SU1254319A1 - Пьезоэлектрический датчик касательных напр жений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано при исследовании напр женного состо ни  сред с упругими и в зко- упругими свойствами. Дл  повьшени  точности консольный упругий элемент 3 охвачен установленным с зазором в корпусе 1 стаканом 2, между которьг- ми зажаты пьезоэлементы 6. Возникающие в рабочей среде напр жени  через п тку It вызьшают деформацию упругого элемента 3, привод щую к по влению электрических зар дов на электродах пьезоэлементов 6, пропорциональных величине приложенного напр жени . Изолирующие прокладки 7 и 8, выполненные из материала с модулем упругости меньвшм, чем у пьезоэлементов 6,  вл ютс  механическими фильтрами, предотвращакицими передачу на пьезоэлементы напр же- Q НИИ, отличных от нормальных. Внутрен ние полости датчика заполнены низкомодульным компаунде, защищающим чувствительные элементы датчика от вли ни  рабочей среды. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. Л СП 4 СО qD

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и можей найти применение дл  исследовани , динамических касательных напр жений или сил трени  в жидкост х, сыпучих и твердых телах, например, дл  исследовани  напр женного состо ни  сред с упругими и в зкоупругими свойствами.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности и устранение вли ни  рабочей среды.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

Датчик состоит из корпуса 1 ,, в котором размещен распорный стакан 2 и консольньй элемент 3, выполненный за одно целое с основанием; 4. Консольный элемент 3 в месте сочленени  с основанием -4 имеет поперечные проточки , образующие упругий шарнир 5. Пьезоэлементы 6 зажаты между свободным концом консольного элемента 3 и распорным стаканом 2 через изоли- рукнцие прокладки 7 и 8, имеюп ие модуль упругости меньше, чем у пье- зокристаллов. Наружные прокладки 7 . вьшолнены в форме цилиндрических сегментов и плотно прилегают к внутренней поверхности распорного стака- на 2, а прокладки 8 выполнены в виде тонких- пластин. Пьезоэлементы 6 на торцовых гран х, перпендикул рных электрической оси, имеют электроды 9, снабженные электрическими выводами lOi По оси консольного элемента 3 просверлено отверстие;, которое используетс  дл  креплени  п тки 11, передающей внешнее усилие на консольньй элемент 3 и не имеющей непосредственного KOHTaicTa с распорным стаканом 2 и корпусом 1, а также прикрывающей чувствительные элементы датчика от воздействи  внешней, среды. Кроме того, отверстие служ т каналом дл  электрических выводов 10, Корпус

1датчика вьшолнен таким образом, . что между ним и распорным стаканом

2оставлен зазор, предотвращаюпщй передачу деформаций корпуса 1 распорному стакану 2, непосредственно св занному с пьезоэлементами 6. Жесткое соединение между корпусом 1 и распорным стаканом 2 осуществлено только в нижней части датчика до высоты , не превосход щей высоту осно- вани  4. Все свободные полости внутри датчика заполнены низкомодульным

компаундом (условно не показан).

На наружной поверхности корпуса дат-, чик имеет резьбу, которой он вворачиваетс  в отверстие в стенке установки . При этом верхн   торцова  поверхность п тки 11 должна находитьс  заподлицо с внутренней поверхностью стенки.

Датчик работает следующим образом .

Напр жени  5 возникающие в рабочей среде, воздействуют на верхнюю торцовую поверхность п тки датчика, вызыва  деформацию консольного элемента . За счет различи  жесткостей консольного элемента на сжатие и изгиб происходит выделение и передача на пьезокристалл только той составл ющей внешней нагрузки, котора  направлена по касательной к поверхности п тки. Один из пьезокрис- таллов оказываетс  сжатьм, а другой раст нутым в направлении электри-. ческой оси. Вследствие деформации кристаллической решетки на электродах , расположенных на гран х кристаллов перпендикул рно электрической оси, возникают электрические сигналы , пропорциональные величине приложенного касательного напр жени . В датчике дл  повьп ени  избирательности функции чувствительного элемента, определ ющего избирательность , разделены. Нагрузка в нем прикладываетс  к консольному элементу , который выполнен из металла за одно целое с основанием и имеет поперечные проточки, образующие упругий шарнир. Между свободным концом консольного элемента и дополнительно введенным распорным стаканом через изолирующие прокладки зажаты i пьезокристаллы. Они ориентированы так, что их электрическа  ось напрйв- лена перпендикул рно плоскости кон- сольного элемента. Введение упругого шарнира снижает изгибную жесткость консоли без существенного увеличени  деформаций последней под действием нормальной нагрузки, что приводит к значительному снижению побочных воздействий на пьезокристал- лы при минимальном снижении полезной нагрузки. Кроме того, така  конструкци  обладает повышенной жесткостью, так как в данном случае пьезокристаллы работают на сжатие и, следовательно, она имеет более высокую собственную частоту.

