SU1728683A1

SU1728683A1 - Force measuring device

Info

Publication number: SU1728683A1
Application number: SU904841339A
Authority: SU
Inventors: Рафаил Григорьевич Джагупов; Вакаф Зухир; Абдалла Джалаб Хамид; Рисан Ахмед Джамаль
Original assignee: Одесский Политехнический Институт
Priority date: 1990-04-17
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1992-04-23

Abstract

Изобретение относитс к контрольно- измерительной технике. Целью изобретени вл етс повышение надежности. Устройство снабжено третьим электродом 6, расположенным на пьезоэлементе 3 вместе с вторым электродом 5, подключенным к генератору 8, возбуждающему колебани в этом пьезоэлементе. Пьезоэлементы 3, 4 укреплены на упругом элементе 2 с двух сторон от него. Электрод 7 пьезоэлемента 4 присоединен через переключатель 21 к измерительному прибору 9, выходной сигнал которого пропорционален измер емому усилию, приложенному к пьезоэлементу 2. Электрод 6 подключен через переключатель 22 к электроду 7 и входу коммутатора 25. два выхода которого соединены через пиковые детекторы 27, 28 с входом дифференциального усилител 29. Выход усилител 29 св зан с индикатором 30, фиксирующим наличие дефектов в пьезоэлементах. 2 ил. ЁThe invention relates to a control and measuring technique. The aim of the invention is to increase reliability. The device is equipped with a third electrode 6 located on the piezoelectric element 3 together with a second electrode 5 connected to a generator 8, which oscillates in this piezoelectric element. The piezoelectric elements 3, 4 are fixed on the elastic element 2 on both sides of it. The electrode 7 of the piezoelectric element 4 is connected via a switch 21 to the measuring device 9, the output signal of which is proportional to the measured force applied to the piezoelectric element 2. The electrode 6 is connected through a switch 22 to the electrode 7 and the input of the switch 25. two outputs of which are connected through peak detectors 27, 28 with the input of the differential amplifier 29. The output of the amplifier 29 is connected with an indicator 30, which fixes the presence of defects in the piezoelectric elements. 2 Il. Yo

Description

Изобретение относитс к контрольно-измерительной технике и позвол ет контролировать работоспособность пье- зокерамического датчика.The invention relates to instrumentation engineering and allows monitoring the performance of a piezo-ceramic sensor.

Известно устройство дл измерени усилий, содержащее упругий элемент, закрепленный в корпус, два пьезоэлемента с электродами, установленными по разные стороны от упругого элемента. Первый пье- зоэлемент снабжен двум электродами; К одному из них подключен генератор, а ко второму подключен измерительный прибор, терморезистор, соединенный с электродами второго пьезоэлемента.A device for measuring forces is known, comprising an elastic element fixed in a housing, two piezoelectric elements with electrodes mounted on opposite sides of the elastic element. The first piezoelectric element is equipped with two electrodes; A generator is connected to one of them, and a measuring device, a thermistor connected to the electrodes of the second piezoelectric element, is connected to the second one.

Недостатком этого устройства вл етс то, что его конструкци не позвол ет проводить диагностику работоспособности датчика в процессе измерени .A disadvantage of this device is that its design does not allow diagnostics of the sensor operability in the measurement process.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству вл етс устройство дл измерени усилий и давлений , содержащее упругий элемент, закрепленный в корпусе, два пьезоэлемента с электродами, установленные по разные стороны от упругого элемента, генератор, подключенный к электроду первого пьезоэлемента, и измерительный прибор, подключенный к электроду второго пьезоэлемента .The closest in technical essence to the proposed device is a device for measuring forces and pressures, comprising an elastic element fixed in a housing, two piezoelectric elements with electrodes installed on opposite sides of the elastic element, a generator connected to the electrode of the first piezoelectric element, and a measuring device connected to the electrode of the second piezoelectric element.

Недостатком этого устройства вл етс то, что его конструкци не позвол ет проводить контроль работоспособности датчика в процессе измерени , не снима его с объекта измерени .A disadvantage of this device is that its design does not allow monitoring the operability of the sensor in the measurement process, without removing it from the measurement object.

