SU1093922A1 - Device for measuring force - Google Patents

Device for measuring force Download PDF

Info

Publication number
SU1093922A1
SU1093922A1 SU833571270A SU3571270A SU1093922A1 SU 1093922 A1 SU1093922 A1 SU 1093922A1 SU 833571270 A SU833571270 A SU 833571270A SU 3571270 A SU3571270 A SU 3571270A SU 1093922 A1 SU1093922 A1 SU 1093922A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
amplifier
charge
electrodes
amplifiers
ratio
Prior art date
Application number
SU833571270A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Федорович Терещенко
Original Assignee
Tereshchenko Anatolij F
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tereshchenko Anatolij F filed Critical Tereshchenko Anatolij F
Priority to SU833571270A priority Critical patent/SU1093922A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1093922A1 publication Critical patent/SU1093922A1/en

Links

Landscapes

  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

УСТРОПСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ, содержащее консольно закрепленный биморфный пьезрэлемент с двум  парами электродов, одна из которых соединена с усилителем зар да, . состо щим из усилител , охваченного обратной св зью с помощью емкости, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени  силы при вариации точки ее приложени , оно снабжено вторым усилителем зар да и дифференциальным усилителем, входы которого подключены к выходам усилителей зар дов, при этом друга  пара электродов биморфного пьезоэлемента подключена к второму усилителю зар да, а отношение емкостей усилителей зар да выбрано равным отношению длин соответствующих пар электродов. (ОTHE DEVICE FOR MEASURING A POWER, containing a cantilever bimorph piezelement with two pairs of electrodes, one of which is connected to a charge amplifier,. consisting of an amplifier covered by feedback using a capacitance, characterized in that, in order to increase the accuracy of the force measurement when varying its application point, it is equipped with a second charge amplifier and a differential amplifier whose inputs are connected to the outputs of the charge amplifiers, This other pair of electrodes of the bimorph piezoelectric element is connected to the second charge amplifier, and the ratio of the capacities of the charge amplifiers is chosen equal to the ratio of the lengths of the corresponding pairs of electrodes. (ABOUT

