Пьезорезонансный датчик силы и температуры

Пьезорезонансный датчик силы и температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ДАТЧИК СИПЫ И ТЕШЕРАТУРЫ, содержащий два пьезоэлемента, укрепленных на упругом элементе и включеннгмх в схемы автогенераторов, соединенных с помощью преобразователей частота код с вычислительным блоком, связанным с блоком памяти, о т л и ч а ю П1 и и с я тем, что, с целью повышения точности путем учета взаимного влияния силои температурочувствительности пьезорезонаторов, в него введены привод возвратно-вращательного движения упругого элемента, два фиксатора и устройство управления , связанное с приводом, преобразователями частота - код и вычислительным блоком, при этом привод связан с упругим элементом, установленным с возможностью вращения на 180 вокруг своей оси между двумя фиксаторами, а пьезорезонаторы размещены параллельно оси вращения.

ceo coeET x

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИ Х

РЕСПУБЛИН (19) (11) 15 А

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3596881/18-10 (22) 24.05.83 (46) 07.08.84. Бюл, Ф 29 (72) Ф.Ф.Колпаков, В.A.Ïèñàðåâ, В.A.1|1åâåëåâ, В.М.Читова и Е.А.Милькевич (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н.Е.Жуковского (53) 531.781:536.53(088.8) (56) 1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М., "Энергия", 1978, с. 120.

2. Авторское свидетельство СССР

1(777482, кл. & 01 К 7/32,04.01.79 (прототип) (54)(57) ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫИ ДАТЧИК

СИЛЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий два пьезоэлемента, укрепленных на упругом элементе и включенных в схеЗ(51) О 01 — 1/16, 5 01 К 7/32 мы автогенераторов, соединенных с помощью преобразователей частота код с вычислительным блоком, связанным с блоком памяти, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности путем учета взаимного влияния сило- и температурочувствительности пьезорезонаторов, в него введены привод возвратно-вращательного движения упругого элемента, два фиксатора и устройство управления, связанное с приводом, преобразователями частота — код и вычислительным блоком, при этом привод связан с упругим элементом, установленным с возможностью вращения на 180о вокруг своей оси между двумя фиксаторами, а пьезорезонаторы размещены параллельно оси вращения.

110)701

3Г) »1 с."

>b

; !

)1 з т>Г pi, I I I!p 0 ) )I i)(!(Tc H к:! ) с}- )) т тельи»i тг(cH»i(P 11 мож«т б).Г:1 испо.(ь—

ЗОВЛ»)0 ДЛЯ 0}iHOHРС МC)I)«)r O И 3Л!Р»,))ИЯ

СИ Ihl 11 ТC. МИРР а ТУP ti! Л 1 Л Кжг П О<()и> ()т

МЫХ (С )IHM фИЗИЧРГКИХ НЕ <111 11! .

I13 В Р Г Т f! » I П}3(ЬфЕ>р P)i ((ИЛ. )т т! hl(I »i Т }И" И си.}ы, (одгржяц(и(дифференпилчь)!0!

ВК)(ЮЧ» HHhlP Ч" ВCТ}3ИТРПЬHblР ЭНРМЕH! Ы

IIc дог тлтками "C Tp<)éc т}3:) 7Hл}

Н С Н ОЗМОЖНО(ТЬ Оr«НО(3 P(с!Р i! (! <) 1! ЗМР— рения д)3ух парлмгтро!3, л тлкжс

Дос тл1 очн 3)3 1 О-I lie>(. Tl> из}1 1)ений.

11Л « (богlc С. б (11(.3 КИ -1 I(11 3 об; ) t ТP Ji ) 7()

HO (Р (НИЧР(b(3fl („ll!Hi)(t )3 Ят)т)ЯЕ Г<")I пьезоре Зоил:гныи д;}т )и:c (H.)fl H Tphf—

П P P сl Т У P Ы, (. :! С РЖ Л I!I I f f, (Н 1 1 > - 3;) ") C.—

МР)IТЯ, У !СРГ) . IС IIHhl()i 7 tl ) > ГОМ ). )C

МРEl TP u BH )ЮЧ< kiHhl(3 ГХЕ )Ы,(НТO) t ЕJICPH7 OP») }t > Г ОС Ilflf (НИЬIХ < П )".1<) (1 К) преоб} л(30нлтел» и чл(Tотл — к;)д с }3) I(!))«i)II Р:-,Hhl>1 б Ио ом, Гнязлнным б «1 i ) JC O»; (111 1 «1 И !

