SU1631308A1 - Torsion balance - Google Patents

Torsion balance Download PDF

Info

Publication number
SU1631308A1
SU1631308A1 SU884628953A SU4628953A SU1631308A1 SU 1631308 A1 SU1631308 A1 SU 1631308A1 SU 884628953 A SU884628953 A SU 884628953A SU 4628953 A SU4628953 A SU 4628953A SU 1631308 A1 SU1631308 A1 SU 1631308A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
plates
rocker arm
capacitors
measuring
sensors
Prior art date
Application number
SU884628953A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Светлана Геннадьевна Смирнова
Леонид Наумович Григоров
Дмитрий Николаевич Рогачев
Original Assignee
Институт синтетических полимерных материалов АН СССР
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 Институт синтетических полимерных материалов АН СССР filed Critical Институт синтетических полимерных материалов АН СССР
Priority to SU884628953A priority Critical patent/SU1631308A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1631308A1 publication Critical patent/SU1631308A1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Изобретение относитс  к устройствам дл  измерени  малых сил, а именно к крутильным весам, и может быть использовано в научных исследовани х при измерении малых сил, действующих на различные объекты , в электрических магнитных и гравитационных пол х. Крутильные весы содержа подвешенное к опоре на торсионе коромысло и устройство измерени  угла ззкруч па- ни , которое выполнено в виде двух емкостных датчиков смещени , каждый из которых состоит из двух параллельно соединенных и симметрично расположенныхотно- сительно оси вращени  конденсаторов, подвижные пластины которых закреплены на коромысле. Принцип действи  весов основан на измерении емкости конденсаторов первого и второго датчиков. По разности их показаний суд т о величине угла закручивани  коромысла и о силе, воздействующей на его плечо. 3 ил.The invention relates to devices for measuring small forces, namely, torsional weights, and can be used in scientific research when measuring small forces acting on various objects in electric magnetic and gravitational fields. Torsion scales containing a rocker suspended from a support on the torsion bar and a device for measuring the angle of the pair, which is made in the form of two capacitive displacement sensors, each of which consists of two parallel-connected and symmetrically located relative to the axis of rotation of the capacitors, the movable plates of which are fixed on the yoke . The principle of the scale is based on measuring the capacitance of the capacitors of the first and second sensors. By the difference of their testimony, the magnitude of the angle of the rocker arm and the force acting on its shoulder is judged. 3 il.

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  измерени  малых сил, а именно к крутильным весам, и может быть использовано в научных исследовани х при измерении малых сил, действующих на различные объекты в электрических, магнитных и гравитационных пол х.The invention relates to devices for measuring small forces, namely, torsional weights, and can be used in scientific research to measure small forces acting on various objects in electric, magnetic and gravitational fields.

Цель изобретени  - повышение точности весов.The purpose of the invention is to improve the accuracy of the scales.

На фиг.Ч изображена кинемаг.« еска  схема; на фиг.2 - электрическа  блок-схема крутильных весов; на фиг.З - принцип измерени  углового смещени  коромысла при действии на образец горизонтальной силы , и одновременном плоском смещении коромысла , вид сверху на подвижные и неподвижные пластины емкостных датчиков.On fig.Ch depicted kinemag. "SSC scheme; Fig. 2 is an electrical block diagram of a torsional scale; Fig. 3 shows the principle of measuring the angular displacement of the rocker arm when a horizontal force is applied to the specimen and at the same time flat displacement of the rocker arm, top view of moving and stationary plates of capacitive sensors.

Сущность изобретени  заключаетс  в следующем. Поскольку каждый емкостный датчик из двух параллельных конденсаторов , неподвижные пластины которых, относ щиес  к одному емкостному датчику, расположены по разные стороны от вертикальной плоскости, проход щей через подвижные пластины данного датчика, закрепленные на разных плечах коромысла, то при плоском смещении всего коромысла на величину д , (фиг.З) рассто ние между парой пластин одного конденсатора возрастает на д и его емкость уменьшаетс , в то врем  как рассто ние между парой пластин второго конденсатора, вход щего в этот же емкостный датчик, уменьшаетс  на б , и его емкость возрастает. При равенстве исходных емкостей обоих параллельно соединены оThe essence of the invention is as follows. Since each capacitive sensor consists of two parallel capacitors, the fixed plates of which, belonging to the same capacitive sensor, are located on opposite sides of the vertical plane passing through the movable plates of this sensor, fixed on different arms of the rocker arm, then with a flat displacement of the entire rocker arm by d, (FIG. 3) the distance between a pair of plates of one capacitor increases by d and its capacitance decreases, while the distance between a pair of plates of the second capacitor included in the same bone sensor decreases by b and its capacity increases. In case of equality of the original capacitances, both are connected in parallel about