Description

Изобретение относитс  к технике измерени  силы,, массы, ускорени  и других величин с помощью применени  пьезоэлектрических преобразователей, Е)аботагоадих на изгиб. Известны устройства дл  измерени  силы, содержащие консольно закреплен ный в опоре пьезоэлектрический преоб разователь и электроннЕлй усилитель, согласующий преобразователь с оконеч ным измерительным прибором. В качестве согласующего усилител  в последнее врем  преимущественно используетс  усилитель зар да (1. Недостатком этих устройств  вл етс  нестабильность коэффициента пре образовани  силы в электрический сйг нал при вариаци х точки ее приложени . Наиболее близким к изобретению по технической сущности  вл етс  уст ройство дл  измерени  силы, -содержащее консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент с двум  парами электродов , одна из которых соединена с усилителем зар да, состо щим из усилител , охваченного обратной св зью с помощью емкости. Работа устройства основана на пр  мом поперечном пьезоэффекте. При приложении измер емой силы к свободному концу преобразовател  перпендикул рно его широким гран м пьезоплас тины, в результате изгиба испытывают деформации раст жени -сжати , так что возникающие электрические зар ды на гран х пластин и снимаемые с элек тродов преобразовател  сигналы оказы ваютс  пропорциональными действующей силе 2. Однако коэффициент преобразовани  известного устройства зависит от координаты точки приложени  измер емой силы на продольной оси преобразо вател , что приводит к низкой точнос ти измерений при вариаци х места при ложени  силы. Келью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  силы при вариации точки ее приложени . Поставленна  цель достигаетс  тем что устройство дл  измерени  силы, содержащее консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент с двум  парами электродов, одна из которых соединена с усилителем зар да, состо щим из усилител , охваченного обратной св зью с помощью емкости, снабжено вторым усилителем зар да и дифференциальным усилителем, входы кото рого подключены к выходам усилителей зар дов, при этом друга  пара электродов биморфного пьезоэлемента подключена к второму усилителю зар да, а отношение емкостей усилителей зар  да выбрано равным отношению длин соответствующих пар электродов. На чертеже изображена схема предлагэемого устройства. Устройство содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, консольно закрепленный в неподвижной опоре 2, первый усилитель 3 зар да с интегрирующим конденсатором 4, второй усилитель 5 зар да с интегрирующим конденсатором б и дифференциальный усилитель 7 напр жени . Преобразователь 1, в свою очередь, содержит две соединенные вместе (например, склеенные или спа нные) пр моугольные посто нной толщины пьезопластины 8 и 9, снабженные внутренним электродом 10 и двум  внешними электродами, разделенными узкими поперечными зазорами 11 и 12 на первую и вторую пр мо - угольные секции (части) 13, 14 и 15, 16 соответственно. Секции 13 и 15 расположены одна против другой и имеют одинаковый размер в направлении продольной оси преобразовател . Аналогично секции 14 и 16 расположены одна против другой и имеют одинаковую длину, не равную длине секций 13 и 15. Ширина у всех электродов и пьезопластин одинакова . На пьезопластинах 8 и 9 по всей их ширине предусмотрены пр моугольные участки 17 и 18, свободные от электродных покрытий 14 и 16 и расположенные одна против другой. Эти участки  вл ютс  местом приложени  измер емых сил. Закрепление преобразовател  1 в опоре 2 осуществл етс  с помощью сло  кле  19 или винтового прижима. Все электроды 10, 13-16 снабжены индивидуальными металлическими выводами 20-24. С их помощью внутренний электрод 10 подключаетс  к общей шине 25, первые секции 13 и 15 внешних электродов параллельно подключаютс  ко входу 26 первого усилител  3 зар да, а вторые секции 14 и 16 внешних электродов - ко входу 27 второго усилител  5 зар да. В усилител х 3 и 5 применены интегрирующие конденсаторы 4 и 6, отношение емкостей которых  вл етс  равным отношению длин первой и второй секций электродов . Выход усилител  3 (зажим 28) и выход 29 усилител  5 подключены к разноименным входам 30 и 31 дифференциального усилител  7, к выходным зажимам 32 и 33 которого подключаетс  . оконечный измерительный прибор (не показан). В предпочтительном варианте испол-. Мнени  пьезопластины 8 и 9 представл ют собой пластины Х-среза кварца с одинаковым направлением Их кристаллографических осей, причем механическа  ось пластины совпадает с продольной осью пластины, оптическа  осьнаправлена вдоль ширины пластины, , а электрическа  ось кристалла кварца направлена вдоль толщины пластины, например от пластины 9 к пластине 8 Усилители 3 и 5 зар да, выполн емые .