RU2112228C1

RU2112228C1 - Surface friction stress sensor

Info

Publication number: RU2112228C1
Application number: RU96116534A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Тарасов
Original assignee: Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1996-08-12
Publication date: 1998-05-27

Abstract

FIELD: measurement of friction stress on surface of aircraft, ships, cars and other transport facilities. SUBSTANCE: friction sensor has body which accommodates two rigid parallel plates used as displacement pickup elements. Lower plate is coupled to body, and upper plate is capable of moving. Space between plates, as well as between plates and body is filled with polymeric gel. Flow cause upper plate to move in direction of friction force action. This shift is measured by displacement pickup. According to Hooke's law upper plate shift is proportional to friction stress, therefore pickup has linear characteristic. EFFECT: high accuracy and reliability of measurement. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения напряжения трения на поверхности самолетов, судов, автомобилей и других транспортных средств и их моделей. The invention relates to measuring equipment and can be used to determine the friction stress on the surface of airplanes, ships, cars and other vehicles and their models.

Известен датчик напряжения трения, содержащий чувствительный элемент в виде платиновой резистивной пленки, напыленной на стеклянную подложку. (Winter R. G. An outline of the techniques avaliable for the measurement of skin fricnion in turbulent boundary layers. ; "Progress in Aerospace Science", 1977, v. 18, N1, p. 43 - 45). Принцип измерения датчика основан на аналогии Рейнольдса между теплообменом и трением. Измеряя тепловой поток, рассеиваемый датчиком, определяют величину напряжения трения. A known friction stress sensor containing a sensing element in the form of a platinum resistive film deposited on a glass substrate. (Winter R. G. An outline of the techniques avaliable for the measurement of skin fricnion in turbulent boundary layers.; "Progress in Aerospace Science", 1977, v. 18, N1, p. 43 - 45). The measuring principle of the sensor is based on the Reynolds analogy between heat transfer and friction. By measuring the heat flux scattered by the sensor, the magnitude of the friction stress is determined.

К недостаткам датчика следует отнести недостаточную точность измерения, поскольку способ измерений косвенный. The disadvantages of the sensor include insufficient measurement accuracy, since the measurement method is indirect.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, содержащее чувствительный элемент, представляющий собой пленку упругого вещества - полимерного геля заданной толщины с известным модулем сдвига. Чувствительный элемент нанесен на поверхность модели, на поверхность модели и чувствительного элемента нанесены маркеры. Сдвиговую деформацию пленки под действием потока измеряют оптическим методом. Величину напряжения трения определяют из закона Гука (SU, авт. св. 1822252)

,
где
τ_m - напряжение трения в точке M;
G - модуль сдвига упругого вещества;
X_m- сдвиг поверхности пленки в точке M;
h - толщина пленки.Closest to the invention, the technical solution is a device containing a sensitive element, which is a film of an elastic substance - a polymer gel of a given thickness with a known shear modulus. A sensitive element is applied to the surface of the model, markers are applied to the surface of the model and sensitive element. Shear deformation of the film under the action of flow is measured by the optical method. The magnitude of the friction stress is determined from Hooke's law (SU, ed. St. 1822252)

,
Where
τ _m is the friction stress at point M;
G is the shear modulus of the elastic substance;
X _m is the shift of the film surface at point M;
h is the film thickness.

Такое техническое решение повышает точность измерений, поскольку напряжение трения измеряется непосредственно и можно проводить прямую градуировку устройства. Such a technical solution improves the accuracy of measurements, since the friction stress is measured directly and it is possible to directly calibrate the device.