0000

ных конденсаторов датчика, которого добиваютс  юстировкой рассто ни  между обкладками значение емкости этого датчика Сч (которое равно сумме емкостей двух конденсаторов) св зано с углом поворота на малый угол а(фиг,3) и одновременным плоским смещением на рассто ние - ±6 (5«di) следующим образомcapacitors of the sensor, which is achieved by adjusting the distance between the plates, the capacitance value of this sensor MF (which is equal to the sum of the capacitances of the two capacitors) is related to the angle of rotation at a small angle a (Fig. 3) and simultaneous flat offset by distance of ± 6 (5 “Di) as follows

Cidi (1,1Cidi (1.1

-I- oL±-I- oL ±

СWITH

(1 (one

oL ,б2лгпoL, b2lgp

-3T + rf)-3T + rf)

где С° - значение емкости первого датчика при выключенном источнике внешней силы ,where C ° is the capacitance value of the first sensor when the source of external force is off,

di рассто ние между подвижными и неподвижными пластинами конденсаторов , вход щих в этот емкостной датчик, при выключенном источнике внешней силы;di is the distance between the movable and fixed plates of the capacitors included in this capacitive sensor, with the external force source turned off;

а - угол закручивани  коромысла;a is the angle of torsion of the rocker arm;

L-длина плеча коромысла.L-shoulder length of the rocker arm.

Поскольку дл  регистрации смещени  используетс  два емкостных датчика , причем относ щиес  к различным датчикам неподвижные пластины, установленные у одного и того же плеча коромысла, закреплены по разные стороны от вертикальной плоскости, проход щей через подвижные пластины одного датчика, то при повороте коромысла на угол а , в результате которого емкость первого датчика уменьшаетс  (1), емкость Са второго датчика увеличиваетс , так как рассто ние между его подвижными и неподвижными пластинами уменьшаетс  на a L (фиг.З). Поэтому при повороте коромысла на угол а и одновременном плоском смещении на ± б ( д « da), значение емкости этого датчика равноSince two capacitive sensors are used to register the displacement, the fixed plates belonging to different sensors, mounted on the same arm of the rocker arm, are fixed on opposite sides of the vertical plane passing through the movable plates of the same sensor, when the beam is rotated through an angle a , as a result of which the capacitance of the first sensor decreases (1), the capacitance Ca of the second sensor increases, as the distance between its movable and fixed plates decreases by a L (Fig. 3). Therefore, when the rocker is rotated through an angle a and a simultaneous flat displacement of ± b (d «da), the capacity value of this sensor is equal to

Г9 rb11 °; G9 rb11 °;

/-, 202/-I,I --гГ.-J- / -, 202 / -I, I - yy.-J-

022™(d2-aL±d+d2--aL± 3 -2 L d C°2 + СЧ022 ™ (d2-aL ± d + d2 - aL ± 3 -2 L d C ° 2 + MF

(д -620) С°2-С°1(d -620) С ° 2 -С ° 1

+ +

(rt dr(rt dr

(3)(3)

00

При юстировке рассто ний di и da, которую производ т при выключенном источнике внешней силы (т.е. при ), добиваютс  равенства нулю показаний блока вычитани  сигналов АС, поэтому из уравнени  (3) следует , что:When adjusting the distances di and da, which is done when the external force is turned off (i.e., at), the readings of the AC signal subtractor unit are equal to zero, therefore it follows from equation (3) that:

(4-% (4) d2 dt(4% (4) d2 dt

Подставл   равенство (4) в уравнение (3), получаемSubstituting equality (4) into equation (3), we obtain

(f+§) + + f-f)(#-d8) (5)(f + §) + + f-f) (# - d8) (5)

При равенстве (которого достигают предварительной юстировкой датчиков после закреплени  образца на коромысле и успокоени  последнего в положении равновеси ) выражение (5) можно записать в видеIn equality (which is achieved by preliminary adjustment of the sensors after the sample is fixed on the beam and the latter is relaxed in the equilibrium position), expression (5) can be written as

2222

AC(C°2 + C°1)a + .dod)xyAC (C ° 2 + C ° 1) a + .dod) xy

XX

с°2-сс ° 2-s

|С°2 +С°1| C ° 2 + C ° 1

(6)(6)