на базе операционных высокоомных усилителей посто нного тока имею в своем составе ключи 34 и 35, шунтирующие соответственно конденсаторы 4 и 6. В исходном положении ключи замкнуты, а перед началом эксперимен та ключи 34 и 35 одновременно пере- ключаютс  в разомкнутое положение по команде блока 36 управлени . Устройство работает следующим образом . Под действием измер емой силы, приложенной перпендикул рно широкой грани пластины 8, на ее силоприемном участке 17 весь преобразователь 1 изгибаетс , в результате чего слои пьезопластины 8 испытывают деформации раст жени , а слои пьезопластины 9 - деформации сжати  в направлении продольной оси преобразовател . При этом происходит пол ризаци  пьезопластин , причем вектор пол ризации направлен в каждой пластине перпенди кул рно их главным гран м от внутрен него сло  к наружным сло м. Зар ды, снимаемые с электродов поступают на входы усилителей 3 и 5 и преобразуютс  далее в напр жени  и вычитаютс  в дифференциальном усилителе 7. Сигнал на выходе усилител  7 не зависит от точки ее приложени , если отношение емкостей усилителей зар да выбираетс  равным отношению длин соответствующих пар электродов. Предлагаемое устройство может быт выполнено в нескольких вариантах. В частности, в пьезоэлектрическом преобразователе 1 одна из пьезопластин может быть заменена упругой пр моугольной пластиной, например металли ческой. При этом металлическа  подкрепл юща  пластина, склеенна  с единственной пьезопластиной или с двум  по разные стороны расположенными пьезопластинами, может выполн ть функции электрода 10. В другом варианте исполнени  пре образователь 1 может быть -выполнен с неразделеннытии внешними электрюдами , а поперечным зазором раздел етсн на две секции внутренний электрод 1C При этом внутреннее электродное покрытие наноситс  не полностью на сопр гйемые грани пьезопластин, а с обеспечением свободного от внутреннего электрода пр моугольного участк. на незакрепленном кбнце преобразовател . Пьезопластины-8 и 9 могут выполн тьс  как из кристалла пьезоэлектри ка, так и из пьезокерамики. В последнем случае обе пьезопластины на стадии их изготовлени  пол ризуютс  одинаково в электрическом поле, направленном перпендикул рно широким гран м пластин. Усилители 3 и 5 зар да выполн ютси на базе операционных усилителей посто нного тока, имеющих коэффициент усилени  по напр жению пор дка нескольких дес тков тыс ч раз, и допол ненных электрометрическими входными каскадами. В некоторых случа х усилители 3 и 5 могут представл ть собой измерительные электрометрические усилители или повторители напр жени  без применени  конденсаторов 4 и 6 в цеп х обратной св зи. Блок 36 управлени  ключами 34 и 35 усилителей зар да представл ет собой программируемый или переключаемый оператором генератор импульсного напр жени . В качестве ключей 34 и 35 и формирователей управл ющих воздействий в устройстве используютс  электромагнитные и герконовые реле. Технико-экономическа  эффективность предлагаемого устройства заключаетс  в том, что по сравнению с известными устгюйствами, содержащими консольно закрепленный пьезоэлектрический преобразователь, оно обеспечивает повышение точности измерени  силы Или массы взвешиваемого предмета при вариаци х точки ее приложени  на силоприемном участке преобразовател .The invention relates to a technique for measuring force, mass, acceleration, and other quantities by using piezoelectric transducers, E) working bends. Power measuring devices are known, which contain a cantilever piezoelectric transducer and an electronic amplifier mounted in a support, a matching transducer with a final measuring device. Recently, a charge amplifier has been used predominantly as a matching amplifier (1. The disadvantage of these devices is the instability of the conversion of a force into an electric pulse with variations in its application point. The closest to the invention in technical terms is a device for measuring force , -containing cantilever bimorph piezoelectric element with two pairs of electrodes, one of which is connected to a charge amplifier consisting of an amplifier covered by feedback with Capacitance. The device is based on a direct transverse piezoelectric effect. When a measured force is applied to the free end of the transducer, it is perpendicular to its wide grains of the piezoplates, and as a result of bending, compression deformations occur, so that the resulting electric charges on the plate faces and The signals removed from the converter electrodes are proportional to the acting force 2. However, the conversion coefficient of the known device depends on the coordinate of the point of application of the measured force on the longitudinal th axis transform ers, which leads to low tochnos five measurements with variations of the space when Proposition force. The purpose of the invention is to improve the accuracy of force measurement with a variation in its point of application. The goal is achieved by the fact that a device for measuring force, containing a cantilever bimorph piezoelectric element with two pairs of electrodes, one of which is connected to a charge amplifier consisting of an amplifier covered by feedback with a capacitor, is equipped with a second amplifier and differential amplifier The inputs of which are connected to the outputs of the charge amplifiers, while the other pair of electrodes of the bimorph piezoelectric element is connected to the second charge amplifier, and the ratio of the capacities of the charge amplifiers is but equal to the ratio of the lengths of the respective pairs of electrodes. The drawing shows a diagram of the proposed device. The device comprises a piezoelectric transducer 1, a cantilever mounted in a fixed support 2, a first charge amplifier 3 with an integrating capacitor 4, a second charge amplifier 5 with an integrating capacitor b, and a differential amplifier 7 voltage. Converter 1, in turn, contains two rectangular constant thickness piezoplates 8 and 9 connected together (for example, glued