Это устройство имеет ряд недостатков, затрудняющих его применение для измерения напряжения трения на поверхности натурных объектов и их моделей. К числу этих недостатков можно отнести сложность нанесения на поверхность обтекаемого тела тонкой однородной пленки упругого вещества известной толщины, а также технические трудности измерения сдвиговой деформации пленки под действием потока. Эти факторы не позволяют реализовать на практике потенциально высокую точность измерений. This device has several disadvantages that make it difficult to use to measure the friction stress on the surface of field objects and their models. These disadvantages include the difficulty of applying a thin uniform film of elastic material of known thickness to the surface of the streamlined body, as well as the technical difficulties of measuring the shear strain of the film under the action of the flow. These factors do not allow the practical implementation of a potentially high measurement accuracy.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и надежности измерений и расширение области применения устройства. Точность и надежность повышаются за счет того, что сдвиг чувствительного элемента под действием силы трения измеряется внутренним датчиком перемещения, что является техническим результатом. The objective of the present invention is to improve the accuracy and reliability of measurements and expand the scope of the device. The accuracy and reliability are improved due to the fact that the shift of the sensitive element under the action of the frictional force is measured by an internal displacement sensor, which is a technical result.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения напряжения трения, содержащем чувствительный элемент, представляющий собой пленку упругого вещества - полимерного геля заданной толщины с известным модулем сдвига, чувствительный элемент расположен между двумя жесткими параллельными пластинами, являющимися элементами датчика перемещения. Конструкция расположена в жестком корпусе. Внутри корпуса расположен термодатчик. The technical result is achieved by the fact that in a device for measuring friction stress, containing a sensitive element, which is a film of an elastic substance - a polymer gel of a given thickness with a known shear modulus, the sensitive element is located between two rigid parallel plates, which are elements of a displacement sensor. The design is located in a rigid case. Inside the case is a temperature sensor.

На фиг.1 изображена общая конструкция датчика трения; на фиг. 2 - конструкция датчика трения с емкостным измерителем перемещения; на фиг.3 - конструкция датчика трения с оптронным измерителем перемещения. Figure 1 shows the General design of the friction sensor; in FIG. 2 - design of a friction sensor with a capacitive displacement meter; figure 3 - design of the friction sensor with an optocoupler displacement meter.

Корпус 1 датчика на фиг.1 содержит две жесткие пластины 2, являющиеся элементами датчика перемещения. Нижняя пластина скреплена с корпусом. Пространство между пластинами, а также пространство между пластинами и корпусом залито полимерным гелем 3. Датчик снабжен монтажным кольцом 4, точно согласованным размерами с датчиком. Внутри корпуса расположен термодатчик 5. The housing 1 of the sensor in figure 1 contains two rigid plates 2, which are elements of a displacement sensor. The bottom plate is bonded to the body. The space between the plates, as well as the space between the plates and the body, is filled with a polymer gel 3. The sensor is equipped with a mounting ring 4, precisely matched with the sensor. Inside the housing is a temperature sensor 5.

Принцип работы датчика трения
Перед началом измерений монтажное кольцо 4 устанавливается заподлицо с поверхностью обтекаемого тела, затем в него вставляется датчик. Это позволяет устанавливать поверхность верхней пластины заподлицо с поверхностью обтекаемого тела. Поэтому сила, действующая на верхнюю пластину 2, при воздействии потока обусловлена только трением. Под действием трения потока, верхняя пластина сдвигается относительно нижней на величину x в направлении действия силы трения. Этот сдвиг измеряется датчиком перемещения, состоящим из верхней и нижней пластин 2. Величина напряжения трения определяется из закона Гука по формуле :

,
Отношение G/h определяется градуировкой. Модуль сдвига полимерного геля G зависит от температуры. Поэтому для компенсации этой зависимости измеряют его температуру, с помощью термодатчика, а затем вносят поправку.The principle of operation of the friction sensor
Before starting measurements, the mounting ring 4 is installed flush with the surface of the streamlined body, then a sensor is inserted into it. This allows you to set the surface of the upper plate flush with the surface of the streamlined body. Therefore, the force acting on the upper plate 2, when exposed to flow, is due only to friction. Under the action of flow friction, the upper plate shifts relative to the lower by an amount x in the direction of the friction force. This shift is measured by a displacement sensor, consisting of upper and lower plates 2. The magnitude of the friction stress is determined from Hooke's law by the formula:

,
The G / h ratio is determined by graduation. The shear modulus of the polymer gel G is temperature dependent. Therefore, to compensate for this dependence, its temperature is measured using a temperature sensor, and then a correction is made.

