П’єзоелектричний датчик статичних зусиль

39780 Винахід належить до вимірювальної техніки, зокрема, до пристроїв для виміру зусилля, і може бути використаний в промисловості та в лабораторній практиці для виміру статичних зусиль. Відомий п'єзоелектричний датчик за а.с. СРСР № 501306, G01L1/16, 1974, який містить циліндричний п'єзотрансформатор з електродами на торцях у вигляді кілець та диска, що підключені відповідно до генератора електричних коливань та вимірювального приладу, утримувачі у вигляді призм. Примітка. Аналогічно підключаються п'єзотра-нсформатори (див.: Трофимов А.И. Пьезоэлектри-ческие преобразователи статических нагрузок. - М.: Машиностроение, 1979. - С. 18, рис. 3, г; Плуж-ников В.М., Семенов В.С. Пьезокерамические тве-рдые схемы.- М.: Энергия, 1971. - С. 76, рис. 4.15, а). Недоліком цього датчика є порівняно невисока чутливість. Відомий також п'єзоелектричний датчик статичних зусиль за а.с. СРСР № 1332166 G01L1/16,1987, який містить циліндричний п'єзо-елемент з електродами на торцях у вигляді кільця та диска, які підключаються відповідно до генератора електричних коливань та вимірювального приладу, а також утримувачі у вигляді призм, при-чому відношення діаметра дискового електрода до зовнішнього діаметра кільцевого електрода виби-рається в межах від 0,5 до 0,7. Вказаний датчик найбільш близький до датчика за винаходом за технічною суттю і вибраний як прототип. Недоліком прототипу є порівняно невисока чутливість. Це обумовлено порівняно невисоким коефіцієнтом передачі п'єзотрансформатора, котрий, як встановлено, однозначно зв'язаний з чутливістю. Для прототипу максимальна чутливість досягається завдяки оптимальному вибору розмірів електродів. В основу винаходу поставлена задача удосконалення п'єзоелектричного датчика статичних зусиль шляхом зміни схеми підключення п'єзотран-сформатора до генератора електричних коливань та вибору оптимальних розмірів його електродів, що дозволяє досягти суттєвого підвищення чутливості датчика. П'єзоелектричний датчик статичних зусиль мі-стить циліндричний п'єзотрансформатор з елект-родами на кожному торці у вигляді диска та кільця, що встановлені між утримувачами у вигляді призм. Датчик, що пропонується, відрізняється від прототипу тим, що на кожному торці відношення діаметра дискового електрода Dд1 до зовнішнього діаметра кільцевого електрода Dк вибирається в межах від 0,60 до 0,85, а на другому торці відношення діаметра дискового електрода Dд2 до зовнішнього діаметра кільцевого електрода Dк вибирається в межах від 0,25 до 0,45, сигнальний провід генератора підключається до дискового електрода більшого діаметра, сигнальний провід вимірювального приладу підключається до дискового електрода меншого діаметра, а загальні проводи генератора та вимірювального приладу підключаються до кільцевого електрода меншої площини. Кожна з вказаних відмінних ознак є необхідною, а всі разом - достатніми для досягнення технічного результату. Саме таке підключення генератора та вимірювального приладу (фіг. 1) забезпечує суттєве збільшення чутливості, а при вказаних в формулі (1) на фіг. 2 та 3 співвідношення розмірів електродів чутливість досягає максимуму. Винахід пояснюється кресленнями, де: на фіг. 1 показана конструкція датчика, що пропонується; на фіг. 2 - залежність чутливості S датчика від відношення діаметра дискового електрода Dд1, до якого підключається генератор електричних коливань, до зовнішнього діаметра кільцевого електрода Dк при відношенні діаметра дискового електрода Dд2, до якого підключається вимірювальний прилад, до зовнішнього діаметра кільцевого електрода Dк, рівному 0,35 (Dд2/Dк=0,35); на фіг. 3 - залежність чутливості S датчика від відношення діаметра дискового електрода Dд2, до якого підключається вимірювальний прилад, до зовнішнього діаметра кільцевого електрода Dк при відношенні діаметра дискового електрода Dд1, до якого підключається генератор, до зовнішнього діаметра кільцевого електрода Dк, рівному 0,75 (Dд1/Dк=0,75); на фіг. 4 - вид одного з торців