SU1744522A1

SU1744522A1 - Force gage

Info

Publication number: SU1744522A1
Application number: SU904776378A
Authority: SU
Inventors: Юрий Семенович Шабанов; Владимир Григорьевич Хлыстун
Original assignee: Научно-Производственное Предприятие "Сибагроприбор"
Priority date: 1990-01-03
Filing date: 1990-01-03
Publication date: 1992-06-30

Abstract

Изобретение относитс к силоизмерительной технике и может быть использовано , например, дл взвешивани . Цель изобретени - расширение диапазона измерени и повышение надежности. Датчик силы содержит силовоспринимающую упругую камеру, корпус которой выполнен в виде двух размещенных соосно встречно один внутри другого цилиндрических стаканов 1 и 2, днища которых вл ютс упругими си- ловоспринимающими сторонами 3 камеры и на которых выполнены концентрические кольцевые проточки 4. В центрах сторон 3 установлены излучатель 5 и приемник 6 ультразвука . Полость 7 с помощью каналов 8 соединена с сильфонами 9, установленными на поверхности силовоспринимающей упругой камеры, и заполнена жидкостью. Величина измер емой силы пропорциональна времени прохождени ультразвука через силовоспринимающую упругую камеру. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л СThe invention relates to load measuring technique and can be used, for example, for weighing. The purpose of the invention is to expand the measurement range and increase reliability. The force sensor contains a force-absorbing elastic chamber, the body of which is made in the form of two cylindrical cups 1 and 2 placed coaxially opposite one inside the other, the bottoms of which are elastic force-receiving sides 3 of the chamber and on which concentric annular grooves 4 are installed. emitter 5 and receiver 6 ultrasound. The cavity 7 is connected via channels 8 with bellows 9 installed on the surface of the force-absorbing elastic chamber and filled with liquid. The magnitude of the measured force is proportional to the time it takes for ultrasound to pass through a force-sensitive elastic chamber. 2 hp f-ly, 2 ill. (Ls

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано во взвешивающих устройствах.The invention relates to measuring equipment and can be used in weighing devices.

Известны устройства для измерения силы, в которых используют эффект изменения сопротивления тензорезистора, а также изменение частоты механических колебаний струны или стержня в зависимости от приложенной к ним механической нагрузки.Known devices for measuring force, which use the effect of changing the resistance of a strain gauge, as well as changing the frequency of mechanical vibrations of a string or a rod, depending on the mechanical load applied to them.

Однако тензорезисторные и виброчастотные силоизмерительные датчики сложны в изготовлении и имеют довольно высокую стоимость.However, strain gauge and vibration frequency force measuring sensors are difficult to manufacture and have a rather high cost.

Известно устройство измерения силы, содержащее излучатель и приемник поверхностных акустических волн, которые размещены на пластине из монокристаллического пьезоэлектрика, а также отражающие электроды и корпус устройства. В пластине из монокристаллического пьезоэлектрика возбуждают акустические волны, прикладывают усилие и измеряют скорость распространения акустических волн от излучателя до приемника, по величине которой судят о'прикладываемом усилии.A device for measuring force is known, comprising a transmitter and a receiver of surface acoustic waves, which are placed on a plate of a single-crystal piezoelectric, as well as reflective electrodes and a device case. Acoustic waves are excited in a single-crystal piezoelectric plate, a force is applied, and the propagation speed of the acoustic waves from the emitter to the receiver is measured, the magnitude of which determines the applied force.

Недостатком указанного устройства является ограниченный диапазон измерения • силы, обусловленный невысокой механической прочностью пластины, к которой прикладывается усилие.The disadvantage of this device is the limited range of force measurement due to the low mechanical strength of the plate to which the force is applied.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является датчик силы, состоящий из двух электроакустических преобразователей, каждый из которых содержит корпус, крышку, металлический диск, стержень, катушку индуктивности, постоянный магнит, выводы катушки и проходные изоляторы. Преобразователи соединены между собой при помощи силовоспринимающей перемычки. В датчике силы с помощью излучателя возбуждают продольные акустические волны и измеряют время их распространения через силовоспринимающую перемычку, соединяющую излучатель с приемником и удлиняющуюся пропорционально прикладываемому усилию.Closest to the proposed technical solution is a force sensor, consisting of two electro-acoustic transducers, each of which contains a housing, a cover, a metal disk, a rod, an inductor, a permanent magnet, coil leads and bushing insulators. The converters are interconnected using a power-sensing jumper. In a force sensor, longitudinal acoustic waves are excited using a radiator and the time of their propagation is measured through a power-sensitive jumper connecting the transmitter to the receiver and lengthening in proportion to the applied force.