Введение дополнительного распор- ного станка, отделенного от корпуса зазором, позвол ет выделить сило- измерительную цепь, опирающуюс  на основание и состо щую из консоли пакета изолирующих прокладок, пье- зокристаллов и распорного станка, от участка корпуса, подверженного вредному воздействию деформаций стенок установки. Изолирующие проклад- ки, выполненные из материала с модулем упругости меньшим, чем у пьез кристаллов, например, стеклопластика , кроме их основной функции (отделени  электродов пьезокристаллов от металлических элементов) в данной конструкции выполн ют роль механических фильтров, предотвращающих передачу на пьезокристалл напр жений , отличных от нормальных.

Установлено, что жесткое присоединение пьезокристалла к поверхност имеющей модуль упругости соизмеримы с модулем упругости пьезокристалла, приводит к тому, что он генерирует зар ды при отсутствии сжимающей нагрузки вследствие изгиба или раст жени  опорной поверхности. Устранить такой эффект можно только введением прокладок с модулем упругост меньшим, чём у пьезокристалла. Чем ниже модуль упругости прокладки, тем лучше изол ци . Однако здесь необходимо придерживатьс  услови , что жесткость пакета из изолирующих прокладок и пьезокристаллов, работающих на сжатие, должна оставатьс  выше изгибной жесткости консоли с упругим шарниром. Несоблюдение такого требовани  приведет к резкому падению чувствительности датчика обусловленному перераспределением сил между пьезокристаллами и консолью .

Об зательным элементом конструкции датчика  вл етс  п тка, передающа  усилие на консольньм элемент и не имеюща  непосредственного контакта с распорным стаканом и корпусом . Введение этого элемента продиктовано стремлением максимально увеличить площадь соприкосновенн  рабочего органа датчика со средой, так как от этого зависит его чувствительность , и одновременно защитит его чувствительные элементы от пр мого воздействи  этой среды. Попадание рабочей среды внутрь датчика

; 5 0

5

0

недопустимо, а поскольку п тка отделена о,,т корпуса и распорного стакана, то образующийс  зазор необхо-- димо герметизировать. Традиционные приемы герметизации с помощью мембран здесь неприменимы, так как требуетс  сохранить податливость п тки в направлении, совпадающем с плоскостью мембраны, а эластичное уплотнительное кольцо критично к величине нормальной нагрузки и не удаетс  подобрать оптимальное сочетание свойств кольца, обеспечивающих его прочность на срез под действием нормального давлени  и высокую податливость в зазоре на сжатие и сдвиг под действием приложенного к п тке касательного усили . Заполнение всех внутренних полостей датчика низко- МОДУЛЬНЫМ компаундом с модулем упругости около 0,1 МПа позвол ет эффективно решить проблему защиты чувствительных элементов датчика от вли ни  рабочей среды. Кроме того, поскольку пьезокристаЛлы генерируют сигналы противоположного знака, то использу  данный датчик совместно с дифференциальным усилителем, можно добитьс  дополнительной компенсации сигнала-помехи, имекщего одина- ковую пол рность дл  обеих кристаллов .

Использование датчика дает возможность выполнить качественно новые экс- v периментальные исследовани  по непо- .соедственному измерению напр женного состо ни , во никакщего в объемных конструкци х из упругих и в зкоуп- ругих Материалов при динамическом нагружении в широком частотном диапазоне . Полученные результаты помогут уточнить теоретические расчеты.

55

45

Claims (1)

1. Пьезоэлектрический : датчик касательных напр жений, содержащий корпус с закрепленным- в нем консольным упругим элементом, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, он снабжен охватывающим упругий элемент, кон- сольно установленным с зазором в корпусе стаканом и двум  пьезоэле- ментами, каждый из которых закреп5 - 1254319 .6

лен с помощью двух прокладок на2. Датчик по п, 1, о т л и ч а - стенках стакана и упругого элементаю щ и и с   тем, что, с целью устра - по разные стороны от его свободногонени  вли ни  рабочей среды, он снаб конца, при этом упругий элемент вы-жен установленной на свободном кон- полнен из материала корпуса, а це упругого элемента коаксиально прокладки - из материала с модулемстакану п той, а полости-внутри дат- упругости меньшим, чем у пьезоэле-чика заполнены низкомодульным ком- ментов,паундом.