. После подачи напряжения питания на автогенератор в системе "генератор - электрический преобразователь - резонатор" при соблюдении условий "баланса амплитуд" и "баланса фаз" (смотри, например, книгу П.В. Новицкий и др. "Цифровые приборы с частотными датчиками", "Энергия" 1970 г.) устанавливаются колебания резонатора и, соответственно, выходные электрические сигналы с частотой, равной резонансной частоте резонатора. Выходные электрические сигналы генератора используются после соответствующего преобразования для регистрации результатов измерения силы, действующей на резонатор. В исходном положении, соответствующем нулевому значению измеряемой силы, значение резонансной частоты механического резонатора f₀ определяется конструктивными размерами элементов резонатора и физическими свойствами материала, из которого он изготовлен (модуль упругости - E, плотность - ρ). При значении измеряемой силы, приложенной к концентраторам 7 в продольном направлении резонатора (вдоль стержней) отличном от нуля, изменяется его эквивалентная упругость и, соответственно, значение резонансной частоты (растягивающая продольная сила вызывает увеличение частоты, а сжимающая - уменьшение). Функциональная зависимость частоты механического резонанса f(p) от значения продольной измеряемой силы P определяется следующим выражением:The device operates as follows. A mechanical resonator is connected through an electromechanical converter to the feedback circuit of the oscillator. After supplying the supply voltage to the oscillator in the "generator - electric converter - resonator" system, subject to the conditions of "amplitude balance" and "phase balance" (see, for example, the book by P. P. Novitsky and others. "Digital devices with frequency sensors", "Energy" 1970) sets the oscillations of the resonator and, accordingly, the output electrical signals with a frequency equal to the resonant frequency of the resonator. The output electrical signals of the generator are used after appropriate conversion to record the results of measuring the force acting on the resonator. In the initial position corresponding to the zero value of the measured force, the value of the resonant frequency of the mechanical resonator f ₀ is determined by the structural dimensions of the resonator elements and the physical properties of the material from which it is made (elastic modulus - E, density - ρ). If the measured force applied to the concentrators 7 in the longitudinal direction of the resonator (along the rods) is other than zero, its equivalent elasticity and, accordingly, the value of the resonant frequency change (tensile longitudinal force causes an increase in frequency, and compressive - decreases). The functional dependence of the frequency of mechanical resonance f (p) on the value of the longitudinal measured force P is determined by the following expression:

$$f(p)=f_0\sqrt{1+B\cdot P}\left(1\right)$$

$$f(p)=f_0\sqrt{\mathrm{one}+B\cdot P}\left(\mathrm{one}\right)$$

где f₀ - значение резонансной частоты резонатора при P=0;where f ₀ is the resonant frequency of the resonator at P = 0;

B - постоянный коэффициент, равный величине обратной критической силы Р_кр стержней резонатора (определяется формой, геометрическими размерами, условиями крепления концов, модулем упругости материала стержней).B is a constant coefficient equal to the reciprocal of the critical force P _{cr of the} resonator rods (determined by the shape, geometric dimensions, conditions for fastening the ends, the elastic modulus of the material of the rods).

При разложении в степенной ряд функция (1) для случая |B·P|<1 принимает вид:When expanding in a power series, function (1) for the case | B · P | <1 takes the form:

$$f(p)=f_0\cdot \left[1+\frac{1}{2}B\cdot P-\frac{1}{8}{(B\cdot P)}^2+\frac{1}{16}{(B\cdot P)}^3+\dots \right]\left(2\right)$$

$$f(p)=f_0\cdot \left[\mathrm{one}+\frac{\mathrm{one}}{2}B\cdot P-\frac{\mathrm{one}}{8}{(B\cdot P)}^2+\frac{\mathrm{one}}{16}{(B\cdot P)}^3+...\right]\left(2\right)$$

Значение измеряемой силы, действующей на резонатор, преобразуется в выходной параметр в виде изменения резонансной частоты Δf(p) относительно начального значения f₀ (девиация):The value of the measured force acting on the resonator is converted into an output parameter in the form of a change in the resonant frequency Δf (p) relative to the initial value f ₀ (deviation):

$$\Delta f(p)=f(p)-f_0=f_0\cdot \left[\frac{1}{2}B\cdot P-\frac{1}{8}{(B\cdot P)}^2+\frac{1}{16}{(B\cdot P)}^3+\dots \right]\left(3\right)$$

$$\Delta f(p)=f(p)-f_0=f_0\cdot \left[\frac{\mathrm{one}}{2}B\cdot P-\frac{\mathrm{one}}{8}{(B\cdot P)}^2+\frac{\mathrm{one}}{16}{(B\cdot P)}^3+...\right]\left(3\right)$$