Цель изобретени - повышение надежности пьезоэлектрического датчика в процессе измерени . Эта цель достигаетс тем,The purpose of the invention is to increase the reliability of the piezoelectric sensor in the measurement process. This goal is achieved by

VJVj

юYu

00 ON 00 W00 ON 00 W

что в известное устройство, содержащее упругий элемент, закрепленный в корпусе, два пьезоэлемента с электродами.установленные по разные стороны от упругого элемента , генератор, подключенный к электроду первого пьезоэлемента, и измерительный прибор, введены второй генератор, счетчик, распределитель, два переключател , коммутатор , два пиковых детектора, дифференциальный усилитель, индикатор и третий электрод, расположенный на первом пьезо- элементе и соединенный с помощью первого переключател с электродом второго пьезоэлемента и первым входом коммутатора , два выхода которого соединены через пиковые детекторы с входами дифференциального усилител , выход которого св зан с индикатором, причем второй генератор подключен через счетчик к входу распределител , четыре выхода которого подключены соответственно к управл ющим входам первого и второго переключател и второму и третьему управл ющим входам коммутатора , а электрод второго пьезозлемента соединен с измерительным прибором через второй переключатель.that in a known device containing an elastic element fixed in the housing two piezoelectric elements with electrodes. installed on opposite sides of the elastic element, a generator connected to the electrode of the first piezoelectric element, and a measuring device, a second generator, counter, distributor, two switches, switch , two peak detectors, a differential amplifier, an indicator and a third electrode located on the first piezoelectric element and connected via the first switch with the electrode of the second piezoelectric element and switch input, two outputs of which are connected through peak detectors to inputs of a differential amplifier, whose output is connected to an indicator, the second generator is connected through a counter to the distributor input, four outputs of which are connected to the control inputs of the first and second switches and the second and third, respectively control inputs of the switch, and the electrode of the second piezoelectric element is connected to the measuring device via the second switch.

Сущность изобретени состоит в том, что предлагаемое техническое решение позвол ет контролировать работу устройства в процессе измерений (во врем погружени ), не отключа его от измерительной системы .The essence of the invention is that the proposed technical solution allows controlling the operation of the device during the measurement (during immersion), without disconnecting it from the measuring system.

Существенным отличием предлагаемого устройства вл етс введение дополнительного электрода на первом пьезоэлементе шириной 0,1-0,2 его длины, что позвол ет контролировать работоспособность пьезоэлемента в процессе измерени , так как разница двух сигналов, снимаемых с его выхода (второго пьезоэлемента ) до и после подключени к нему дополнительного электрода, остаетс посто нной при исправном состо нии датчика и измен етс при частичном или полном разрушении пьезоэлементов, регистрируетс индикатором.The essential difference of the proposed device is the introduction of an additional electrode on the first piezoelectric element with a width of 0.1-0.2 of its length, which allows you to control the performance of the piezoelectric element during the measurement process, since the difference between the two signals taken from its output (second piezoelectric element) before and after when an additional electrode is connected to it, remains constant when the sensor is in good condition and changes when the piezoelectric elements are partially or completely destroyed, it is registered by the indicator.

На фиг. 1 представлена функциональна схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы , по сн ющие его работу.FIG. 1 shows a functional diagram of the device; 2 shows timing diagrams for his work.

Устройство содержит: корпус 1, в котором по контуру закреплен упругий элемент (мембрана) 2, пьезоэлементы 3 и 4 с электродами 5 и 6 на первом пьезоэлементе и 7 на втором пьезоэлементе, генератор 8, измерительный прибор 9, схему 10 управлени , состо щую из последовательно соединенных второго генератора 11 тактовых импульсов, вырабатывающего тактовые импульсы 12, счетчика 13 импульсов и распределител . 14 импульсов, который вырабатывает управл ющие импульсы 15, 16, 17, 18, поступающие соответственно на управл ющие входы 19, 20 переключател 21, 22, и управл ющие входы 23, 24 коммутатораThe device comprises: a housing 1, in which an elastic element (membrane) 2 is fixed along the contour, piezoelements 3 and 4 with electrodes 5 and 6 on the first piezoelectric element and 7 on the second piezoelectric element, generator 8, measuring device 9, control circuit 10 consisting of series-connected second generator 11 clock pulses, generating clock pulses 12, the pulse counter 13 and the distributor. 14 pulses, which produces control pulses 15, 16, 17, 18, arriving respectively at the control inputs 19, 20 of the switch 21, 22, and the control inputs 23, 24 of the switch

25, последний входит в состав дифференциальной схемы 26 обработки сигналов, котора содержит два пиковых детектора 27,28, подключенных входами к коммутатору 25 и выходами к соответствующему входу дифференциального усилител 29, выход которого подключен к индикатору 30.25, the latter is part of the differential signal processing circuit 26, which contains two peak detectors 27.28 connected by inputs to a switch 25 and outputs to the corresponding input of a differential amplifier 29, the output of which is connected to an indicator 30.