or fused), equipped with an inner electrode 10 and two outer electrodes separated by narrow transverse gaps 11 and 12 monocoque sections (parts) 13, 14 and 15, 16, respectively. Sections 13 and 15 are located one against the other and have the same size in the direction of the longitudinal axis of the converter. Similarly, sections 14 and 16 are located one against the other and have the same length, not equal to the length of sections 13 and 15. The width of all electrodes and piezoplates is the same. On piezoplates 8 and 9, along all their width, rectangular sections 17 and 18 are provided, free from electrode coatings 14 and 16 and located one against the other. These areas are the place of application of the measured forces. The transducer 1 is fixed in support 2 by means of a layer of glue 19 or a screw clamp. All electrodes 10, 13-16 are equipped with individual metal leads 20-24. With their help, the internal electrode 10 is connected to the common bus 25, the first sections 13 and 15 of the external electrodes are connected in parallel to the input 26 of the first charge amplifier 3, and the second sections 14 and 16 of the external electrodes - to the input 27 of the second charge amplifier 5. In amplifiers 3 and 5, integrating capacitors 4 and 6 are used, the ratio of the capacitances of which is equal to the ratio of the lengths of the first and second sections of the electrodes. The output of amplifier 3 (terminal 28) and the output 29 of amplifier 5 are connected to the opposite inputs 30 and 31 of the differential amplifier 7, to the output terminals 32 and 33 of which is connected. terminal meter (not shown). In the preferred embodiment, ispol. The opinions of piezoplates 8 and 9 are X-cut plates of quartz with the same direction of their crystallographic axes, the plate's mechanical axis coinciding with the plate's longitudinal axis, optically aligned along the width of the plate, and the electrical axis of the quartz crystal is directed along the plate thickness, for example from the plate 9 to plate 8 Amplifiers 3 and 5 of charge, performed on the basis of operational high-resistance DC amplifiers, I have keys 34 and 35, bypass capacitors 4 and 6, respectively. position of the switch is closed and before the start of experiments that the keys 34 and 35 are simultaneously transferred klyuchayuts to the open position by the control unit 36 team. The device works as follows. Under the action of the measured force applied perpendicular to the wide face of the plate 8, in its force-receiving section 17, the entire transducer 1 is bent, as a result of which the layers of piezoplates 8 experience tensile deformations, and the layers of piezoplates 9 are compressive deformation in the direction of the longitudinal axis of the converter. When this occurs, polarization of the piezoplates takes place, with the polarization vector directed in each plate perpendicular to their major faces from the inner layer to the outer layers. Charges removed from the electrodes enter the inputs of amplifiers 3 and 5 and are further transformed into voltages and subtracted in the differential amplifier 7. The signal at the output of the amplifier 7 does not depend on the point of its application, if the ratio of the capacitances of the charge amplifiers is chosen to be equal to the ratio of the lengths of the corresponding electrode pairs. The proposed device can be made in several versions. In particular, in piezoelectric transducer 1, one of the piezoelectric plates can be replaced by an elastic rectangular plate, for example, a metal plate. In this case, the metal reinforcement plate, glued to a single piezoplate or to two on opposite sides of the arranged piezoplates, can perform the functions of electrode 10. In another embodiment, converter 1 can be made from non-separated external electrodes, and the cross gap is split into two The inner electrode 1C sections. In this case, the inner electrode coating is not fully applied to the adjacent faces of the piezoplates, but with the provision of a rectangular free from the inner electrode. ASTK. on loose converter base. Piezoplates-8 and 9 can be made from both a piezoelectric crystal and piezo-ceramic. In the latter case, both piezoplates at the stage of their manufacture are polarized equally in an electric field directed perpendicular to the wide face of the plates. Amplifiers 3 and 5 of the charge are made on the basis of operational amplifiers of direct current, having a gain factor of several tens of thousands of times and supplemented by electrometric input stages. In some cases, the amplifiers 3 and 5 may be measuring electrometric amplifiers or voltage followers without the use of capacitors 4 and 6 in the feedback circuit. The key management unit 36 of the charge amplifier keys 34 and 35 is a pulse voltage generator programmable or switched by the operator. Electromagnetic and reed relays are used as keys 34 and 35 and formers of control actions in the device. The technical and economic efficiency of the proposed device lies in the fact that, as compared with the known devices containing a cantilever piezoelectric transducer, it provides an increase in the accuracy of force measurement or the mass of a weighed object with variations in its application point at the power-receiving part of the transducer.