Относительная девиация δf(p) представляется выражением:The relative deviation δf (p) is represented by the expression:

$$\delta f(p)=\frac{\Delta f(p)}{f_0}=\frac{1}{2}B\cdot P-\frac{1}{8}{(B\cdot P)}^2+\frac{1}{16}{(B\cdot P)}^3+\dots \left(4\right)$$

$$\delta f(p)=\frac{\Delta f(p)}{f_0}=\frac{\mathrm{one}}{2}B\cdot P-\frac{\mathrm{one}}{8}{(B\cdot P)}^2+\frac{\mathrm{one}}{16}{(B\cdot P)}^3+...\left(\mathrm{four}\right)$$

Для случаев, при которых максимальное значение произведения B·P_max не превышает 0,1, вклад нелинейных членов выражения (4) (со степенью больше 1) не превышает 0,03 (3%). В связи с этим функции преобразования силочувствительного резонатора (3), (4) в первом приближении могут быть представлены линейными зависимостями:For cases in which the maximum value of the product B · P _max does not exceed 0.1, the contribution of the nonlinear terms of expression (4) (with a degree greater than 1) does not exceed 0.03 (3%). In this regard, the conversion functions of the force-sensitive resonator (3), (4) can be represented, as a first approximation, by linear relationships:

$$\Delta f(p)\approx \frac{1}{2}{f}_0\cdot B\cdot Pи\delta f(p)\approx \frac{1}{2}B\cdot P\left(5\right)$$

$$\Delta f(p)\approx \frac{\mathrm{one}}{2}{f}_0\cdot B\cdot P\mathrm{and}\delta f(p)\approx \frac{\mathrm{one}}{2}B\cdot P\left(5\right)$$

в которых коэффициент преобразования определяется параметром - B (равен обратной величине критической силы - P_кр, при которой стержни резонатора теряют устойчивость).in which the conversion coefficient is determined by the parameter - B (equal to the reciprocal of the critical force - P _cr , at which the resonator rods lose stability).

$$B=\frac{1}{P_{кр}}$$

$$B=\frac{\mathrm{one}}{P_{\mathrm{to}R}}$$

Значения критической силы P_кр и ее обратной величины B определяются выражениями:The values of the critical force P _cr and its reciprocal B are determined by the expressions:

$$P_{кр}=\frac{{\pi }^2\cdot E\cdot j}{{\left(\mu l\right)}^2}\left(6\right)$$

$$P_{\mathrm{to}R}=\frac{{\pi }^2\cdot E\cdot j}{{\left(\mu l\right)}^2}\left(6\right)$$

$$B=\frac{{\left(\mu l\right)}^2}{{\pi }^2\cdot E\cdot j}\left(7\right)$$

$$B=\frac{{\left(\mu l\right)}^2}{{\pi }^2\cdot E\cdot j}\left(7\right)$$

где l - длина участка 1 стержня;where l is the length of the plot 1 of the rod;

µ - коэффициент приведения длины, заключенного между упругими шарнирами 3 и элементом 4 участка 1 стержня, определяется условиями крепления его концов;µ is the coefficient of reduction of the length enclosed between the elastic hinges 3 and the element 4 of the section 1 of the rod, determined by the conditions for fastening its ends;

E - модуль упругости материала стержня;E is the elastic modulus of the rod material;

j - момент инерции сечения участка 1 стержня.j is the moment of inertia of the section of section 1 of the rod.

Коэффициент преобразования К_п измеряемой силы при изменении резонансной частоты резонатора силочувствительного стержневого типа с учетом выражений (5), (7) и распределения измеряемой силы поровну между двумя идентичными ветвями будет равен:The conversion coefficient K _{p of the} measured force when the resonant frequency of the resonator is sensitive to the rod type, taking into account expressions (5), (7) and the distribution of the measured force equally between two identical branches, will be equal to:

$$K_{П}=\frac{B}{4}=\frac{{\left(\mu l\right)}^2}{4\cdot {\pi }^2\cdot E\cdot j}\left(8\right)$$

$$K_P=\frac{B}{\mathrm{four}}=\frac{{\left(\mu l\right)}^2}{\mathrm{four}\cdot {\pi }^2\cdot E\cdot j}\left(8\right)$$

Коэффициент приведения длины µ для механической системы фигуры с идеальными шарнирами (момент сопротивления равен нулю) определяется решением уравнения (см. книгу Федосьева "Сопротивление материалов" "Наука" 1974 г. стр.441-447):The reduction coefficient of the length µ for the mechanical system of the figure with ideal hinges (the moment of resistance is zero) is determined by solving the equation (see Fedosiev’s book “Resistance of materials” “Science” 1974 p. 414-447):

где $$k^2=\frac{P}{jE}$$

;Where $$k^2=\frac{P}{jE}$$

;

a - длина участка 2 стержня, заключенного между упругими шарнирами 3, 6. a is the length of the portion 2 of the rod enclosed between the elastic hinges 3, 6.