Таким образом, второе слагаемое в квадратных скобках, которое пропорционально флуктуационному плоскому смещению , в качестве коэффициента пропорциональности содержит малый множитель , который при д« d:Thus, the second term in square brackets, which is proportional to the fluctuation plane displacement, contains a small factor as the coefficient of proportionality, which for d «d:

C°2 + СЧC ° 2 + MF

С°2-С°1 С°2-СС ° 2-С ° 1 С ° 2-С

СО г 2 +С«1CO g 2 + C "1

, го ( I 2|L , , go (I 2 | L,

- о 2 V (2)- about 2 V (2)

d2 d2d2 d2

где С а значение емкости второго датчика при выключенном источнике внешней силы;where Сa is the capacitance value of the second sensor when the source of external force is off;

d2 - рассто ние между подвижными и неподвижными пластинами конденсаторов, вход щих в этот датчик, при выключенном источнике внешней силы.d2 is the distance between movable and fixed plates of capacitors included in this sensor, with the external force source turned off.

Поскольку блок вычитани  сигналов вычисл ет разность значений емкости двух датчиков , то результат вычитани  А С св зан с величинами Ci и С2 следующим образомSince the signal subtractor calculates the difference in the capacitance values of the two sensors, the result of the subtraction A C is related to the values Ci and C2 as follows

АС Сё Ci - С§AU Сё Ci - С§

(f +$)V(f + $) V

(7)(7)

Втора  часть неравенства выполн етс  за счет юстировки датчиков смещени , вThe second part of the inequality is accomplished by adjusting the displacement sensors, in

результате которой С°2 - С° устремл етс  к нулю.the result of which C ° 2 - C ° tends to zero.

В итоге при плоском смещении коромысла показани  обоих датчиков взаимно компенсируют друг друга, что приводит к эффективному подавлению вклада плоских колебаний и значительному повышению чувствительности весов плоских к крутильным смещени м. Пренебрега  слагаемым, содержащим флуктуацион- ное смещение ±д , из (6) получаем, чтоAs a result, with a flat displacement of the rocker, the readings of both sensors mutually compensate each other, which leads to an effective suppression of the contribution of flat oscillations and a significant increase in the sensitivity of flat weights to torsional displacements. Negrebral the term containing the fluctuation displacement ± d, from what

искомый угол поворота коромысла а будет равн тьс  (при С°1 С °2)the desired angle of rotation of the rocker arm will be equal (at C ° 1 C ° 2)

(8)(eight)

Весы состо т из неподвижной платформы 1 с кронштейном 2, к которому с помощью торсиона 3 свободно подвешено коромысло 4, снабженное системой 5 креплени  образца 6 в зоне действи  внешней силы, создаваемой,-например, электромагнитом 7. На коромысле по обе стороны от его оси вращени  вертикально закреплены и электрически соединены между собой четыре заземленные металлические пластины 8-11,  вл ющиес  подвижными обкладками двух емкостных датчиков. Соответствующие неподвижные пластины 12-15 тех же датчиков закреплены на платформе 1, причем неподвижные пластины 13-15 оснащены устройствами 16-18 регулировки рассто ни  между неподвижными пластинами 13-15 и подвижными 9-11 соответственно . Таким образом, первый емкостной датчик смещени  включает в себ  два кон- денсатора, образованных пластинами 8 и 12, 10 и 14, а второй -пластинами 9 и 13, 11 и 15. Весы снабжены коммутирующим устройством с переключател ми 19-22 дл  подключени  неподвижных пластин датчиков к устройству 23 попеременного подключени  указанных пластин к входу блока измерени  емкости 24. Выход блока 24 подключен к входу блока вычитани  25. Его выход подключен к системе регистрации 26. Тактовый генератор 27 подключен к управл ющим входам устройства 23 и блока 25. В рабочем режиме переключатели 19 и 21 замкнуты, поэтому конденсаторы, вход щие в один и тот же емкостной датчик, соединены параллельно.The balance consists of a fixed platform 1 with a bracket 2, to which, using a torsion bar 3, the beam 4 is freely suspended, equipped with a system 5 for fastening the sample 6 in the zone of action of an external force created, for example, by an electromagnet 7. On the yoke on either side of its axis rotation is vertically fixed and electrically interconnected by four grounded metal plates 8-11, which are movable plates of two capacitive sensors. The respective fixed plates 12-15 of the same sensors are fixed on platform 1, and the fixed plates 13-15 are equipped with devices 16-18 for adjusting the distance between the fixed plates 13-15 and the movable 9-11, respectively. Thus, the first capacitive bias sensor includes two capacitors formed by plates 8 and 12, 10 and 14, and the second one - plates 9 and 13, 11 and 15. The scales are equipped with a switching device with switches 19-22 for connecting stationary sensor plates to the device 23 alternately connecting said plates to the input of the capacitance measuring unit 24. The output of the block 24 is connected to the input of the subtracting unit 25. Its output is connected to the recording system 26. The clock generator 27 is connected to the control inputs of the device 23 and the block 25. In the operating n mode Switches 19 and 21 are closed, so capacitors entering the same capacitive sensor are connected in parallel.

