RU2123672C1

RU2123672C1 - Force measuring device

Info

Publication number: RU2123672C1
Application number: RU97118532A
Authority: RU
Inventors: Е.М. Патрушев; С.Г. Коряковцев
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им.И.И.Ползунова
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 1998-12-20

Abstract

FIELD: force measurement technology. SUBSTANCE: two piezoelectric elements facing each other with end surfaces are interconnected acoustically by connecting element in form of air layer. Fastening members of piezoelectric element in form of air layer. Fastening members of piezoelectric elements are coupled to flexible members. Two generators are connected to covers of piezoelectric elements. Modulation meter is connected to first generator output. Control unit input is connected to modulation meter output, and output is connected to second generator amplitude control input with provision for beat mode with partial increase in frequencies and stability of modulation depth of first generator oscillations. Outputs of first and second generators are connected to phase comparator comparison inputs. Phase comparator count permission outputs are connected to count permission inputs of two counter units. Second generator output is connected to count inputs. Outputs of two counter units are connected to computing device inputs. EFFECT: enhanced stability of force measurement. 1 dwg

Description

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности. The invention relates to load measuring equipment and can be used in various industries.

Известно устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных пьезоэлемента, расположенных параллельно друг другу, элементы передачи измеряемого усилия, соединенные с пьезоэлементами, элемент связи в виде заземленной прокладки, генератор электрических колебаний, подключенный к наружной обкладке первого пьезоэлемента, блок сравнения, подключенный к двум другим наружным обкладкам пьезоэлементов и измерительный прибор, подключенный к выходу блока сравнения (см. авторское свидетельство СССР N 1164562). A device for measuring forces is known, containing two acoustically connected piezoelectric elements arranged parallel to each other, transmission elements of the measured force connected to the piezoelectric elements, a communication element in the form of a grounded gasket, an electric oscillation generator connected to the outer lining of the first piezoelectric element, a comparison unit connected to two other outer plates of the piezoelectric elements and a measuring device connected to the output of the comparison unit (see USSR author's certificate N 1164562).

Недостатком указанного устройства является наличие погрешностей, связанных с нестабильностью акустического контакта пьезоэлементов с силопередающими элементами, в частности, неидентичностью акустических потерь пьезоэлементов и элементов конструкции устройства. The disadvantage of this device is the presence of errors associated with the instability of the acoustic contact of the piezoelectric elements with power transmitting elements, in particular, the non-identity of the acoustic losses of the piezoelectric elements and structural elements of the device.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) является устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных и подключенных друг к другу через элемент связи в виде заземленной прокладки пьезоэлемента, расположенные параллельно друг другу и имеющие по две наружных обкладки, элементы передачи измеряемого усилия, соединенные с пьезоэлементами, два генератора электрических колебаний, подключенные к наружным обкладкам пьезоэлементов, фазовый детектор и блок сравнения сигналов, подключенные к двум другим наружным обкладкам пьезоэлементов. При этом выход блока сравнения соединен с входом второго генератора, а выход фазового детектора - с измерительным прибором (см. патент РФ N 2082121). The closest in technical essence (prototype) is a device for measuring forces, containing two acoustically coupled and connected to each other through a communication element in the form of a grounded piezoelectric element gasket located parallel to each other and having two outer plates, transmission elements of the measured force connected to piezoelectric elements, two generators of electrical oscillations connected to the outer plates of the piezoelectric elements, a phase detector and a signal comparison unit connected to two other external circuits dkam piezoelectric elements. The output of the comparison unit is connected to the input of the second generator, and the output of the phase detector is connected to a measuring device (see RF patent N 2082121).