Claims (1)

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ, содержащее консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент с двумя парами электродов, одна из которых соединена с усилителем заряда, · состоящим иэ усилителя, охваченного обратной связью с помощью емкости, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения силы при вариации точки ее приложения, оно снабжено вторым усилителем заряда и дифференциальным усилителем, входы которого подключены к выходам усилителей зарядов, при этом другая пара электродов биморфного пьезоэлемента подключена к второму усилителю заряда, а отношение емкостей усилителей заряда выбрано равным отношению длин соответствующих пар электродов.DEVICE FOR MEASURING FORCE, containing a cantilever-mounted bimorph piezoelectric element with two pairs of electrodes, one of which is connected to a charge amplifier, · consisting of an amplifier covered by feedback using a capacitor, characterized in that, in order to increase the accuracy of force measurement when varying its point applications, it is equipped with a second charge amplifier and a differential amplifier, the inputs of which are connected to the outputs of the charge amplifiers, while the other pair of bimorph piezoelectric electrodes is connected to the second amplifier divisor charge capacities and the ratio of the charge amplifiers is selected equal to the ratio of the lengths of the respective pairs of electrodes. SU „„ 1093922SU „„ 1093922 I 09 3 92 2I 09 3 92 2
SU833571270A 1983-04-04 1983-04-04 Device for measuring force SU1093922A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU833571270A SU1093922A1 (en) 1983-04-04 1983-04-04 Device for measuring force

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU833571270A SU1093922A1 (en) 1983-04-04 1983-04-04 Device for measuring force

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1093922A1 true SU1093922A1 (en) 1984-05-23

Family

ID=21056247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU833571270A SU1093922A1 (en) 1983-04-04 1983-04-04 Device for measuring force

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1093922A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5027651A (en) * 1990-05-21 1991-07-02 Dresser-Rand Company Non-reversing load detector for a reciprocating element
EP0472342A2 (en) * 1990-08-16 1992-02-26 Canon Kabushiki Kaisha Micro-displacement type information detection probe device and microscope and information processing device by use thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Иорши Ю.И. Виброметри . М., Наука, 1963,с.. 569. . 2. Патент US № 3603921, кл. 34010, 1971 (прототип). *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5027651A (en) * 1990-05-21 1991-07-02 Dresser-Rand Company Non-reversing load detector for a reciprocating element
EP0472342A2 (en) * 1990-08-16 1992-02-26 Canon Kabushiki Kaisha Micro-displacement type information detection probe device and microscope and information processing device by use thereof
EP0472342A3 (en) * 1990-08-16 1992-04-15 Canon Kabushiki Kaisha Micro-displacement type information detection probe device and microscope and information processing device by use thereof
US5276672A (en) * 1990-08-16 1994-01-04 Canon Kabushiki Kaisha Micro-displacement type information detection probe device and scanning tunneling microscope, atomic force microscope, information processing device by use thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Smits et al. Dynamic admittance matrix of piezoelectric cantilever bimorphs
US4443729A (en) Piezoceramic bender element having an electrode arrangement suppressing signal development in mount region
US3479536A (en) Piezoelectric force transducer
GB932701A (en) Flexural oscillator of electrostrictive material
WO1998045677A2 (en) Transducer structure with differing coupling coefficients feature
JPH05288774A (en) Acceleration sensor
SU1093922A1 (en) Device for measuring force
Lai et al. An integrated modeling method for piezo-actuated compliant mechanisms
GB1570834A (en) Quartz crystal tuning fork vibrator
JPH04346278A (en) Magnetostriction/electrostriction converting element and converter
Simkovics et al. Nonlinear finite element analysis of piezoelectric transducers
US7015625B2 (en) Piezoelectric devices
JP3470920B2 (en) converter
RU2212736C2 (en) Bender transducer
RU2301424C1 (en) Piezoelectric accelerometer
Zarnik et al. Numerical modelling of ceramic mems structures with piezoceramic thick films
Osterberg et al. The piezodielectric effect and electrostriction in anisotropic or isotropic media
Williams et al. Ceramic models for study of piezoelectricity in solids
SU395846A1 (en) TOTALIZER
JPS596748A (en) Stress increase type electromechanical converter and keyboard
Aoyagi et al. Equivalent circuit analysis of piezoelectric bending vibrators
DE4439297A1 (en) Piezoelectric sensor with beam or plate type element with linear and width edges
Kagawa et al. Finite element simulation of energy-trapped electromechanical resonators
SU736385A1 (en) Piezoelectric transducer
SU769560A1 (en) Differentiator