SU756231A1 - Piezoelectric force transducer - Google Patents

Description

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения преимущественно статических усилий.The invention relates to load technique and can be used to measure predominantly static forces.

Известны преобразователи усилий, выполненные на основе пьезоэлементов, в которых измеряемое усилие, прикладывается к пьезоэлементу через демпфирующие прокладки. Выходной сигнал снимаемый с пьезоэлемента, изменяется за счет изменения площади фактического контакта между поверхностями пьезоэлемента и прокладок [1].Known transducers efforts, made on the basis of the piezoelectric elements, in which the measured force is applied to the piezoelectric element through the damping gasket. The output signal taken from the piezoelectric element changes due to a change in the area of actual contact between the surfaces of the piezoelectric element and the gaskets [1].

Однако площади соприкасающихся поверхностей изменяются случайным образом, поэтому данные преобразователи не обеспечивают требуемой точности. Кроме того, они имеют ограниченный диапазон измерения усилий.However, the areas of the contacting surfaces change randomly, therefore, these converters do not provide the required accuracy. In addition, they have a limited range of force measurements.

Наиболее близким к изобретению является преобразователь усилий, в котором пьезоэлемент, возбуждаемый от генератора, жестко связан с торцовой поверхностью резонатора, выполненного в виде пустотелого цилиндра. Измеряемое усилие, приложенное к резонатору, создает в нем механические напряжения, что приводит к изменению скорое2Closest to the invention is a force transducer, in which the piezoelectric element, excited by a generator, is rigidly connected with the end surface of the resonator, made in the form of a hollow cylinder. The measured force applied to the resonator creates mechanical stresses in it, which leads to a change in speed2

ти звука в нем и нарушению резонансного режима колебаний резонатора. Это приводит к изменению его акустического сопротивления для пьезоэлемента и соответственно к изменению выходного сигнала пьезоэлемен₅ та. Пьезоэлемент в данном преобразователе не подвержен действию усилия, что приводит к повышению точности измерения и расширения диапазона измерения усилий [2].ti sound in it and the violation of the resonant mode of the resonator. This leads to a change in its acoustic resistance for the piezoelectric element and, accordingly, to a change in the output signal of the piezoelectric element ₅ m. The piezoelectric element in this converter is not subjected to the action of force, which leads to an increase in the measurement accuracy and an extension of the range of force measurement [2].

Недостатком данного преобразователя явЮ ляется то, что пьезоэлемент непосредственно связан с резонатором и под действием измеряемого усилия происходит деформация резонатора в месте сочленения его с пьезоэлементом. Таким образом, выходной сигналThe disadvantage of this transducer is that the piezoelectric element is directly connected to the resonator and, under the action of the measured force, the deformation of the resonator takes place at the junction with the piezoelectric element. Thus, the output signal

₁₅ пьезоэлемента изменяется не только за счет изменения акустического сопротивления резонатора, но и за счет деформации пьезоэлемента вместе с резонатором, т.е. за счет тензоэффекта, поэтому точность преобразователя зависит от условий сочленения пье20 зоэлемента с резонатором и кроме того, деформация пьезоэлемента под действием измеряемого усилия приводит к снижению временной стабильности преобразователя усилий. _{15 of the} piezoelectric element changes not only due to a change in the acoustic resistance of the resonator, but also due to the deformation of the piezoelectric element together with the resonator, i.e. due to the strain effect, therefore, the accuracy of the transducer depends on the conditions of articulation of the Pied20 element with the resonator and, moreover, the deformation of the piezoelectric element under the action of the measured force reduces the temporal stability of the force transducer.

33

756231756231

Целью изобретения является повышениеThe aim of the invention is to increase

стабильности, точности и чувствительностиstability, accuracy and sensitivity

измерений.measurements.

Указанная цель в преобразователе, содержащем резонатор, пьезоэлемент, соединенный с генератором, и измерительный прибор, достигается тем, что в него введены второй пьезоэлемент, подключенный к измерительному прибору, и два концентратора, при этом концентраторы сочленены с резонатором и жестко соединены с соответствующими пьезоэлементами, а резонатор и концетратор выполнены из одного материала, а также тем, что резонатор выполнен в виде крестовины из двух стержней круглого сечения, один из которых своими торцами сочленен с концентраторами, включенными согласно.This goal in the transducer containing a resonator, a piezoelectric element connected to the generator, and a measuring device is achieved by inserting a second piezoelectric element connected to the measuring device and two concentrators, while the concentrators are articulated with the resonator and rigidly connected to the corresponding piezoelectric elements, and the resonator and concentrator are made of the same material, as well as the fact that the resonator is made in the form of a cross from two rods of circular cross section, one of which is articulated from the concentrator with its ends mi included according to.