IС.;(Ос 1.7 «.К<>М I 3 НЕСТИ».)1 О у«-pO,"tС TI31! Я Н!(ЯР Г ГЯ ТО > Ч () О)! 0»т С-: УЧ»(Т< I

В ЯР Т < ) П() Я>b (H H hlC 13 ф»!)(К Thl Ч У !3 " ТН) IT Ñ .,Ь

Н ) C T C I )i .

I » ь}э 1! О p(тt .H)!H я!3} яс т< я ноны (1Ó 13

СTE31!Тгг(Ь!ii) ГИ !1(.3»)р< 3i) II Л" О;);) ti

IIP "1i Д(Г ГИ) »1< Т (1! Г(! >3 "(3 1!Ь с 3 о резонлнгныи:(лт !ик Ги и i 11 тг (з<3-: >л— тУ 1эь) > с »)ДР I)æ7)ц}3}1,«т!!;1 и ьс т ):1(.I Р и ;3

vкР Р п.I ()H ньг ) l;1 v)I PV! Г .. 1(»! i it". «и включеннь)х H Гх» "и IH To(He! рл орон, соеДинеíllhl)c i,помpщ, ю IIpct)cp,7з )}иlTC>)7Ей! ->ЯС 1OTЛ вЂ” К» (Г )ifl Ill< т(ИТР>IЬ. ЬСI блоком, г}(я )я) ыл(Г !!c!<7)co !:-.::ib(»òè. внеДены I)P)!)3

Дниж(ii)!}! т,.i!pi, l )-р,П".», тт; два фикс лт< рл;! Vt- тр ) (< тнi! л(3ления, г}tf! л )Ili(! p «пр)1(и;(ом „)(р(— образонлтглями »3(.т; тл — кр,т и

ВычислитР. .! Ным б, :<)ко;:, Ilp! ", < (7 л пРин ОД )3 Я 3 л н с. Уп}) У 173»т}! 3(1 Гл) ()нт .)лт .

УСТЛНО}3.<1(тliH НО 3М: КНО((Ч.:С: .Рл.ц»

}3}3Я Ня 1,< 1> 1»)) р Н<> и ОС .) <1 >)т -,(,> днумя фикслт< рлл(и, На фИГ 1 И3»бт)1жг,.т « t П> КГ«р,.-. схема пьезорс золян< H

Н а ф И Г, 6 <1) > i т К 1; И < ) }! Л 1 Ь 11 Л }i Г Х Е ".-(Л датчикл.

П Ь Р 7 0 13 Р 3 0 . I Л т:. (j i f l! l, (Л j Ч и К ГРМГ(РР(>ТУ"РI I (:0,1(РЖI! Г Дт " !(Ь» .ЗС).",(3ЛП це}эых рс 30H(3 горл 1 i 2, укp<>)иi(!асс

;на упругом .3.",Рл)ент(,. 3,(клнч:.", t!nt! t3 .- Иринодным колс Ом 4 Bhlcò

: ом . пругий злел!Рнт vc TàíoHëå)«н

«

Гг.,ohtiiнии ->, К Внутренней стороне пригодн. 1 О колеся прижат обрезиненнь)й ролик», снязанный с реверсивным . < ) . родниглтелем 8 возвратно-Вряп(аТ )1«огс. Пниж(-ния упрут ог0 злеме))та

9 ..": 1))<:д ипате:ть и фрикционная р<- 1}3v, н< )«(;о ° Рго (б) азу

J<) т п р и г. од В о:. В р а 1 H с — H р я цьа т е л Е> н о г ( днижения. К друг му концу упруго:: 0

:элемента прилож(эня измеряемая ги. а .(РЙГТБУЮШЛЯ Р))П H, (ИКУ.IЯPHO ПЛГ(КOC ти резо)3ятopoH. 11 Рс) о)}анни имею, ся

fi ).т 1 т,« «i p V ; 0 < (т > < ".1 С т а ттт

1и,г-оргзонлт,!p) I включены н хемы л то (н рл .--: Он 11 и 12 с()от)тс тг".