Недостатками известного датчика силы, являются малый диапазон измерения, обус. ловленный ограниченными пределами упругой деформации металлической перемычки, а также низкая механическая прочность из-за высокой чувствительности к поперечной составляющей измеряемой силы, которая изгибает металлическую пе.ремычку.The disadvantages of the known force sensor are a small measuring range, obus. caught by the limited elastic deformation of the metal bridge, as well as low mechanical strength due to the high sensitivity to the transverse component of the measured force, which bends the metal rod.

Цель изобретения - расширение диапазона измерения и повышение надежности.The purpose of the invention is the expansion of the measuring range and increase reliability.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее два электроакусти ческих преобразователя, соединенные звукопроводом, снабжено силовоспринимающей упругой камерой, заполненной звукопроводящей жидкостью, а электроакустические преобразователи расположены на силовоспринимающих сторонах камеры.This goal is achieved in that the device containing two electro-acoustic transducers connected by a sound duct is equipped with a force-sensing elastic chamber filled with sound-conducting fluid, and the electro-acoustic transducers are located on the power-perceiving sides of the chamber.

Силовоспринимающая упругая камера выполнена в виде двух размещенных соосно встречно один внутри другого цилиндрическихстаканов, на наружной поверхности днищ которых выполнены концентрические кольцевые проточки.The force-sensing elastic chamber is made in the form of two cylindrical glasses placed coaxially opposite one inside the other, on the outer surface of the bottoms of which concentric annular grooves are made.

Кроме того, в устройство введены компенсационные емкости, соединенные каналами с полостью силовоспринимающей упругой камеры и выполненные в виде сильфонов.In addition, compensation capacitances connected by channels to the cavity of the force-sensing elastic chamber and made in the form of bellows are introduced into the device.

На фиг. 1 приведен датчик силы; на фиг.2In FIG. 1 shows a force sensor; figure 2

- схема включения датчика.- sensor switching circuit.

Датчик силы (фиг. 1) представляет собой силовоспринимающую упругую камеру, корпус которой выполнен в виде двух размещенных соосно встречно один внутри другого цилиндрических стаканов 1 и 2, днища которых являются упругими силовоспринимающими сторонами 3 камеры и на которых выполнены концентрические кольцевые проточки 4 для обеспечения требуемой чувствительности. В центрах силовоспринимающих сторон 3 камеры установлены излучатель 5 и приемник 6 ультразвука. Полость 7 силовоспринимающей упругой камеры, заполненная жидкостью, с помощью каналов 8 соединена с сильфонами 9, установленными на поверхности силовоспринимающей упругой камеры.The force sensor (Fig. 1) is a force-sensing elastic chamber, the body of which is made in the form of two cylindrical cups 1 and 2 placed coaxially opposite one inside the other, whose bottoms are elastic force-sensing sides 3 of the chamber and on which concentric annular grooves 4 are made to provide the required sensitivity. In the centers of the power-sensing sides 3 of the camera, an emitter 5 and an ultrasound receiver 6 are installed. The cavity 7 of the force-sensing elastic chamber, filled with liquid, is connected via channels 8 to bellows 9 mounted on the surface of the force-sensing elastic chamber.

Датчик работает следующим образом.The sensor operates as follows.

Пьезокерамйческий излучатель 5 возбуждается короткими электрическими импульсами напряжения, которые преобразуются излучателем 5 в механические колебания ультразвуковой частоты, проходят через жидкость, заполняющую полость 7 камеры, и через некоторое время ti достигают приемника 6, который преобразует механические колебания ультразвуковой частоты в электрический сигнал. В ненагруженном состоянии, когда сила Р к силовоспринимающей камере не приложена, время прохождения ультразвука постоянно и равно t₀. Под действием силы Р камера может сжиматься или растягиваться в зависимости от способа приложения силы. В первом случае время распространения ультразвука уменьшается, во втором увеличивается. При этом величина измеряемой силы Р пропорциональна времени Δΐ прохождения ультразвука через силовоспринимающую упругую камеру:The piezoelectric ceramics emitter 5 is excited by short electric voltage pulses, which are transformed by the emitter 5 into mechanical vibrations of the ultrasonic frequency, pass through the liquid filling the chamber cavity 7, and after a while ti reach the receiver 6, which converts the mechanical vibrations of the ultrasonic frequency into an electrical signal. In the unloaded state, when the force P is not applied to the force-sensing chamber, the transit time of the ultrasound is constant and equal to t ₀ . Under the action of force P, the chamber may contract or stretch depending on the method of application of force. In the first case, the propagation time of ultrasound decreases, in the second it increases. The magnitude of the measured force P is proportional to the time Δΐ of the passage of ultrasound through the force-sensing elastic chamber:

Ρ ^ε ( Δΐ I = I to - til, где t₀ - время прохождения ультразвука через ненагруженную силовоспринимающую упругую камеру, когда Р = 0;Ρ ^ε (Δΐ I = I to - til, where t ₀ is the transit time of ultrasound through an unloaded force-sensing elastic chamber when P = 0;

ΐι - время прохождения ультразвука через нагруженную силовоспринимающую камеру, когда Р > 0.ΐι is the transit time of ultrasound through a loaded force-sensing chamber when P> 0.