На фиг. 1 схематически изображен пре- ¹⁵ образователь для случая встречного включения концентраторов; на фиг. 2—преобразователь для случая согласного включения концентраторов.FIG. 1 schematically shows a pre-forming the case ¹⁵ of counter enable concentrators; in fig. 2 — converter for the case of consonant inclusion of concentrators.

Преобразователь состоит из резонатора 1 ₂₀ и сочлененных с ним концентратора 2 , к которому жестко присоединен пьезоэлемент 3, подключенный к генератору электрических колебаний и концентратора 4 с жестко присоединенным к нему пьезоэлементом 5, подключенным к измерительному прибору. 25The converter consists of a resonator 1 ₂₀ and a hub 2 articulated with it, to which piezoelectric element 3 is rigidly connected, connected to an electrical oscillation generator and concentrator 4 with piezoelectric element 5 rigidly attached to it, connected to a measuring device. 25

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Генератор возбуждает в пьезоэлементе 3 механические колебания, энергия которых через согласующий концентратор 2 передается в резонатор 1. Дальнейшая концентрация энергии ультразвуковых колебаний осу- ^ϊ0 ществляется концентратором 4, возбуждающим приемный пьезоэлемент 5. Измеряемое сжимающее усилие, приложенное к торцам рёзонатора, создает механические напряжения в резонаторе, вызывающие изменение 35 его акустического сопротивления.Generator piezoelectric element 3 turned in mechanical vibrations whose energy through a matching hub 2 is transmitted to the resonator 1. Further concentration of ultrasonic vibration energy carried ^ϊ0 fected hub 4, the receiving piezoelectric element exciting 5. The measured compressive force applied to the ends rozonatora creates mechanical stresses in the resonator causing a change in 35 its acoustic impedance.

Таким образом, в зависимости от величины измеряемого усилия происходит изменение акустической прозрачности тракта преобразования и, следовательно, количества ультразвуковой энергии, поступающей из возбуждающего пьезоэлемента в приемный. Это приводит к изменению показаний измерительного прибора, по которому судят о величинеThus, depending on the magnitude of the measured force, there is a change in the acoustic transparency of the conversion path and, consequently, the amount of ultrasonic energy coming from the exciting piezoelectric element to the receiving one. This leads to a change in the readings of the measuring device, according to which the value of

приложенного усилия. Концентраторы могут быть включены встречно (фиг. 1). С целью обеспечения передачи ультразвуковой энергии приемному элементу с минимальными потерями, т.е. с целью повышения чувствительности концентраторы могут быть соединены согласно, а резонатор выполнен крес тообразной формы, две пары торцов которого сочленены с концентраторами, а две другие пары воспринимают измеряемую нагрузку (фиг. 2). Введение согласно или встречно включенных концентраторов и второго пьезоэлемента позволяет исключить непосредственное воздействие измеряемого усилия на пьезоэлементы, что приводит к повышению надежности, чувствительности и стабильности акустического тракта преобразователя, а повышенная моночастотность акустического тракта повышает точность преобразователя.applied effort. Hubs can be switched in opposite (Fig. 1). In order to ensure the transmission of ultrasonic energy to the receiving element with minimal losses, i.e. In order to increase the sensitivity, the concentrators can be connected in accordance with, and the resonator is made in a form of a chair, two pairs of ends of which are articulated with the concentrators, and the other two pairs perceive the measured load (Fig. 2). Introduction according to or oppositely included hubs and the second piezoelectric element eliminates the direct impact of the measured force on the piezoelectric elements, which leads to increased reliability, sensitivity and stability of the acoustic path of the transducer, and increased monofrequency of the acoustic path improves the accuracy of the transducer.

Claims (2)

Формула изобретенияClaim 1. Пьезоэлектрический преобразователь усилий, содержащий резонатор, пьезоэлемент, соединенный с генератором и измерительный прибор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и стабильности измерений, в него введены второй пьезоэлемент, подключенный к измерительному прибору и два концентратора, при этом концентраторы сочленены с резонатором и жестко соединены с соответствующими пьезоэлементами, а резонатор и концентраторы выполнены из одного материала.1. A piezoelectric force transducer containing a resonator, a piezoelectric element connected to a generator and a measuring device, characterized in that, in order to improve the accuracy and stability of measurements, a second piezoelectric element connected to the measuring device and two concentrators are inserted into it, and the concentrators are coupled with the resonator and rigidly connected with the corresponding piezoelectric elements, and the resonator and hubs are made of the same material. 2. Преобразователь по π. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, резонатор выполнен в виде крестовины из двух стержней круглого сечения один из которых своими торцами сочленен с концентраторами, включенными согласно.2. Converter π. 1, characterized in that, in order to increase the sensitivity, the resonator is made in the form of a cross from two rods of circular cross section, one of which with its ends is articulated with concentrators included according to.