Однако описанное устройство для измерения усилий не позволяет обеспечить высокую стабильность измерений, во-первых, вследствие нестабильности акустического контакта, т.к. элемент связи выполнен в виде заземленной прокладки, во-вторых, из-за низкой стабильности параметров пьезоэлементов при изменении параметров окружающей среды, в-третьих, из-за низкой стабильности параметров пьезоэлементов под воздействием измеряемого усилия непосредственно на пьезоэлементы. Кроме этого, устройство не позволяет получить удобную для обработки цифровыми устройствами форму представления информативного параметра, т.к. на выходе устройства присутствует аналоговый сигнал. However, the described device for measuring forces does not allow for high measurement stability, firstly, due to the instability of the acoustic contact, because the communication element is made in the form of a grounded gasket, secondly, due to the low stability of the parameters of the piezoelectric elements when changing environmental parameters, and thirdly, due to the low stability of the parameters of the piezoelectric elements under the influence of the measured force directly on the piezoelectric elements. In addition, the device does not allow to obtain a form of representing an informative parameter convenient for processing by digital devices, because an analog signal is present at the output of the device.

Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство для измерения усилий, содержащее два акустически связанных между собой элементом связи пьезоэлемента, элементы передачи измеряемого усилия, два генератора электрических колебаний, подключенные к обкладкам пьезоэлементов введены модуломер, вход которого подключен к выходу первого генератора, блок управления, вход которого подключен к выходу модуломера, а выход - ко входу управления амплитудой второго генератора с обеспечением режима биений с частичным увлечением частот и постоянством глубины модуляции колебаний первого генератора, фазовый компаратор, к входам сравнения которого подключены выходы первого и второго генераторов, два блока счетчиков, к входам разрешения счета которых подключены выходы разрешения счета фазового компаратора, к входам счета - выход второго генератора, устройство вычисления, к входам которого подключены выходы двух блоков счетчиков, при этом акустически связанные между собой элементом связи в виде воздушного слоя пьезоэлементы, элементы крепления которых соединены с упругими элементами, обращены друг к другу торцевыми поверхностями. The essence of the invention lies in the fact that in the known device for measuring forces, containing two acoustically connected by a piezoelectric element, the transmission elements of the measured force, two generators of electrical vibrations connected to the plates of the piezoelectric elements introduced modulator, the input of which is connected to the output of the first generator, block control, the input of which is connected to the output of the modulator, and the output to the input of the amplitude control of the second generator with the provision of the beat mode with partial enthusiasm often t and the constancy of the depth of modulation of the oscillations of the first generator, a phase comparator, to the comparison inputs of which the outputs of the first and second generators are connected, two blocks of counters, to the count resolution inputs of which the count resolution outputs of the phase comparator are connected, to the count inputs - the output of the second generator, the calculation device, the inputs of which are connected the outputs of two blocks of meters, while piezoelectric elements are acoustically connected to each other by a communication element in the form of an air layer, the fastening elements of which are connected to of the elements facing each other end faces.

Техническим результатом является повышение стабильности измерений усилий и обеспечение получения более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра. The technical result is to increase the stability of force measurements and to provide a more convenient form of representing an informative parameter for processing by digital devices.

Повышение стабильности измерений обеспечивается путем введения в устройство для измерения усилий модуломера и блока управления, устраняющих нестабильность амплитуд колебаний генераторов, устройства вычисления, снижающего влияние нестабильности расстройки частот генераторов. Обеспечение получения более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра достигается вследствие того, что цифровой код, получаемый на выходе предлагаемого устройства, легко ввести в ЭВМ для дальнейшей обработки. Improving the stability of measurements is provided by introducing into the device for measuring the efforts of the modulator and the control unit, eliminating the instability of the oscillation amplitudes of the generators, a computing device that reduces the effect of the instability of the detuning of the frequency of the generators. The provision of obtaining a more convenient form of representing an informative parameter for processing by digital devices is achieved due to the fact that the digital code received at the output of the proposed device is easy to enter into a computer for further processing.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где схематично изображено устройство для измерения усилий. The invention is illustrated in the drawing, which schematically shows a device for measuring forces.