В зависимости от направления измеряемой силы Р противоположные стороны 3 силовоспринимающей упругой камеры изгибаются навстречу друг другу, если сила Р сжимает камеру, или в противоположные стороны, если силы Р действует на растяжение. Во время деформации упругих силовоспринимающих сторон 3 камеры происходит измерение объема ее внутренней полости 7. При сжатии камеры жидкость вытесняется из полости 7 и через каналы 8 подается в сильфоны 9, при растяжении жидкость из сильфонов 9 поступает в полость камеры. За смет этого при измерении силы давление внутри камеры изменяется незначительно, что позволяет снизить требования к герметичности силовоспринимающей упругой камеры. Кроме того, сильфоны 9 снижают погрешность измерения, обусловленную возможным изменением давления жидкости внутри камеры за счет температурного расширения.Depending on the direction of the measured force P, the opposite sides 3 of the force-sensing elastic chamber are bent towards each other if the force P compresses the chamber, or in opposite directions if the force P acts in tension. During the deformation of the elastic force-accepting sides 3 of the chamber, the volume of its internal cavity 7 is measured. When the chamber is compressed, the liquid is forced out of the cavity 7 and is fed into the bellows 9 through the channels 8, when stretched, the liquid from the bellows 9 enters the chamber cavity. As a result of this, when measuring the force, the pressure inside the chamber changes insignificantly, which reduces the tightness requirements of the force-sensing elastic chamber. In addition, the bellows 9 reduce the measurement error due to a possible change in the fluid pressure inside the chamber due to thermal expansion.

На фиг. 2 приведена схема включения датчика силы, которая, кроме датчика силы (фиг. 1),содержит усилитель 10, в цепь положительной обратной связи которого включен приемник 6 ультразвука, а нагрузкой является формирователь 11 электрических импульсов для возбуждения источника 5 ультразвука, а также последовательно соединенные с усилителем 10 измеритель 12 длительности периодов повторения и вычислитель 13. В результате прикладываемой к датчику силы Р расстояние между излуча телем 5 и приемником 6 ультразвука уменьшается или увеличивается, а следовательно, уменьшается или увеличивается время ti прохождения ультразвука через жидкость между излучателем 5 и приемником 6 ультразвука, которое определяется периодом повторения последовательности импульсов с выхода усилителя 10. Период повторения последовательности импульсов измеряется в измерителе 12, например, путем заполнения интервала времени эталонными импульсами специального генератора более высокой частоты и подсчета количества импульсов в счетчике. Вычислитель 13 вычисляет величину I Δ t| = fto - ti |. определяет измеряемую силу P s Δΐ и представляет ее в удобной для пользователя форме.In FIG. 2 is a diagram of the inclusion of a force sensor, which, in addition to the force sensor (Fig. 1), contains an amplifier 10, in the positive feedback circuit of which an ultrasound receiver 6 is connected, and the load is an electric pulse shaper 11 to excite the ultrasound source 5, as well as connected in series with an amplifier 10, a meter 12 of duration of repetition periods and a calculator 13. As a result of the force P applied to the sensor, the distance between the emitter 5 and the ultrasound receiver 6 decreases or increases, and therefore , the time ti of ultrasound propagation through the liquid between the emitter 5 and the ultrasound receiver 6 decreases or is determined by the period of the repetition of the pulse sequence from the output of the amplifier 10. The repetition period of the pulse sequence is measured in the meter 12, for example, by filling the time interval with the reference pulses of a special generator with a higher frequency and counting the number of pulses in the counter. The calculator 13 calculates the value I Δ t | = fto - ti |. determines the measured force P s Δΐ and presents it in a user-friendly form.

Claims

Claim

1. The force sensor containing two electro-acoustic transducers connected by a sound duct, characterized in that. that, in order to expand the measuring range and increase reliability, a force-sensing elastic chamber filled with sound-conducting liquid is introduced into it, and electro-acoustic transducers are located on the power-sensing sides of the chamber. '

2. The sensor according to claim 1, characterized in that in order to improve manufacturability, the force-sensing elastic chamber is made in the form of two cylindrical cups placed coaxially opposite one inside the other, on the outer surface of the bottoms of which concentric annular grooves are made.

3. The sensor according to claims 1 and 2, characterized in that compensation capacitances are connected into it, connected to the cavity of the force-reflecting elastic chamber and made in the form of bellows.