Устройство контроля механических напряжений

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ(71) Заявитель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(72) Авторы Зубцов Владимир Иванович Баранов Валентин Владимирович(73) Патентообладатель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(57) Устройство контроля механических напряжений, содержащее корпус, в котором концентрично размещены кольцевой и цилиндрический пьзоэлементы с контактными площадками, причем цилиндрический пьезоэлемент размещен с зазором к корпусу, отличающееся тем, что цилиндрический пьезоэлемент выполнен монолитным и имеет две контактные площадки кольцевую, с наружным диаметром, равным диаметру цилиндрического пьезоэлемента, и круговую, изолированную от кольцевой площадки диэлектрическим промежутком, причем радиусы кольцевой и круговой площадок выбраны из соотношения кольца/круга 1,5-1,6. 1207 Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля механических напряжений внутри сплошных сред из нелинейно упругих материалов (пластмасс, стеклопластиков, смол, бетонов, асфальтобетонов, металлов, получаемых холодным прессованием, и т.д.). Известно устройство для контроля механических давлений, которое содержит кольцевой пьезоэлемент и размещенный внутри него цилиндрический пьезоэлемент, равный с ним по высоте. Кольцевой пьезоэлемент возбуждается от источника переменного напряжения, а о величине давления судят по изменению эквивалентного сопротивления цилиндрическою пьезоэлемента 1. Недостатком известной конструкции является низкая точность и нестабильность при контроле механических напряжений, так как, при помещении во внутрь контролируемой среды и возбуждении пьезоэффекта в устройстве, последний изменяет свои размеры, а окружающая среда препятствует этому из-за одинаковой толщины пьзоэлементов. В качестве прототипа принято устройство контроля механических напряжений 2, которое содержит корпус с размещенными внутри концентрично кольцевым и цилиндрическим пьезоэлементами. Толщина кольцевого пьезоэлемента равна высоте внутренней полости корпуса. Толщина цилиндрического пьезоэлемента меньше толщины кольцевого пьезоэлемента, так как он имеет зазор между его верхней поверхностью и корпусом. Толщина кольцевого и цилиндрического элементов определяется соотношениемкол - цил,где- величина зазора кол - толщина кольцевого пьезоэлемента цил - толщина цилиндрического пьезоэлемента- пьезоэлектрическая постоянная- величина переменного напряжения на цилиндрическом пьезоэлементе. Цилиндрический пьезоэлемент выполнен в виде пакета из двух скрепленных пьезоэлементов. Кольцевой и цилиндрический пьезоэлементы снабжены токовыводами, идущими от контактных площадок, выполненных в виде цилиндра и кольца. Недостатком прототипа является сложность конструкции и невысокая чувствительность. В частности, цилиндрический пьезоэлемент состоит из двух элементов нижнего и верхнего. Нижний возбуждается электрическим способом по принципу обратного пьезоэффекта и вынуждает колебаться верхний, который возбуждается измеряемым механическим напряжением по принципу прямого пьезоэффекта. Причем контактная площадка для возбуждения обратного пьезоэффекта находится на нижнем пьезоэлементе, а контактная площадка для съема выходного сигнала, образующегося под действием механических напряжений, - на верхнем пьезоэлементе. Задачей полезной модели является упрощение конструкции при одновременном повышении чувствительности устройства. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для контроля механических напряжений, содержащем корпус, в котором концентрично размещены кольцевой и цилиндрический пьезоэлементы с контактными площадками, причем цилиндрический пьезоэлемент размещен с зазором к корпусу, в отличие от прототипа цилиндрический пьезоэлемент выполнен монолитным, а на его поверхности выполнены две контактные площадки - кольцевая и в виде круга, изолированные одна от другой диэлектрическим промежутком. Контактные площадки размещены концентрично, причем наружный диаметр кольцевой площадки равен диаметру цилиндрического пьезоэлемента. Радиусы контактных площадок выбраны из соотношения кольца/круга 1,50-1,60. Выполнение цилиндрического пьезоэлемента монолитным упрощает конструкцию и повышает чувствительность. Выполнение контактных площадок заявляемой формы и радиусов также обеспечивает повышение чувствительности, так как контакты для возбуждения и съема 2 1207 выходного сигнала объединены одним пьезоэлементом. Благодаря чему, по принципу суперпозиции волн, результирующая амплитуды упругих механических колебаний в пьезоэлементе равна сумме амплитуд колебаний, образованных обратным пьезоэффектом в результате подвода возбуждающего напряжения к