H Ет ".i . 1),! Х<)ДЫ ся}3 TО ГPН Р Р 3 ТОPOГ !1<)>;

К i!!!1<. тl.l К прРОбрл 30В,1ТС IЯМ Ч(1(! t!1 3 к эд(! и 1ч, C ос тояш:(х из p(It«;)

}ffi(c г:1<-тчикo»3 1 . }3 1()

1 7 рот), < И 38, >ь)II<7)I)?e Hffbf>(Н1 че< ких . )-емент лх I< — III; 19 — 22.

Ч(и ГИГ (ЛЛЫ Г )3ЫХОДЯ КЛЖДРI О т< гг «р;!торов поступак)т нл (. !0TI < -т.— (.. Вуюшие (ул!л!Пр ующие I . Выч итающи, i3)(ih ь: ргнерсипных счетчиков через : O" Hi Т." Т }33«)0()»Л!(КОМ."I У Т 1ТОРЬ) > а }ti: ОД р(нер 1!Иных сч(тчиков является од-» ; i; р Рм Г н H c) H ых 0,}ам п р е О б ра з о в а Р !7 H -Ii) T0 Г Л KC)}E . )»1".) Л НЛЯЮ(ЦИР HXOEI I> ОМ

" -,-. вЂ,OP0H и ВХОДЫ У«тат(ОВКИ НУЛЯ

РР};ЕРСИННЫХ СЧЕТЧИКОВ ПОДКЛЮЧР)<Ы К т> (i p >«.C T Hg 23 « tip(3}3 IE .H .H I) из у))равляющсго автомата 24, c i)— ед} не)Богo с блоком 2 э:}амяти. сч т—

UJ)êohi 2C) и коммутатором 2» . Вь!хо,-,)

О.-:С>К 1 ПЛМЯТИ Гт>Р« ИНЕНЫ C CTHHC)H— л(Иными входами счетчикл, а Выход ксмму гятcpH — Г его вычитаюшим нх дом. Ер<)«c того, устройство управ.)е— ния cn(»1)H(PH() с !)р 3нодом 28 возврат)I0 — нр;:,«лте ) .Ного движения, содерж.-.ще. с дн; рг",с: 29 и 30, соединенных с у )р; .(яюц;им янтоматом, и реверсив1ib!>3 Д--ИГЛ1«.-.:h „ПИтаНИЕ КОТОРОГО К "иму1ир} 1< я !(oJ)тактами упомянутых

Б)ц. ;);,ы иреобразонателей частотл

)3() < псд лючены к Вычислительному б:}оку 31, с ое;7иненному с блоком 32 памяти и ", Г тройс тном управления .

Vc1рсй< ТНо работает следующим обрязсм:

Б 1(сх,)дном ".,оложении (фиг. 2) ноздей с твулст()(ие ил у! I p уг ий злемен т 3

1107015 с укрепленными на нем резонаторами

1 и 2 параметры сила F и температура приводят к изменению частот автогенераторов 11 и 12 (-1

Г, + а1, (Т вЂ” Т ) — а, (Г-Г ),(1) — Ег, + аг, (Т-Т ) + аг CF-F ), (2) где а«, а, — коэффициенты преобразования по температуре; а„,а — коэффициенты преобразования по силе;

Т„, Š— координаты реперных точек по температуре и силе;

Г„,Гг, — начальные частоты ав o тогенераторов.в..

В положении, показанном на фиг.2, действующая сила F создает такой Момент в консольно-закрепленном чувствительном элементе 3, что верхний резонатор 1 испытывает деформацию растяжения, а нижний 2 — сжатия. Поэтому коэффициенты силовой чувствительности в уравнениях (1) и (2) взяты с противоположными знаками, причем знак — соответствует деформации растяжения.