Максимальное значение чувствительности достигается при выполнении упругих шарниров 3 и 6 со значением реактивного момента (изгибной жесткостью), близким к нулю. Это требует выполнение упругих шарниров 3, 6 с малым сечением. При этом минимальная жесткость упругих шарниров 3, 6 и соответственно их сечение ограничивается прочностью в условиях действия предельных значений измеряемых и неизмеряемых (ударных) сил. Наличие конечного (отличного от нуля) упругого реактивного момента упругих шарниров 3, 6 увеличивает критическую силу стержневого резонатора, уменьшая тем самым его коэффициент преобразования.The maximum sensitivity value is achieved when performing elastic joints 3 and 6 with a reactive moment value (bending stiffness) close to zero. This requires the implementation of elastic joints 3, 6 with a small cross section. In this case, the minimum stiffness of the elastic joints 3, 6 and, accordingly, their cross section is limited by strength under the action of the limiting values of the measured and unmeasured (shock) forces. The presence of a finite (non-zero) elastic reactive moment of the elastic joints 3, 6 increases the critical force of the rod resonator, thereby reducing its conversion coefficient.

Выполнение участков 1, 2 с переменной жесткостью позволяет минимизировать влияние реактивных моментов упругих шарниров 3, 6 на критическую силу стержней резонатора и увеличить его силовую чувствительность при сохранении уровня ударопрочности. При этом изгибная жесткость стержней резонатора максимальна у участков 1 в месте объединения концов элементом 4 и плавно уменьшается за счет уменьшения ширины по мере приближения к упругим шарнирам 3.The implementation of sections 1, 2 with variable stiffness allows you to minimize the influence of the reactive moments of the elastic joints 3, 6 on the critical strength of the rods of the resonator and increase its power sensitivity while maintaining the level of impact resistance. In this case, the bending stiffness of the resonator rods is maximum at sections 1 in the place where the ends are joined by element 4 and gradually decreases due to a decrease in width as it approaches elastic joints 3.

Изгибная жесткость участков 2 минимальна в местах присоединения к упругим шарнирам 3 и плавно уменьшается за счет монотонного уменьшения ширины по мере приближения к упругим шарнирам 6.The bending stiffness of sections 2 is minimal at the points of attachment to the elastic hinges 3 and gradually decreases due to a monotonic decrease in width as it approaches the elastic hinges 6.

Оптимальные размеры силочувствительного резонатора определены моделированием на ПЭВМ с использованием метода конечных элементов. По результатам расчетов разработаны экспериментальные образцы. Проведенные исследования подтвердили эффективность предлагаемого технического решения.The optimal dimensions of the power-sensitive resonator are determined by modeling on a PC using the finite element method. Based on the calculation results, experimental samples were developed. Studies have confirmed the effectiveness of the proposed technical solution.

Claims (1)

Резонатор силочувствительный с изгибной формой колебаний, выполненный в виде двух идентичных параллельно расположенных между собой стержней, одни концы которых жестко соединены между собой и с первым элементом приложения измеряемой силы, а другие концы соединены через первые упругие шарниры со вторым элементом приложения измеряемой силы, при этом вторые упругие шарниры выполнены в средней части каждого стержня с образованием участков с большей изгибной жесткостью, отличающийся тем, что участки с большей изгибной жесткостью выполнены клиновидными, узкие части которых обращены в сторону первых и вторых упругих шарниров соответственно. A force-sensitive resonator with a bending waveform, made in the form of two identical rods parallel to each other, one end of which is rigidly connected to each other and to the first element of the application of the measured force, and the other ends are connected through the first elastic joints with the second element of the application of the measured force, while the second elastic hinges are made in the middle part of each rod with the formation of sections with greater bending stiffness, characterized in that the sections with greater bending stiffness wedge-shaped, the narrow parts of which are facing the first and second elastic joints, respectively.