Выходной электрод 7 пьезоэлемента 4 подключен к комму этору 25, соединенному со схемой обработки сигналов, и параллельно к измерительному прибору через переключатель 21. Дополнительный электрод 6 пьезоэлемента 3 подключен к переключателю 22, соединенному с выходным электродом 7, а генератор переменногоThe output electrode 7 of the piezoelectric element 4 is connected to a switch 25, connected to the signal processing circuit, and parallel to the measuring device via a switch 21. An additional electrode 6 of the piezo element 3 is connected to a switch 22 connected to the output electrode 7, and the alternator

напр жени 8 подключен к электроду 5 пьезоэлемента 3.voltage 8 is connected to the electrode 5 of the piezoelectric element 3.

Устройство работает следующим образом ,The device works as follows

Генератор 8, подключенный к электродуThe generator 8 is connected to the electrode

5 пьезоэлемента 3, возбуждает в колебательной системе, образованной упругим элементом (мембраной) 2 и пьезоэлемента- ми 3 и 4 изгибные колебани . Вследствие5 of the piezoelectric element 3, excites in the oscillatory system formed by the elastic element (membrane) 2 and the piezoelectric elements 3 and 4 bending oscillations. Due to

пр мого пьезоэффекта на электродах 6, 7 образуютс переменные электрические сигналы .direct piezoelectric effect on the electrodes 6, 7, variable electrical signals are generated.

Распределитель 14 импульсов, подключенный к счетчику 13 импульсов, вырабатывает управл ющие импульсы 15, 16, 17, 18. Переключатели (21, 22) и коммутатор 25 последовательно подключают соответственно выходной электрод к измерительному прибору 9, дополнительный электрод 6 к выходному электроду 7 и выходной электрод 7 к входам пиковых детекторов 27, 28.The pulse distributor 14, connected to the pulse counter 13, generates control pulses 15, 16, 17, 18. Switches (21, 22) and switch 25 sequentially connect the output electrode to the measuring device 9, the additional electrode 6 to the output electrode 7 and the output electrode 7 to the inputs of peak detectors 27, 28.

С выходного электрода 7 на коммутатор поступает амплитудномодулированное переменное напр жение 31. В моменты времени ti и t2, совпадающие с временем работы до и после подключени дополнительного электрода 6 к выходному электроду 7 происходит детектирование и фиксаци амплитуды пачек импульсов 32, 33 с помощью пиковых детекторов 27, 28.From the output electrode 7, an amplitude-modulated alternating voltage 31 arrives at the switch. At times ti and t2, which coincide with the operating time before and after connecting the additional electrode 6 to the output electrode 7, the amplitude of pulse packets 32, 33 is detected using peak detectors 27 28

В результате с их выхода на входы-диф- ференциального усилител 29 поступают посто нные напр жени Ui и U2, св занные с возбуждающим направлением Ui генератора 8 соотношени ми: Ui kik-Ui, U2 k2k-Ui.As a result, from their output to the inputs of the differential amplifier 29, constant voltages Ui and U2 are received, which are connected with the exciting direction Ui of the generator 8 by the relations: Ui kik-Ui, U2 k2k-Ui.

где Ui - выходное напр жение, снимаемое с электрода 7 до подключени к нему дополнительного электрода 6;where Ui is the output voltage taken from electrode 7 prior to connecting an additional electrode 6 to it;

Ua - выходное напр жение, снимаемое с электрода 7 после подключени к нему дополнительного электрода 6;Ua is the output voltage taken from electrode 7 after connecting an additional electrode 6 to it;

ki-k2 - коэффициенты трансформации пьезодатчика до и после подключени дополнительного электрода;ki-k2 are the transformation ratios of the piezoelectric sensor before and after connecting an additional electrode;

k - коэффициент преобразовани пиковых детекторов 27, 28 (фиг.2, диаграммы 34, 35).k is the conversion coefficient of peak detectors 27, 28 (Fig. 2, charts 34, 35).