Коэффициенты силовой и температурной чувствительности зависят от текущих значений F T. (3) (4) a 1 = а, (1+Кi (F — Fo) а1 = а Г1+К (T — T ) силовой коэффициент термочувствительности; — температурный коэффициент где К „

К1ъ, +1

à +1 г = f10+аг,т+ (5) (6) Если с помощью привода возвратно-вращательного движения 28 раз6 вернуть упругий элемент 3 на 180 вокруг оси,перпендикулярной приложенной силе так, чтобы резонатор

2 оказался вверху, а резонатор 1 тензочувствительности; а,,а -, — коэффициенты сило- и термочувствительности в реперной точке;

i--1,2 — номер пьеэорезонатора.

Подставив выражения (3) и (4) в (1) и (2), приняв F и Т равными кулю и раскрыв скобки, получаем снизу, то частоты на выходах авт генераторов 11 и 12 изменятся и будуt соответственно Равны

1 1,г

Г, = f; +а11 Т + а „ . F + (а",, К,, + -1

Й = Е,а+ а ., Т вЂ” а „Г вЂ” (а „, К, +

+ a-2. Ê„-)F Т, (8)

1О где Т и F — те же тек 1ие зн

Ъ 4 ачения параметров, что и в уравнениях (5) и (6) .

В таком положении резонатор 2

1 испытывает деформацию растяжения, а резонатор 1 - сжатия, поэтому соответственно изменились знаки при коэффициентах.

Вычитая из уравнения (7) уравнение (5), а из уравнения (6) уравнение (8), получаем -1

1

+ а

12

25 +, fl

+ а„ „

+ 2 (а „К1< + (9) f., = 2а . F

К,, )ТГ, 2а, F

K )TF

+ 2(ао К„" + г1 (10) Уравнения (9) и (10) линейны относительно силь1 F и произведения си30 лы и температуры TF Их можно решить относительно этих величин, а затем вычислять температуру и силу.

Фиг. 3 иллюстрирует практическую реализацию алгоритма получения урав35 нений (9) и (10).

Последовательность работы устройства задается управляющим автоматом (УА) 24 .

Устройство запускается сигналом

40 x — "Пуск" от вычислит ельного бло1 ка 31. 7о поступления сигнала х

УА находится в состоянии ожидания, чувствительный элемент 3 с пьезорезонаторами 1 и 2 находятся в исход— ном положении (фиг.2) . Ha выходе автогенераторов 11 и 12 действуют информационн6!е частоты f„ и

При поступлении сигнала "Пуск" ка

5р первом шаге УА обнуляет реверсивные счетчики 15 и 16, сформировав сигнал и подготавливает формирователь временных интервалов, состоящий из блока 25 памяти и счетчика 26, производя запись константы и„ из блока памяти в счетчик. Константа и, задает длительность временного интервала Т, в течение которого на соответствующие входы реверсивных счет : 10!015 чиков 15 и 16 бу;»y T посту!>с>т», инфор,. > мационные частоть: f„H Г . Б то же время УА начинает Формировать сигнал;<, запрещающий обращение к устройс тву во время измерен ия .

На следующем шаге УА формирует сигнал,„, Открываю»гий ключ 27

> частота Опорного генератора иэ вы— числительного блока 31 поступает на вычитающий в>сад счетчика 26 до тех пор, пока содержимое счетчика не станет равным нули. Б этот момект формируется сигнал х,, прекращающий

Формирование временного интервала

Т,. 0дковремекно, в течение интервала Т», УА Формирует сигнал g,, открывающий ключи 20 и 21 коммутаторов

17 и 18 и частота f+ поступает ка ,>.\

1 вычитающий вход реверсивного счетчика 15, à f.. — на суымирующ»»Й вход реверсивного счетчика 16. Б результа те к концу интервала Т» в счетчиках соответственна будут записаны числа.n

> О

N1, = — Т,f„ 1 >с

Затем УА вновь формируе" интервал Т . только тепер в течекие

> интервала формируется сигна-» который открывает ключи 19 и 22 коммутаторов 17 и 18. Частота Г поступает ка суммирующий вход реверсивного счетчика 15, а частота

Затем УА подготавливает Формирователь временных интервалов к формированию интервала Т,, пе 30 константу и из блока 25 памяти в счетчик 26.

На следующем шаге формируется временной интервал Т аналогично таму, как формировался интервал 7,, В течение интервала Т> УА формирует ги-.— нал !>, от которога срабатывает реле 29 и подает капряжекие питания соответствующей полярности на реверсивкый двигатель 8 привода 28 воз- 4а вратно-вращательного движения.