кольцевой контактной площадке и прямым пьезоэффектом в результате действия измеряемых механических напряжений. Выходной сигнал, полученный под действием результирующей (суммарной) амплитуды механических колебаний снимается с контактной площадки в виде круга и является более высоким, чем в известном устройстве. Вышеуказанное соотношение радиусов кольцевой и в виде круга контактных площадок получено экспериментальным путем. Причем электрическое напряжение возбуждения подводится к кольцевой контактной площадке, а выходной сигнал снимается с контактной площадки в виде круга, но не наоборот. На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства, на фиг. 2 - разрез А-А с фиг. 1, на фиг. 3 приведен график зависимости выходного электрического напряжения вых от величины механического напряжения Т для цилиндрического пьезоэлемента из пьезокерамики ЦТС-19101 мм для разных соотношений кол/цил. В корпусе 1 заключен кольцевой пьезоэлемент 2, внутри которого концентрично ему размещен цилиндрический пьезоэлемент 3. Кольцевой пьезоэлемент 2 имеет толщину,равную высоте внутренней полости корпуса 1. Толщина цилиндрического пьезоэлемента 3 меньше высоты внутренней полости корпуса на величину зазора между верхней поверхностью цилиндрического пьезоэлемента и корпусом. Кроме того, цилиндрический пьезоэлемент 3 выполнен монолитным, а на его верхней поверхности размещены две концентричные контактные площадки кольцевая 4 и в виде круга 5. Наружный диаметр кольцевой площадки 4 равен диаметру цилиндрического пьезоэлемента. Радиусы контактных площадок выбраны из соотношения кол/цил 1,5-1,6. К контактным площадкам 4, 5 и нижней поверхности цилиндрического пьезоэлемента 3 подсоединены токовыводы соответственно 6, 7, 8. К поверхностям кольцевого пьезоэлемента также подсоединены два токовывода (на фигуре не показаны). Устройство работает следующим образом. При изготовлении изделия устройство располагают внутри незатвердевшей среды (пластмассы, стеклопластика, бетона и т.д.). К токовыводам 6 и 8 подводят электрическое аналоговое или импульсное напряжение определенной частоты, вызывающее в кольцевом пьезоэлементе 3 деформацию колебательного характера той же частоты. При воздействии механических напряжений на корпус 1 устройства кольцевой пьезоэлемент 2 сжимается, колебания пьезоэлемента 3 становятся ограниченными, в результате чего появляется электрический сигнал в токовыводах 7 и 8, пропорциональный этому механическому напряжению. Величина зазора между верхней поверхностью цилиндрического пьеэоэлемента и корпуса выбраны из соотношения Нкол - цил,где- величина зазора,кол - толщина кольцевого элемента,цил - толщина цилиндрического элемента, - пьезоэлектрическая постоянная пьезоэлемента, - электрическое напряжение,К- коэффициент формы электрического напряжения. Причеми К принимают значения в зависимости от того, каким электрическим напряжением - аналоговым синусоидальным или импульсным - возбуждается цилиндрический пьезоэлемент. Так, при возбуждении синусоидальным аналоговым напряжениемсреднеквадратичное синусоидальное напряжение (шкалы аналоговых вольтметров принято градуировать в значениях среднеквадратичного синусоидального напряжения), а К 1,3 1207 так как измерение прямое, т.е.считается непосредственно с вольтметра. При возбуждении импульсным напряжением,- амплитудное (максимальное) напряжение , в значениях которого градуируют шкалы импульсных вольтметров. Коэффициент К принимает значения в зависимости от форм импульсного напряжения и является справочной величиной. В данном случае измерение косвенное, т.к. напряжение, считанное с импульсного вольтметра, умножается на К . Это объясняется тем, что амплитуда импульса не может быть однозначно определена из-за многообразия форм, поэтому напряжение принято определять обобщенным амплитудным, характеризуемым с точки зрения энергии импульса (отношением энергии импульса к количеству его электричества). Это достигается путем введения коэффициента формы импульсного напряжения К. Таким образом, при возбуждении синусоидальным аналоговым напряжением соотношение для зазора принимает вид Нкол - цил,где- среднеквадратичное значение напряжения. А при возбуждении импульсным напряжением Нкол - цил,где- максимальное значение импульсного напряжения,К - коэффициент формы. Путем подачи постоянного электрического напряжения по токовыводам к кольцевому пьезоэлементу можно изменять диапазон и точность измерения механических напряжений. Выполнение контактных площадок с соотношением кольца/круга-1,50-1,60 позволяет получить самое высокое электрическое выходное напряжение (вых) в зависимости от действующих механических напряжений. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.