п'єзо-трансформатора з електродами, розділеними на диск та 5 кілець. Датчик, що пропонується, містить циліндричний п'єзотрансформатор з електродами на торцях у вигляді дисків 2 та 3 1 кілець 4 та 5. П'єзотранс-форматор розташований між утримувачами 6 та 7 у вигляді призм, через які до п'єзотрансформатора передається зусилля F. П'єзотрансформатор підключається до генератора електричних коливань 8 та до вимірювального приладу 9, причому сигнальний провід генератора 10 підключається до дискового електрода 2 більшого діаметра, а сигнальний провід вимірювального приладу 11 до дискового електрода меншого діаметра 3, а загальні проводи генератора та вимірювального приладу 12 та 13 підключаються до кільцевого електрода 4 меншої площини. Датчик працює наступним чином. Генератор електричних коливань 8 настроюють на резонансну частоту п'єзотрансформато-ра 1, збуджуючи в ньому радіальні коливання. Під дією цих коливань на електроді у вигляді диска 3 виникає за рахунок зворотного п'єзоефекту електрична напруга, котра реєструється вимірювальним приладом 9. Під дією статичного зусилля F, що вимірюється, прикладеного до утримувачів 6 та 7, амплітуда механічних коливань п'єзотрансформатора зменшується і, отже, зменшується змінна електрична напруга, що знімається з електрода 3, що фіксується вимірювальним приладом 9. Зміна схеми підключення генератора та вимі-рювального приладу до електродів п'єзотрансфо-рматора, а також вибір розмірів цих електродів дозволили суттєво збільшити чутливість датчика. Можливість реалізації винаходу підтверджується наведеним нижче прикладом. В приготовленому для випробувань датчику був використаний п'єзотрансформатор діаметром 38 мм і товщиною 16 мм з п'єзокераміки ЦТС-22. Утримувачі були виготовлені з сталі 45 з кутом А=120 грд. Збудження п'єзотрансформатора відбувалось на резонансній частоті радіальній моди коливань (біля 53 кГц) генератором ГЗ-109. Як вимірювальний прилад використовувався мілівольтметр ВЗ-38. 39780 Генератор та мілівольтметр підключались спочатку за схемою а.с. № 1332166 (прототип) і при співвідношенні розмірів електродів згідно з цим винаходом. Вимірювалась чутливість S датчика на початковій ділянці градуйованої характеристики (0...1 кгс): U - Uf S= 0 F , де U0 - початкова напруга на виході п'єзотрансфо-рматора, тобто при відсутності впливу на нього зусилля F; Uf - напруга на виході п'єзотрансфор-матора при впливі на нього зусилля F=1,0 кгс (кілограм сили). Чутливість для прототипу S=3,9 В/кгс. Аналогічні виміри проводились для датчика, що пропонується, для Dд1/Dк=0,75 та Dд2/Dк= =0,35. Чутливість S=6,8 В/кгс. Оптимальні співвідношення електродів Dд1/Dк та Dд2/Dк визначались наступним чином. Електроди на торцях п'єзотрансформатора поділялись на токарному верстаті за допомогою різця проміжками 0,2¼0,3 мм у вигляді концентричних кіл з діаметрами 10, 15, 20, 25, 30 та 35 мм (фіг. 4). З одного торця п'єзотрансформатора до диска 14 підключалися сигнальний провід генератора, а кільця 15-20 з'єднувались разом 1 підключались до загального проводу генератора та приладу. З другого торця диск 14 з'єднувався з кільцем 15 та підключався до сигнального проводу вимірювального приладу. Вимірювалась чутливість при даному співвідношенню електродів. Потім виміри повторювались при послідовному збільшенні діаметра дискового електрода (тобто з'єднанні диска 14 з кільцем 15, з'єднанні диска 14 з кільцями 15 та 16 і т. д.). Результати вимірів показані на фіг. 2. Аналогічні виміри повторювались при діаметрі дискового електрода, до якого підключається генератор, рівному 30 мм (тобто з'єднувались разом диск 14 та кільця 15, 16, 17, та 18; відповідно разом з'єднувались кільця 19 та 20 і підключались до загального проводу). В цьому випадку вимірювалась S при діаметрі дискового електрода від 10 до 35 мм. Результати вимірів показані на фіг. 3. Як випливає з фіг. 2 та 3, оптимальними слід вважати співвідношення Dд1/Dк в межах від 0,60 до 0,85, Dд2/Dк - в межах від 0,25 до 0,45. 39780 Фіг. 1 Фіг. 2 39780 Фіг. 3 Фіг. 4