RU2564691C2 - Strain transducer - Google Patents
Strain transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2564691C2 RU2564691C2 RU2014103763/28A RU2014103763A RU2564691C2 RU 2564691 C2 RU2564691 C2 RU 2564691C2 RU 2014103763/28 A RU2014103763/28 A RU 2014103763/28A RU 2014103763 A RU2014103763 A RU 2014103763A RU 2564691 C2 RU2564691 C2 RU 2564691C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transducer
- cylinder
- load element
- diameter
- piezoelectric transducer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Force In General (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.The invention relates to instrumentation, in particular for measuring deformations (stresses) in various structures by means of polarizing-optical converters, and can be used in construction, transport, industrial production, and instrumentation.
Уровень техникиState of the art
Известно, что пьезооптические преобразователи, используемые для измерения деформаций (напряжений), обладают наибольшей чувствительностью по сравнению с другими, например с тензорезистивными, преобразователями (Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, №11, с.45-48) [1].It is known that the piezoelectric transducers used to measure strains (stresses) have the highest sensitivity compared to other transducers, for example, tensoresistive ones (Slezinger II Piezoelectric transducers. Measuring equipment, 1985, No. 11, p. 45-48 ) [one].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому тензометрическому датчику является пьезооптический тензометрический датчик (Патент РФ №2454642 от 29.03.2011) [2]. Датчик состоит из нагрузочного элемента, закрепляемого на контролируемом объекте, пьезооптического преобразователя, преобразующего величину напряжений на фотоупругом элементе (ФЭ) в электрический сигнал, и блока обработки сигнала. Нагрузочный элемент представляет собой полый цилиндр с четырьмя продольными разрезами, не нарушающими целостности цилиндра, а фотоупругий элемент пьезооптического преобразователя закреплен в цилиндре таким образом, что оптическая ось пьезооптического преобразователя совпадает с осью цилиндра и перпендикулярна плоскости измеряемых деформаций. Закрепление фотоупругого элемента в пластине в заведомо нагруженном состоянии осуществляется за счет того, что внешний диаметр фотоупругого элемента превышает внутренний диаметр посадочного места внутри полого цилиндра на величину, достаточную для жесткого крепления за счет упругости стенок цилиндра. Закрепление ФЭ в изначально нагруженном состоянии позволяет измерять как деформации сжатия, так и деформации растяжения. Действие исходной силовой нагрузки в двух взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивает термокомпенсацию преобразователя, так как при изменении температуры пластины ФЭ сжимается одинаково в перпендикулярных направлениях, то есть изотропно, что не приводит к появлению ложного сигнала на выходе пьезооптического преобразователя.The closest in technical essence to the proposed strain gauge is a piezoelectric strain gauge (RF Patent No. 2454642 of 03/29/2011) [2]. The sensor consists of a load element fixed to the controlled object, a piezoelectric transducer that converts the magnitude of the voltage on the photoelastic element (PV) into an electrical signal, and a signal processing unit. The load element is a hollow cylinder with four longitudinal sections that do not violate the integrity of the cylinder, and the photoelastic element of the piezoelectric transducer is fixed in the cylinder so that the optical axis of the piezoelectric transducer coincides with the axis of the cylinder and is perpendicular to the plane of the measured strains. The fixing of the photoelastic element in the plate in a known loaded state is due to the fact that the external diameter of the photoelastic element exceeds the internal diameter of the seat inside the hollow cylinder by an amount sufficient for rigid fastening due to the elasticity of the cylinder walls. The fastening of the FE in the initially loaded state allows one to measure both compression deformations and tensile deformations. The action of the initial force load in two mutually perpendicular directions provides thermal compensation of the transducer, since when the temperature of the plate changes, the PV is compressed equally in the perpendicular directions, i.e. isotropically, which does not lead to the appearance of a false signal at the output of the piezoelectric transducer.