Предлагаемое устройство для измерения усилий содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2, два пьезоэлемента 3 и 4 с четырьмя обкладками 5, 6, 7 и 8, элемент связи в виде воздушного слоя 9, упругие элементы 10 и 11, элементы крепления 12 и 13 пьезоэлементов 3 и 4, элементы передачи измеряемого усилия 14 и 15, модуломер 16, блок управления 17, фазовый компаратор 18, блоки счетчиков 19 и 20, устройство вычисления 21. The proposed device for measuring forces contains electric oscillation generators 1 and 2, two piezoelectric elements 3 and 4 with four plates 5, 6, 7 and 8, a communication element in the form of an air layer 9, elastic elements 10 and 11, fasteners 12 and 13 of the piezoelectric elements 3 and 4, transmission elements of the measured force 14 and 15, a modulator 16, a control unit 17, a phase comparator 18, counter blocks 19 and 20, a calculation device 21.

Генераторы электрических колебаний 1 и 2 подключены к обкладкам 5, 6, 7 и 8 пьезоэлементов 3 и 4. Выход генератора 1 подключен ко входу модуломера 16, выход модуломера 16 соединен со входом блока управления 17, выход блока управления соединен со входом управления амплитудой колебаний генератора 2. Пьезоэлементы 3 и 4 установлены в узлах колебаний на упругих элементах 10 и 11 элементами крепления 12 и 13, расположены торцевыми поверхностями друг к другу и акустически связаны через воздушный слой 9. Выходы генераторов 1 и 2 подключены ко входам сравнения фазового компаратора 18. Первый выход разрешения счета фазового компаратора 18 соединен со входом разрешения счета блока счетчиков 19, второй выход разрешения счета фазового компаратора 18 соединен со входом разрешения счета блока счетчиков 20, а выход генератора 2 подключен ко входам счета блоков счетчиков 19 и 20. Выходы блоков счетчиков 19 и 20 подключены ко входам устройства вычисления 21. Измеряемое усилие, воздействуя через элементы передачи измеряемого усилия 14 и 15, выполненные в форме конусов, приводит к деформации изгиба упругих элементов 10 и 11 и изменению величины воздушного слоя 9, пропорциональному величине измеряемого усилия. The oscillation generators 1 and 2 are connected to the plates 5, 6, 7 and 8 of the piezoelectric elements 3 and 4. The output of the generator 1 is connected to the input of the modulator 16, the output of the modulator 16 is connected to the input of the control unit 17, the output of the control unit is connected to the control input of the oscillation amplitude of the generator 2. Piezoelectric elements 3 and 4 are installed in the vibration nodes on the elastic elements 10 and 11 by the fastening elements 12 and 13, are located by the end surfaces to each other and are acoustically connected through the air layer 9. The outputs of the generators 1 and 2 are connected to the phase comparison inputs new comparator 18. The first output of the resolution of the account of the phase comparator 18 is connected to the input of the resolution of the count of the block of counters 19, the second output of the resolution of the count of the phase comparator 18 is connected to the input of the resolution of the count of the block of counters 20, and the output of the generator 2 is connected to the counting inputs of the counters 19 and 20. The outputs of the counters 19 and 20 are connected to the inputs of the calculation device 21. The measured force, acting through the transmission elements of the measured force 14 and 15, made in the form of cones, leads to bending deformation of the elastic elements 10 and 11 and a change in the magnitude of the air layer 9, proportional to the magnitude of the measured force.

Устройство для измерения усилий работает следующим образом. Воздействие измеряемого усилия через элементы передачи 14 и 15 приводит к деформации изгиба упругих элементов 10 и 11. При этом пьезоэлементы 3 и 4 совершают перемещение навстречу друг другу. Для величины изменения расстояния между пьезоэлементами (Δ1) можно записать:
Δl = F^*S, (1)
где
F - измеряемое усилие,
S - податливость упругих элементов.A device for measuring forces works as follows. The influence of the measured force through the transmission elements 14 and 15 leads to bending deformation of the elastic elements 10 and 11. In this case, the piezoelectric elements 3 and 4 move towards each other. For the magnitude of the change in the distance between the piezoelectric elements (Δ1), you can write:
Δl = F ^* S, (1)
Where
F is the measured force
S is the compliance of elastic elements.