Реверсивный двигатель разворачивает чувствительный элемент 3 с укрепленными на кем ",ьезорезоната ,рами 1 и 2 на 180 вокруг оси пер% пекдикулярной приложенной силi так, чтобы резонатор 2 оказался сверху, а резона Тор 1 — снизу. В результате изменяются «acòoòû на выходах автогенер-:òîðîâ 11 и 12 соответственно f, и га Rl!÷èòa»>öèé вход реверсивнаго сче-.:! -H>a i В результате к канву формирования и;.»терна:»а в с четчиках 15 H ", 6 будут саответстве> -»о записаны кодь!

>1 > == т, (, с->

> 1, = т (, >>1 ) >

»- . в >, 2 с>тсутствие которого як.-.я т< я сиг калам;.(лл вычислительного Глох а 1, с. " O» . Чта ПРОЦРСС ИЗМРРЕНИЛ За к чен. УА 24 перехопит в состаяк!. Ожида! . ия

Вычислительный блок 31 считы:гет иэ =å":верск»вкь.х счетчиков !.5 и 16 коды И, и М > решает систему @pa!—

Ha! Ия (9) (с1 ОтноситРльна пара >етраи с»глы F и FT, а затем огре,;:...:яет те!. псра . »>у Т H силу F

pi aó:-»..:ò,= тp взаимного укичтс» енил на«а.сп,н!»х частот автагенера-..: рав снижаетсл относительная погрешнос гь иэмер нил I отпадает необхадимас;; в перлоцич сKQH аттеста!»ии и калнб>— равке к улл датчика. R результате у чt« ;-а в=, а»> HHÎÃo влияния кОэффициР!:— тов сила- н тензочувствительности друг ка друга повышена точность и,— мерения, 8 итоге уходы укаэаннь»х к.>эфср»»циектав =:ависят только ат старения пoar H-,арон, 1(рс>>яе того, достоинством предлагаемого ус тройства лвляется то, ч: о в результате вычитания фактически вэаимк а-уничтожается зависимость частоты пьезореза»атаров от темпера-урь>, поэтому ке играет роли — ли:- .ейка ..>ка .-:.:и нет. Зта дает возмох.-::-:ость спальзавать резонаторы не —:олька I 0-саеэа на и других с нелинейным». температурно — частатнь».:и характеристиками, например, AT-c1!: езг, и в то же время зкачительно свив

; ает технологические требования к

ИСПО>»Ь З "РМЫМ Р ЕЭ Она тОРЯМ . В СИЛy

Затем УА .: течение ик-..ервала

Г

Формирует си.- -. q с т действия 5 которого срабa>,:.,: .ет реле 30, пс.,»ающее .- оотв етс твующуь: палярнос ть í l цряжения >THтакия ка реверсивный,»вигатель 8 !»р»»вода 28 возвратно —: ращателькаго движения, который ваз;>ращает упругий =.ëåмент 3 с укрепле.:ным»:

>>а нем рс вака-.орами 1 H 2 в исхо.:.ное полажение Фиг. 2), Пс> oKокчакHH интерва Ia Т- прp-ра— щается также Формирование caiêa»..

» О7О15 этого не уничтожаются нелинейности

Ттф резонаторов, возникающие за счет температурного расширения металлических частей датчика, что в конечном итоге приводит к повышению точности измерения силы и темпеоатчоы.

1

rgi

II

1

ЕФ

Р— 1

У У

7 = = --,:р-

il

j j

1

1 1 В С Ф л

1 в

3 Г г

Щ, j1 !!1

1 1

1 -ф

ll ) Ц

I а

I Г1 )1 уды ";:

В

4,tl

ВНИИХИ 3" (<Д "1 -,, <3 I Т 4P;2Ж 3 3 ПС),О,РЯСНОЕ

Фндкад ЩД1 "3" " - .. geq ул. Б : ee.";.тн.=ч. (1! 1 1 г

1 1 j i ) .

1 - -6 —, 6 е

1 1 1

1 1

«

g

9 «1 ю

)

1,, 1 » ,=4

1 «1

:- -а 1

1

=- -. — — -=Ф=-—

1 .3

1 (1