Дл устранени вли ни коммутационных помех на точность измерений, возникающих при подклю знии дополнительного электрода 6 к выходному электроду 7, моменты времени ti и tz выбираютс меньшими времени подключени дополнительного электрода, измерительного прибора и большем времени переходных процессов в пье- зоэлементе. При исправном состо нии пьезоэлемента параметр (Ui-Ua) остаетс посто нным, Это объ сн етс тем, что активна площадь электрода 7 при подключении к нему электрода б уменьшаетс на величину, пропорциональную площади электрода 6 и это приводит к тому, что коэффициенты трансформации kt. ka под действием измер емой величины измен ютс на одну и ту же величину, что не приведет к изменению разницы сигналов (Ui-lte), а при дефектах пьезоэлемента разница сигналов (Ih-Uz) измен етс и выходит за установленные пределы, что легко регистрируютс индикатором 30, информирующим о дефектах пьезоэлемента,In order to eliminate the effect of switching noise on the measurement accuracy arising when the additional electrode 6 is connected to the output electrode 7, the times ti and tz are chosen to be shorter than the time required to connect the additional electrode, the measuring device and the longer transients in the piezoelement. When the piezo element is in good condition, the parameter (Ui-Ua) remains constant. This is because the active area of the electrode 7 when the b electrode is connected to it decreases by an amount proportional to the area of the electrode 6 and this leads to the transformation factors kt . ka under the action of the measured value changes by the same value, which does not lead to a change in the difference of signals (Ui-lte), and with defects of the piezoelectric element, the difference of signals (Ih-Uz) changes and goes beyond the established limits, which are easily recorded indicator 30, informing about the defects of the piezoelectric element,

Следует сказать, что величина разницы сигналов (Ui-U2) определ етс в исходном состо нии упругими пьезоэлектрическими свойствами системы и геометрическими размерами электродов.It should be noted that the magnitude of the difference of the signals (Ui-U2) is determined in the initial state by the elastic piezoelectric properties of the system and the geometric dimensions of the electrodes.

По приведенному описанию был изготовлен макет предлагаемого устройства, в котором использовалс преобразователь усилии, выполненный из биморфного пьезоэлемента , состо щего из двух пьезопластин типа ЦТС-19 размерами: 50x10 х 0,5 103 м.According to the above description, the layout of the proposed device was made, in which a force transducer was used, made of a bimorph piezoelectric element consisting of two piezoplates of the PZT-19 type with dimensions: 50x10 x 0.5 103 m.

установленных по разные стороны от упругого элемента, закрепленного в корпусе, ширина дополнительного электрода была выбрана 5 , Схемы 11. 13. 14, 25, 29installed on opposite sides of the elastic element fixed in the body, the width of the additional electrode was chosen 5, Schemes 11. 13. 14, 25, 29

выполнены соответственно на микросхемах К 555 ЛАЗ, К555 ИЕ 7, К555 ИО 4. К 561 КП1, К 140 МА1, а схемы 27, 28 были собраны на основе операционного усилител типа К 140 YD 6.respectively performed on the chips K 555 LAZ, K555 IE 7, K555 IO 4. K 561 KP1, K 140 MA1, and circuits 27, 28 were assembled on the basis of an operational amplifier type K 140 YD 6.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известным обладает большей надежностью, так как оно позвол ет диагностировать работоспособность пьезоэлемента в процессе измерени .Thus, the proposed device is more reliable than the known one, since it allows one to diagnose the performance of the piezoelectric element during the measurement process.

Claims

Claims A device for measuring forces comprising an elastic element fixed in a housing, two piezoelectric elements with electrodes mounted on opposite sides of an elastic element, a generator connected to the electrode of the first piezoelectric element, and with a view to improving reliability, at

it includes a second generator, a counter, a distributor, two switches, a switch, two peak detectors, a differential amplifier, an indicator and a third electrode located on the first piezoelectric element and connected to the second piezoelectric element and the first input of the switch, the two outputs of which connected via peak detectors to the inputs of a differential amplifier, the output of which is connected to the indicator, the second generator connected via a counter to the distributor input, four outputs are orogo connected respectively to the control inputs

the first and second switches and the second and third control inputs of the switch, and the electrode of the second piezoelectric element is connected to the measuring device via the second switch. .