Силочувствительность данного устройства основана на изменении сдвига фаз в канале акустической связи за счет изменения величины воздушного слоя. Установка пьезоэлементов торцом друг к другу позволяет уменьшить образование стоячих волн, при этом повышается линейность преобразования расстояния между пьезоэлементами в сдвиг фаз в канале акустической связи. Сдвиг фаз в канале акустической связи (ψ) выражается формулой:

где
ω₂ - частота колебаний генератора 2,
l₀ - начальное расстояние между пьезоэлементами 3 и 4, выбираемое из условия:

где
c - скорость звука в воздухе,
n=0, 1, 2, 3... .The sensitivity of this device is based on a change in the phase shift in the acoustic communication channel due to a change in the size of the air layer. The installation of the piezoelectric elements end to each other allows to reduce the formation of standing waves, while increasing the linearity of the conversion of the distance between the piezoelectric elements in the phase shift in the acoustic communication channel. The phase shift in the acoustic communication channel (ψ) is expressed by the formula:

Where
ω ₂ - the oscillation frequency of the generator 2,
l ₀ - the initial distance between the piezoelectric elements 3 and 4, selected from the condition:

Where
c is the speed of sound in air,
n = 0, 1, 2, 3 ....

От генераторов 1 и 2 осуществляется возбуждение пьезоэлементов 3 и 4 в режиме автоколебаний. Наличие акустической связи между пьезоэлементами 3 и 4 через воздушный слой 9 обеспечивает связь между генераторами. Режим биений с частичным увлечением частот обеспечивается при соблюдении условия:

где
p - отношение полуширины полосы синхронизма к расстройке,
γ - коэффициент акустической связи,

относительная расстройка частот генераторов 1 и 2,
ω₁ - частота колебаний генератора 1,
k=U₂/U₁ - соотношение амплитуд колебаний генераторов 2 и 1,
U₁, U₂ - амплитуды колебаний генераторов 1 и 2.From the generators 1 and 2, the piezoelectric elements 3 and 4 are excited in the self-oscillation mode. The presence of acoustic communication between the piezoelectric elements 3 and 4 through the air layer 9 provides a connection between the generators. The beat mode with a partial enthusiasm for frequencies is provided subject to the conditions:

Where
p is the ratio of the half-width of the synchronism band to the detuning,
γ is the acoustic coupling coefficient,

relative mismatch of the frequencies of the generators 1 and 2,
ω ₁ - oscillation frequency of the generator 1,
k = U ₂ / U ₁ - the ratio of the amplitudes of the oscillations of the generators 2 and 1,
U ₁ , U ₂ - oscillation amplitudes of the generators 1 and 2.

Соотношение амплитуд (k) выбрано так, что биения испытывает только генератор l, при этом для глубины модуляции (M) можно записать:

На выходе модуломера 16 устанавливается напряжение, пропорциональное глубине модуляции (M), а блок управления 17 устанавливает амплитуду колебаний U₂ генератора 2 так, чтобы поддерживалась постоянной глубина модуляции (M). При этом:

В режиме биений с частичным увлечением частот для разности фаз колебаний генераторов (Δφ) с учетом сдвига фаз в канале акустической связи (ψ) можно записать:

где
φ₁, φ₂ - фазы колебаний генераторов 1 и 2,
Δω = ω₂-ω₁ - абсолютная расстройка частот,
t - время.The ratio of amplitudes (k) is chosen so that only the generator l experiences the beats, while for the modulation depth (M) we can write:

At the output of the modulator 16, a voltage proportional to the modulation depth (M) is set, and the control unit 17 sets the oscillation amplitude U _{2 of the} generator 2 so that the modulation depth (M) is kept constant. Wherein:

In the beat mode with partial frequency entrainment for the phase difference of the oscillators of the oscillators (Δφ), taking into account the phase shift in the acoustic communication channel (ψ), one can write:

Where
φ ₁ , φ ₂ - phase oscillation of the generators 1 and 2,
Δω = ω ₂ -ω ₁ - absolute frequency detuning,
t is time.

