ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения конструкторской разработки.

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

Изобретение поясняется чертежом, где схематично изображено устройство для измерения усилий.

Предлагаемое устройство для измерения усилий содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2, пьезоэлемент 8 с шестью обкладками 9, 10, 11, 12, 13 и 14, две катушки индуктивности 6 и 7, фазовый детектор релейного типа 3, блок счетчиков 4, блок компенсации 5 и силопередающие элементы 15 и 16.

Генератор электрических колебаний 1 подключен к образующим колебательный контур катушке индуктивности 6 и обкладкам 9, 10 пьезоэлемента 8, а генератор электрических колебаний 2 - к катушке индуктивности 7 и обкладкам 11, 12 пьезоэлемента 8. 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. Вход блока компенсации 5 соединен с выходом блока счетчиков 4, а выходы блока компенсации 5 соединены с обкладками 13 и 14 пьезоэлемента 8.

Устройство для измерения усилий работает следующим образом. Генераторы электрических колебаний 1 и 2 работают на частотах f ₁ и f ₂ резонансов электрических колебательных контуров. Генераторы электрических колебаний 1 и 2 связаны между собой электрически через взаимную емкость между обкладками 9 и 11 и акустически через пьезоэлемент 8. Режим биения колебаний с частичным увлечением частот обеспечивается при соблюдении условия

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

= (f ₂-f ₁)/(f ₁+f ₂) - относительная расстройка частот колебаний генераторов электрических колебаний 1 и 2, 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 15 и 16 приводит к изменению диэлектрической проницаемости ₁ пьезоматериала между обкладками 9 и 10 пьезоэлемента 8:

₁ = ₁(f), (2)

что, в свою очередь, обуславливает зависимость емкости С ₁ между обкладками 9 и 10 пьезоэлемента 8:
c ₁= ₂(f). (3)

Вследствие этого изменяются частота колебаний f ₁ генератора электрических колебаний 1 и относительная расстройка частот генераторов электрических колебаний 1 и 2:

f ₁= ₃(f); (4)

= ₄(f). (5)
Следовательно, изменится частота биения колебаний связанных генераторов электрических колебаний 1 и 2:
= ₅(f). (6)

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

n= ₆(f). (7)

Чувствительность к величине измеряемого усилия f тем выше, чем больше значение n, т.е. при меньшей частоте биения связанных колебаний :

где f ₀=(f ₁+f ₁)/2 - средняя частота колебаний генераторов.

Т. о. , максимальная чувствительность нелинейного режима биения с частичным увлечением частот достигается при

Цифровой код n подается на вход блока компенсации 5, который выдает компенсирующее напряжение u _к на обкладки 13 и 14 пьезоэлемента 8, что приводит к изменению диэлектрической проницаемости ₂ пьезоэлемента 8 между обкладками 11 и 12:

₂ = ₇(u _к), (10)

что обуславливает изменение емкости С ₂ между обкладками 11 и 12 пьезоэлемента 8:
c ₂ = ₈(u _к). (11)

Вследствие этого изменятся частота колебаний f ₂ генератора электрических колебаний 2 и относительная расстройка частот генераторов электрических колебаний 1 и 2:

f ₂= ₉(u _к); (12)

= ₁₀(u _к). (13)

Следовательно, изменится частота биения колебаний связанных генераторов электрических колебаний 1 и 2:

= ₁₁(u _к). (14)

Блок компенсации 5, анализируя изменение цифрового кода на выходе фазового детектора релейного типа, выдает напряжение компенсации u _к, которое компенсирует изменение параметров режима биения с частичным увлечением частот, вызванное приложенным усилием f, и сохраняет их на заданном уровне, т.е.

= const =₄(f) = -₁₀(u_к); (15)

= const =₅(f) = -₁₁(u_к).(16)

Таким образом, напряжение компенсации u _к, которое выдается на выход устройства, пропорционально приложенному усилию f:

u _к~f. (17)

Предлагаемое устройство для измерения усилий позволяет значительно повысить чувствительность к измеряемой величине, т.к. позволяет поддерживать нелинейный режим работы.