Весы работают следующим образом.Scales work as follows.

В исходном состо нии источник внешней силы (электромагнит) 7 выключен. После закреплени  образца 6 на коромысле 4 и успокоени  последнего в положении равновеси , показанном на фиг.З сплошной линией , осуществл ют попеременное подключение неподвижных пластин 12-15 с помощью переключателей 19-22 и устройства 23 к блоку 24, измер   тем самым значение емкости каждого из четырех конденсаторов, образованных перечисленными неподвижными пластинами и подвижными пластинами 8-11 соответственно. С помощью устройств регулировки 16-18 добиваютс  такого положени  пластин 13-15, чтобы емкости всех четырех указанных конденсаторов были равны. После этого устройство попеременного подключени  23In the initial state, the source of external force (electromagnet) 7 is turned off. After securing sample 6 on the yoke 4 and calming the latter in the equilibrium position shown in Fig. 3 with a solid line, the fixed plates 12-15 are alternately connected using switches 19-22 and device 23 to block 24, thereby measuring the value of each capacitance of the four capacitors formed by the fixed plates listed above and the movable plates 8-11, respectively. By means of adjusting devices 16-18, the plates 13-15 are so positioned that the capacities of all four of the indicated capacitors are equal. Thereafter, the alternating device 23

00

00

5five

5five

00

5five

00

5five

перевод т в положение, в котором оно по сигналам от тактового генератора 27 поочередно подключает то один, то другой емкостной датчик смещени  к блоку 24. При этом неподвижные пластины каждого датчика электрически соединены между собой. Одновременно по сигналам от генератора 27 блок вычитани  25 вычисл ет значение разностной емкости двух емкостных датчиков. В результате в конце каждого цикла переключени  емкостных датчиков и блока вычитани  25 система регистрации 26 регистрирует нулевой сигнал, так как емкости датчиков смещени  при выключенном источнике внешней силы равны между собой С°1 С°2 . Затем включают источник внешней силы 7, котора  действует в направлении , указанном на фиг.З стрелкой, на обрезец 6 и вызывает закручивание коромысла 4 на торсионе 3 на угол «(пунктир на фиг.З - новое равновесное положение коромысла ), пропорциональный внешней силе. Это закручивание приводит к такому изменению емкостей датчиков смещени , что емкость одного датчика увеличиваетс  на величину Д С/2, а другого уменьшаетс  на ту же величину, поэтому разность емкостей двух датчиков смещени  составл ет величину АС. В результате вычитани  сигналов от датчиков смещени  на выходе блока 25 по вл етс  ненулевой сигнал А С (однозначно св занный с углом поворота с), регистрируемый системой регистрации 26. Поскольку величины L и  вл ютс  известными константами прибора, то вызванный внешней силой угол закручивани  коромысла а рассчитывают по измереннымshifted to a position in which, by signals from the clock generator 27, it alternately connects one or the other capacitive displacement sensor to block 24. In this case, the fixed plates of each sensor are electrically interconnected. At the same time, from the signals from the generator 27, the subtraction unit 25 calculates the value of the differential capacitance of the two capacitive sensors. As a result, at the end of each switching cycle of the capacitive sensors and subtraction unit 25, the recording system 26 registers a zero signal, since the capacities of the displacement sensors with the external force source turned off are equal to each other With 1 ° C 2. Then turn on the source of external force 7, which acts in the direction indicated in Fig. 3 by the arrow on the trimmer 6 and causes the rocker arm 4 to twist on the torsion 3 at an angle “(the dotted line in FIG. 3 is a new equilibrium position of the rocker arm) proportional to the external force. This twisting leads to such a change in the capacitances of the displacement sensors, that the capacitance of one sensor increases by D C / 2, and the other decreases by the same amount, therefore the difference between the capacities of the two displacement sensors amounts to AC. As a result of subtracting the signals from the displacement sensors, a non-zero signal A C (uniquely related to the angle of rotation C) recorded by the recording system 26 appears at the output of the block 25. Since the L values are known device constants, the angle of torsion of the rocker caused by the external force and calculated by the measured