Если из уравнения (7) выразить t, а вместо Δφ подставить 2πn, либо π+2πn, то можно получить моменты времени совпадения фазы (t₁) либо противофазы (t₂) соответственно:

Фазовый компаратор 18 переключается в режим разрешения счета для блока счетчиков 19 в моменты времени t₁, а для блока счетчиков 20 в моменты времени t₂. Для случая Δω > 0 интервалы времени при Δφ ∈ [2πn, π+2πn] и при Δφ ∈ [π+2πn, 2π+2πn] соответственно

определяются как:

где
T₆ - период биения.If we express t from equation (7) and substitute 2πn or π + 2πn instead of Δφ, then we can obtain the time moments of the coincidence of phase (t ₁ ) or antiphase (t ₂ ), respectively:

The phase comparator 18 switches to the count resolution mode for the block of counters 19 at time t ₁ , and for the block of counters 20 at time t ₂ . For the case Δω> 0, the time intervals for Δφ ∈ [2πn, π + 2πn] and for Δφ ∈ [π + 2πn, 2π + 2πn], respectively

defined as:

Where
T ₆ - period of beating.

Таким образом, на выходе блока счетчиков 19 будет присутствовать цифровой код

а на выходе блока счетчиков 20 - цифровой код

Устройство вычисления выдает на выход цифровой код (N), вычисленный по формуле:

при этом выходной код, определяемый как:

практически не будет зависеть от нестабильности амплитуд и расстройки частот колебаний генераторов.Thus, at the output of the block of counters 19 there will be a digital code

and at the output of the counter block 20 is a digital code

The calculation device outputs a digital code (N) calculated by the formula:

wherein the output code is defined as:

practically will not depend on the instability of amplitudes and the detuning of the oscillation frequencies of the generators.

Предлагаемое устройство для измерения усилий позволяет значительно повысить стабильность измерений, во-первых, за счет введения в конструкцию модуломера и блока управления, устраняющих нестабильность амплитуд колебаний генераторов, во-вторых, за счет введения устройства вычисления, при этом устраняется нестабильность расстройки частот генераторов. Кроме того, цифровой код, получаемый на выходе, легко ввести в ЭВМ для дальнейшей обработки. The proposed device for measuring forces can significantly improve the stability of measurements, firstly, by introducing into the design of the modulometer and control unit, eliminating the instability of the oscillation amplitudes of the generators, and secondly, by introducing a calculation device, this eliminates the instability of the frequency detuning of the generators. In addition, the digital code obtained at the output is easy to enter into a computer for further processing.

Claims

A device for measuring forces, containing two piezoelectric coupling element acoustically connected to each other, measured force transmission elements, two electric oscillation generators connected to the piezoelectric plates, characterized in that a modulator is inserted into it, the input of which is connected to the output of the first generator, the control unit, the input of which is connected to the output of the modulometer, and the output to the input of the amplitude control of the second generator with the provision of the beat mode with a partial involvement of the frequencies and the constancy of the depth of oscillations of the first generator, a phase comparator, to the comparison inputs of which the outputs of the first and second generators are connected, two blocks of counters, to the counting resolution inputs of which the counting resolution outputs of the phase comparator are connected, and to the counting inputs - the output of the second generator, the calculation device to the inputs of which the outputs of two counter units are connected, while the piezo-elements, the fastening elements of which are connected to the elastic elements, are acoustically interconnected by a communication element in the form of an air layer, end faces to each other.