RU2613583C2

RU2613583C2 - Calibration method of alternating force converters

Info

Publication number: RU2613583C2
Application number: RU2015135253A
Authority: RU
Inventors: Михаил Юрьевич Прилепко
Original assignee: Михаил Юрьевич Прилепко
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-03-17
Also published as: RU2015135253A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method for measuring the force applied to the alternating force converter till its subsequent calibration, is proposed. Herewith the alternating force, excited by the alternating force exciter 8, is converted by an elastic element 4 to the elastic deformation, which is measured by the laser interferometer 1.

EFFECT: high measurement accuracy.

2 dwg

Description

Суть изобретенияThe essence of the invention

Способ калибровки преобразователей переменной силы с использованием лазерного интерферометра, основанный на измерении деформации упругого элемента, пропорциональной возбужденной силе.A method for calibrating variable force transducers using a laser interferometer based on measuring the deformation of an elastic element proportional to the excited force.

Описание изобретенияDescription of the invention

Изобретение используется при калибровке, поверке, испытаниях преобразователей переменной силы.The invention is used in the calibration, calibration, testing of variable power transducers.

Известен способ калибровки преобразователей переменной силы с применением сравнения сигналов эталонного и калибруемого преобразователей (техническая документация фирм «РСВ Piezotronics», США; «Kistler», Швейцария). Способ основан на использовании гидравлического принципа возбуждения силы. Недостаток: не позволяет калибровать преобразователи в широком диапазоне частот.A known method of calibrating AC converters using a comparison of the signals of the reference and calibrated transducers (technical documentation of firms "PCB Piezotronics", USA; "Kistler", Switzerland). The method is based on the use of the hydraulic principle of excitation of force. Disadvantage: it does not allow calibrating converters in a wide frequency range.

Другим известным способом является вибрационный способ калибровки преобразователей переменной силы с последовательным применением двух различных масс (техническая документация фирмы «Брюль и Кьер», Дания. «Преобразователи силы типов 8200 и 8201», 1994 г.). Способ заключается в том, что калибруемому преобразователю переменной силы придают синусоидальные механические колебания при последовательном применении двух различных масс, закрепляемых на нем, что вызывает инерционные силы, пропорциональные закрепляемым массам. Измеряются значения масс и ускорений и определяется коэффициент преобразования калибруемого преобразователя силы из двух уравнений, составленных на основе второго закона Ньютона. Недостатком описанного способа, предусматривающим использование однонаправленного механического движения, является большая неопределенность калибровки за счет наличия поперечных и изгибных колебаний, нарушающих однонаправленность движения. Кроме того, способ является достаточно трудоемким, так как предусматривает двойной эксперимент (для каждой из двух масс) и не обеспечивает возможность калибровки на иных, нежели синусоидальном, возбуждениях. Также, поскольку преобразователи силы калибруются в «свободном» состоянии (т.е. закрепленными на одну поверхность), возникают погрешности, характерные для режимов измерений преобразователей в реальных условиях эксплуатации, т.е. закрепленных за обе поверхности. Получаемые этим способом метрологические характеристики преобразователей неадекватны таковым при практическом использовании преобразователей, помещенных между двумя поверхностями. Этот факт является причиной появления неучитываемой при измерениях составляющей неопределенности, которая может иметь значительную величину.Another well-known method is the vibrational method of calibrating variable-force transducers with the sequential use of two different masses (technical documentation of Bruhl & Kier, Denmark. "Force transducers of types 8200 and 8201", 1994). The method consists in the fact that the calibrated transducer of variable strength is given sinusoidal mechanical vibrations with the successive use of two different masses fixed on it, which causes inertial forces proportional to the fixed masses. The masses and accelerations are measured and the conversion coefficient of the calibrated force transducer is determined from two equations compiled on the basis of Newton’s second law. The disadvantage of the described method, involving the use of unidirectional mechanical motion, is the large uncertainty of the calibration due to the presence of transverse and bending vibrations that violate the unidirectional movement. In addition, the method is quite time-consuming, since it involves a double experiment (for each of the two masses) and does not provide the possibility of calibration on excitations other than sinusoidal. Also, since force transducers are calibrated in a “free” state (that is, fixed to one surface), errors occur that are typical for measurement modes of transducers in real operating conditions, i.e. fixed to both surfaces. The metrological characteristics of the transducers obtained in this way are inadequate to those in the practical use of transducers placed between two surfaces. This fact is the reason for the appearance of a component of uncertainty that is not taken into account during measurements, which can be significant.

Цель изобретения - повышение точности и расширение частотного диапазона калибровки преобразователей переменных сил. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что переменная сила, возбужденная возбудителем переменной силы, преобразовывается посредством упругого элемента в его упругую деформацию, пропорциональную возбужденной силе. Величина упругой деформации измеряется лазерным интерферометром. The purpose of the invention is improving accuracy and expanding the frequency range of the calibration of converters of variable forces. The essence of the proposed method lies in the fact that the variable force excited by the pathogen of variable force is converted by means of an elastic element into its elastic deformation proportional to the excited force. The amount of elastic deformation is measured by a laser interferometer.