значени м А С и С° С°2 с помощью выражени  (8). О величине действующей на образец внешней силы суд т при помощи коэффициента пропорциональности между внешней силой и углом закручивани  коромысла , который устанавливаетс  путем калибровочных измерений и  вл етс  константой прибора.the values of A C and C ° C 2 with the expression (8). The magnitude of the external force acting on the sample is judged by the coefficient of proportionality between the external force and the angle of torsion of the rocker arm, which is determined by calibration measurements and is a constant of the instrument.

Claims (1)

Формула изобретени  Крутильные весы, содержащие подвешенное к опоре на торсионе коромысло и устройство измерени  угла закручивани , отличающиес  тем, что, с целью повышени  точности, устройство измерени  угла закручивани  выполнено в виде двух емкостных датчиков смещени , каждый из которых состоит из двух параллельносоединенных и симметрично расположенных относительно оси вращени  коромысла конденсаторов, вертикальные подвижные пластины которых закреплены на коромысле, а вертикальные неподвижные пластины св заны сThe invention of torsional scales, containing a rocker arm suspended from a support on a torsion bar and a twist angle measurement device, characterized in that, in order to increase accuracy, the twist angle measurement device is made in the form of two capacitive displacement sensors, each of which consists of two parallel-connected and symmetrically located relative to the axis of rotation of the rocker arm of the capacitors, the vertical movable plates of which are fixed on the rocker arm, and the vertical fixed plates are connected with входом блока измерени  емкости, выход которого соединен с первым входом блока вычитани , выход которого соединен с входом системы регистрации, а второйthe input of the capacitance measuring unit, the output of which is connected to the first input of the subtraction unit, the output of which is connected to the input of the recording system, and the second Фиг.22 вход - с первым выходом тактового генератора , второй выход которого соединен с дом устройства попеременного подключени  пластин.the input is with the first output of the clock generator, the second output of which is connected to the home device of the alternate connection of the plates.
SU884628953A 1988-12-30 1988-12-30 Torsion balance SU1631308A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU884628953A SU1631308A1 (en) 1988-12-30 1988-12-30 Torsion balance

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU884628953A SU1631308A1 (en) 1988-12-30 1988-12-30 Torsion balance

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1631308A1 true SU1631308A1 (en) 1991-02-28

Family

ID=21419032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU884628953A SU1631308A1 (en) 1988-12-30 1988-12-30 Torsion balance

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1631308A1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Калинников ВТ. и Ракитин Ю.В. Введение в магнетохимию. Метод статической магнитной восприимчивости в химии. М.: Наука, 1980, с.49-50. Тютикова М.И. Весы дл измерени малых масс. М.: Стандартгиз, 1960-, с. 17. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4636714A (en) Capacitive transducer and method
JP2936286B2 (en) Precision capacitive transducer circuit and method
KR900008328B1 (en) Checking apparatus of power
US5473946A (en) Accelerometer using pulse-on-demand control
EP0083144A1 (en) Improved method and apparatus for mass flow measurement
US7093498B2 (en) Microelectromechanical strain gauge with frequency detector
RU2172967C1 (en) Gravitational variometer
SU1631308A1 (en) Torsion balance
US4381040A (en) Weighing scale with capacitor transducer
JPS6216368B2 (en)
US3427540A (en) Electrostatic voltmeter having various sized input electrodes to provide plural ranges
SU1654671A1 (en) Torsion balance
RU1836645C (en) Precision vertical gradiometer
SU1765733A1 (en) Differential capacitance pressure gauge
SU587340A1 (en) Weight-measuring apparatus
SU838388A1 (en) Electromagnetic balance
Moore et al. A balance for precise weighing in a disturbed environment
SU1569728A1 (en) Method of determining the value of nonlinearity of characteristic of accelerometers with reserve conversion
SU949603A1 (en) Magnetometer
SU960540A1 (en) Digital system for automatic weight registering
SU1099302A1 (en) Gravimeter
SU1700484A1 (en) Device for measurement of accelerations
SU1138746A1 (en) Acceleration meter
RU2002281C1 (en) Vertical gradient meter
SU901915A1 (en) Accelerometer