Датчик трения с емкостным измерением перемещения
Чтобы повысить точность измерений, применяют емкостное измерение перемещения. В таком датчике трения пластины изготовлены из диэлектрика, на внутренних поверхностях пластин сформированы проводящие емкостные элементы, которые образуют емкостной мост. Выход моста подключен к дифференциальному усилителю с высоким входным сопротивлением, расположенному внутри датчика. Емкостной измеритель перемещения обладает высокой чувствительностью и точностью, что приводит к повышению точности измерения напряжения трения.Capacitive displacement friction sensor
To increase the accuracy of measurements, capacitive displacement measurement is used. In such a friction sensor, the plates are made of a dielectric, conductive capacitive elements are formed on the inner surfaces of the plates, which form a capacitive bridge. The bridge output is connected to a differential amplifier with a high input impedance located inside the sensor. Capacitive displacement meter has high sensitivity and accuracy, which leads to increased accuracy of measuring friction stress.

На фиг. 2 изображена конструкция датчика трения с емкостным измерением перемещения. Корпус 1 датчика содержит две диэлектрические пластины 2, нижняя пластина скреплена с корпусом. На внутренних поверхностях пластин сформированы емкостные элементы. Эти элементы представляют собой металлизированные полоски, лежащие в плоскости, перпендикулярной чертежу. Эти полоски соединены через, одну, так как показано на фиг.2 и образуют емкостной мост 6. Пространство между пластинами, а также пространство между пластинами и корпусом залито полимерным гелем. Выход моста подключен к дифференциальному усилителю с высоким входным сопротивлением 4, расположенному внутри датчика. Внутри корпуса расположен термодатчик 3. Датчик снабжен монтажным кольцом 5. In FIG. 2 shows the design of a friction sensor with capacitive displacement measurement. The housing 1 of the sensor contains two dielectric plates 2, the lower plate is fastened to the housing. Capacitive elements are formed on the inner surfaces of the plates. These elements are metallized strips lying in a plane perpendicular to the drawing. These strips are connected through one, as shown in FIG. 2 and form a capacitive bridge 6. The space between the plates, as well as the space between the plates and the body, is filled with polymer gel. The bridge output is connected to a differential amplifier with a high input impedance 4 located inside the sensor. Inside the housing is a temperature sensor 3. The sensor is equipped with a mounting ring 5.

Принцип работы датчика
При сдвиге верхней пластины 2 под действием силы трения вправо, емкость группы полос А и группы полос Г ( C13) увеличивается на величину dC; ( C13 = C + dC). Емкость группы полос А и группы полос В уменьшается на величину dC (C14 = C - dC). Аналогично происходит изменение емкости C23 и C24. При этом происходит разбалланс емкостного моста 6. Если на вход моста А-Б подано напряжение переменного тока амплитуды U, то напряжение на выходе моста В-Г будет равно u = U • (dC/C). Поскольку сигнал с моста пропорционален сдвигу пластин, то зависимость между сигналом с датчика и напряжением трения также линейна u = D•τ. . Коэффициент D определяется градуировкой. Усилитель с высоким входным сопротивлением служит буфером, чтобы исключить влияние соединительных проводов, которые сами образуют емкостной мост.The principle of operation of the sensor
When the upper plate 2 is shifted by the frictional force to the right, the capacity of the group of bands A and the group of bands G (C13) increases by dC; (C13 = C + dC). The capacity of band group A and band group B decreases by dC (C14 = C - dC). Similarly, the capacitance C23 and C24 change. In this case, an imbalance of the capacitive bridge 6 occurs. If an AC voltage of amplitude U is applied to the input of the AB bridge, the voltage at the output of the V-D bridge will be u = U • (dC / C). Since the signal from the bridge is proportional to the plate shift, the relationship between the signal from the sensor and the friction stress is also linear u = D • τ. . Coefficient D is determined by graduation. An amplifier with a high input impedance serves as a buffer to eliminate the influence of connecting wires, which themselves form a capacitive bridge.

Датчик трения с оптическим измерением перемещения,
Чтобы повысить локальность измерений, применяют оптическое измерение перемещения. В таком датчике трения верхняя пластина изготовлена из непрозрачного материала, на внутренней поверхности пластины сформирован отражатель. Нижняя пластина изготовлена из полупроводника, на внутренней поверхности пластины сформирована микрооптопара, представляющая собой светодиод в центре и два фотодиода по краям пластины. Оптронный измеритель перемещения обладает малыми размерами и позволяет уменьшить размер верхней пластины до одного миллиметра, что повышает локальность измерений.Friction sensor with optical measurement of displacement,
To increase the locality of measurements, an optical measurement of displacement is used. In such a friction sensor, the upper plate is made of an opaque material, and a reflector is formed on the inner surface of the plate. The bottom plate is made of a semiconductor, on the inner surface of the plate a micro optocoupler is formed, which is an LED in the center and two photodiodes at the edges of the plate. The optocoupler displacement meter is small and allows to reduce the size of the upper plate to one millimeter, which increases the locality of the measurements.