Способ поясняется рис. 1.The method is illustrated in Fig. one.

В соответствии с законом Гука в области упругих деформаций деформация, возникающая в упругом теле, линейна и пропорциональна приложенной к этому телу силе. При превышении предела пропорциональности связь между силой и деформацией становится нелинейной.In accordance with Hooke's law in the field of elastic deformations, the deformation that arises in an elastic body is linear and proportional to the force applied to this body. When the limit of proportionality is exceeded, the relationship between force and strain becomes nonlinear.

Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от геометрических размеров упругого тела. Зависимость коэффициента упругости от соотношения размеров упругого тела (площади поперечного сечения S и длины Г) можно выразить следующим соотношением:The coefficient of elasticity depends both on the properties of the material and on the geometric dimensions of the elastic body. The dependence of the coefficient of elasticity on the ratio of the dimensions of the elastic body (cross-sectional area S and length Г) can be expressed by the following relation:

где:Where:

Е - модуль упругости, являющийся механической характеристикой материала упругого тела.E is the modulus of elasticity, which is the mechanical characteristic of the material of an elastic body.

Если обозначить относительное удлинение какIf we denote the elongation as

а механическое напряжение в поперечном сечении какand mechanical stress in cross section as

где:Where:

F - сила, приложенная к упругому телу;F is the force applied to the elastic body;

S - площадь поперечного сечения упругого тела,S is the cross-sectional area of the elastic body,

то закон Гука в относительной форме запишется как:then Hooke’s law in relative form is written as:

Следовательно, представляется возможным откалибровать при помощи эталона упругий элемент калибровочной установки таким образом, чтобы в диапазоне упругих деформаций он имел известную зависимость упругой деформации 6 от приложенной силы F, осуществляя таким образом функцию преобразования силы в упругую деформацию, которая может быть измерена лазерным интерферометром. Эта известная зависимость в дальнейшем будет использоваться как эталонная при калибровке других преобразователей переменной силы. Конструктивно упругий элемент является частью крышки калибровочной установки, в которой (крышке) выполнена концентрическая кольцевая проточка (ряд проточек) определенной глубины, ширины и радиуса. На внешний торец упругого элемента нанесено отражающее покрытие для возможности измерений его упругой деформации посредством лазерного интерферометра. Внешний вид упругого элемента схематически изображен на рис. 2.Therefore, it seems possible to calibrate the elastic element of the calibration apparatus using a standard so that in the range of elastic deformations it has a known dependence of the elastic deformation 6 on the applied force F, thus performing the function of converting the force into elastic deformation, which can be measured by a laser interferometer. This known dependence will be used as a reference in the calibration of other transducers of variable strength. Structurally, the elastic element is part of the lid of the calibration installation, in which (the lid) is made a concentric annular groove (a series of grooves) of a certain depth, width and radius. A reflective coating is applied to the outer end of the elastic element to allow measurements of its elastic deformation by means of a laser interferometer. The appearance of the elastic element is schematically shown in Fig. 2.

Способ позволяет использовать различные по форме возбуждающие силы, что обеспечивает калибровку не только на синусоидальном, но и других по форме (прямоугольный, треугольный, случайный и их комбинациях, серии последовательных импульсов) силах, соответствующих режимам измерений преобразователей в реальных условиях эксплуатации, и позволяет определять амплитудно- и фазочастотные характеристики преобразователей в широком диапазоне частот (от 1 Гц до 20⋅10³ Гц).The method allows the use of excitatory forces of various shapes, which provides calibration not only on a sinusoidal, but also other in form (rectangular, triangular, random and their combinations, series of consecutive pulses) forces corresponding to the measurement modes of the transducers in real operating conditions, and allows to determine amplitude and phase-frequency characteristics of converters in a wide range of frequencies (from 1 Hz to 20⋅10 ³ Hz).

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На рис. 1 схематически изображено устройство для калибровки преобразователей переменной силы с использованием лазерного интерферометра.In fig. 1 schematically shows a device for calibrating variable-force transducers using a laser interferometer.

Перечень позиций к рис. 1:The list of items in Fig. one:

1 - лазерный интерферометр;1 - laser interferometer;

2 - отражающее покрытие;2 - reflective coating;

3 - кольцевая проточка;3 - annular groove;

4 - упругий элемент;4 - an elastic element;

5 - корпус;5 - case;

6 - калибруемый преобразователь переменной силы;6 - calibrated transducer of variable strength;

7 - измерительный усилитель;7 - measuring amplifier;

8 - возбудитель переменной силы;8 - pathogen of variable strength;

9 - генератор.9 - generator.

На рис. 2 схематически изображена конструкция упругого элемента калибровочной установки.In fig. 2 schematically shows the construction of the elastic element of the calibration unit.

Перечень позиций к рис. 2:The list of items in Fig. 2:

2 - отражающее покрытие;2 - reflective coating;

3 - кольцевая проточка;3 - annular groove;

4 - упругий элемент.4 - elastic element.

Claims

A method for measuring the force applied to a variable force transducer for subsequent calibration, characterized in that the variable force excited by the variable force exciter 8 is converted by elastic element 4 into elastic deformation, which is measured using a laser interferometer 1.