На фиг. 3 изображена конструкция датчика трения с оптическим измерением перемещения. Корпус 1 датчика содержит две пластины. Нижняя, скрепленная с корпусом пластина 2, изготовлена из полупроводника, на внутренней поверхности пластины сформирована микрооптопара, представляющая собой светодиод 4 в центре и два фотодиода 5 по краям пластины. Верхняя пластина 3 изготовлена из непрозрачного материала, на внутренней поверхности пластины сформирован отражатель 6. Отражатель, светодиод и фотодиоды сформированы в виде полос, лежащих в плоскостях, перпендикулярных плоскости чертежа. Внутри корпуса расположен термодатчик 7. Датчик снабжен монтажным кольцом 8. In FIG. 3 shows the design of a friction sensor with optical displacement measurement. The housing 1 of the sensor contains two plates. The lower plate 2 attached to the housing is made of a semiconductor, and a microoptic pair is formed on the inner surface of the plate, which is an LED 4 in the center and two photodiodes 5 at the edges of the plate. The upper plate 3 is made of opaque material, a reflector 6 is formed on the inner surface of the plate. The reflector, LED and photodiodes are formed in the form of strips lying in planes perpendicular to the plane of the drawing. Inside the housing is a temperature sensor 7. The sensor is equipped with a mounting ring 8.

Принцип работы датчика
При сдвиге верхней пластины с отражателем 3 под действием силы трения вправо, освещенность правого фотодиода увеличивается, а левого уменьшается. Поскольку ток с фотодиода пропорционален его освещенности, то величина

,
где
I₁ - фототок с первого фотодиода;
I₂ - фототок со второго фотодиода,
будет пропорционален сдвигу пластин, а следовательно, напряжению трения S = D•τ . Коэффициент D определяется градуировкой.The principle of operation of the sensor
When the upper plate with the reflector 3 is shifted under the action of the friction force to the right, the illumination of the right photodiode increases, and the left decreases. Since the current from the photodiode is proportional to its illumination, the value

,
Where
I ₁ - photocurrent from the first photodiode;
I ₂ - photocurrent from the second photodiode,
will be proportional to the shear of the plates, and hence to the friction stress S = D • τ. Coefficient D is determined by graduation.

Заявителем были изготовлены датчики трения со следующими характеристиками :
Диапазон измерения тангенциального напряжения - 3000 Па
Диапазон рабочих частот - 0-600 Гц
Диапазон рабочих температур - -40 - +130
Размеры чувствительной площадки - 10•11 мм
Проведенные лабораторные и трубные исследования показали, что датчики обладают высокими техническими характеристиками и обеспечивают высокую точность и надежность измерений.The applicant manufactured friction sensors with the following characteristics:
Tangential stress measurement range - 3000 Pa
Range of working frequencies - 0-600 Hz
Operating temperature range - -40 - +130
Dimensions of the sensitive area - 10 • 11 mm
Laboratory and tube studies have shown that the sensors have high technical characteristics and provide high accuracy and reliability of measurements.

Claims

1. A surface friction stress sensor containing a sensing element made in the form of a film of an elastic substance, mainly a polymer gel, characterized in that the sensor is provided with a housing inside which a thermal sensor and two rigid parallel plates are located, between which the sensing element is located.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the plates are made of a dielectric, conductive capacitive elements are formed on the inner surfaces of the plates, which form a capacitive bridge, the bridge output is connected to a differential amplifier with a high input resistance located inside the sensor.

3. The sensor according to claim 1, characterized in that the upper plate is made of opaque material, a reflector is formed on the inner surface of the plate, the lower plate is made of semiconductor, a microoptocouple is formed on the inner surface of the plate, which is an LED in the center and two photodiodes at the edges of the plate .