Недостатками данного тензометрического преобразователя являются: а) закрепление ФЭ в пластине осуществляется с помощью конуса Морзе, что требует весьма высокой точности в изготовлении как фотоупругого элемента, так и конусного отверстия, совпадающего с размерами ФЭ, что сопряжено с технологическими трудностями; б) величина исходной силовой нагрузки на ФЭ обеспечивается конструкцией нагрузочного элемента и не может быть изменена в процессе сборки датчика, что может приводить к невоспроизводимости параметров датчика; в) нагрузочный элемент является одновременно и корпусом пьезооптического преобразователя, поэтому при изменении конструкции нагрузочного элемента нужно менять конструкцию всего датчика, включая пьезооптический преобразователь.The disadvantages of this strain gauge transducer are: a) the PV is fixed in the plate using the Morse cone, which requires very high accuracy in the manufacture of both a photoelastic element and a conical hole that matches the PV size, which is associated with technological difficulties; b) the magnitude of the initial power load on the PV is ensured by the design of the load element and cannot be changed during the assembly of the sensor, which can lead to irreproducibility of the sensor parameters; c) the load element is also the case of the piezoelectric transducer, therefore, when changing the design of the load element, it is necessary to change the design of the entire sensor, including the piezoelectric transducer.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задача изобретения заключается в создании такой конструкции тензометрического преобразователя, в которой, во-первых, закрепление ФЭ осуществляется более простым, по сравнению с конусом Морзе, способом, во-вторых, создание изначальной силовой нагрузки на ФЭ в двух взаимно ортогональных направлениях осуществляется контролируемым способом, в-третьих, пьезооптический преобразователь имеет собственный унифицированный корпус и может быть использован с нагрузочными элементами разных конструкций, при этом габаритный размер пьезооптического преобразователя в плоскости измеряемых напряжений не превышает размер ФЭ.The objective of the invention is to create such a design of a strain gauge transducer in which, firstly, the fastening of the FE is carried out in a simpler way compared to the Morse cone, secondly, the creation of the initial power load on the FE in two mutually orthogonal directions is carried out in a controlled manner, thirdly, the piezoelectric transducer has its own unified housing and can be used with load elements of different designs, while the overall size of the piezoelectric of inverter plane measured voltages do not exceed the size of the PV.
Технический результат - упрощение конструкции, повышение ее надежности и точности измерения деформаций, уменьшение габаритов.The technical result is to simplify the design, increase its reliability and accuracy of strain measurements, reduce the size.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве, включающем нагрузочный элемент цилиндрической формы с разрезами, не нарушающими целостности цилиндра, и закрепляемый на контролируемом объекте, размещенный в нем пьезооптический преобразователь, состоящий из закрепленного в заведомо нагруженном состоянии фотоупругого элемента (ФЭ) с системой преобразования величины напряжений на ФЭ в электрический сигнал и блока обработки сигнала, согласно изобретению фотоупругий элемент имеет в плане крестообразную форму, фронтальные поверхности которого, параллельные направлению измеряемых усилий, являются оптически плоскими, а боковые поверхности ФЭ имеют постоянный и/или переменный радиус кривизны, при этом пьезооптический преобразователь имеет собственный корпус, который представляет собой цилиндр диаметром меньше, чем внешний диаметр ФЭ, и в котором выполнены отверстия, сквозь которые торцы боковых поверхностей ФЭ выступают за внешние габариты цилиндра, а в нагрузочном элементе напротив этих выступов на уровне размещения ФЭ выполнены четыре сквозных резьбовых отверстия, расположенные в плоскости перпендикулярной оси цилиндра и под углом 90 градусов относительно друг друга, под винты, обеспечивающие изначальную силовую нагрузку на ФЭ, при этом система преобразования величины напряжений на ФЭ в электрический сигнал пьезооптического преобразователя включает механизмы вращения поляризатора и четвертьволновой пластины.The problem is solved due to the fact that in a known device that includes a cylindrical loading element with cuts that do not violate the integrity of the cylinder, and mounted on a controlled object, a piezoelectric transducer located in it, consisting of a photoelastic element (PV) fixed in a known loaded state with a system for converting the magnitude of voltages on the PV into an electrical signal and a signal processing unit, according to the invention, the photoelastic element has a cross-shaped plan whose surfaces parallel to the direction of the measured forces are optically flat, and the side surfaces of the FE have a constant and / or variable radius of curvature, while the piezoelectric transducer has its own housing, which is a cylinder with a diameter smaller than the outer diameter of the FE, and in which holes through which the ends of the FE side surfaces protrude beyond the outer dimensions of the cylinder, and four through-holes are made in the load element opposite these protrusions at the level of FE placement bovyh openings arranged in a plane perpendicular to the cylinder axis and at an angle of 90 degrees relative to each other by screws, providing initial power load on the PV, the system converting the voltage across the PV piezooptic into an electrical signal transducer includes rotation mechanisms polarizer and quarter-wave plate.
Вращение поляризатора и четвертьволновой пластины пьезооптического преобразователя, в частности, может осуществляться с помощью винтов по принципу червячной передачи, причем роль червяка выполняет винт, а роль червячного колеса выполняет корпус поляризатора или четвертьволновой пластины, снабженный соответствующей резьбой, при этом винты снабжены стопорным кольцом, фиксирующим винт в корпусе пьезооптического преобразователя.The rotation of the polarizer and the quarter-wave plate of the piezoelectric transducer, in particular, can be carried out using screws according to the principle of a worm gear, the screw acting as a worm, and the body of the worm wheel acting as a polarizer or a quarter-wave plate equipped with a corresponding thread, and the screws are provided with a retaining ring screw in the body of the piezoelectric transducer.
Для обеспечения надежного однородного контакта между нагрузочным элементом и контролируемым объектом отверстие для крепления может быть специально обработано, для чего в него вставляют винт, имеющий конус, равный по величине конусу на нагрузочном элементе, и внешнюю резьбу, аналогичную резьбе на нагрузочном элементе, и зажимают гайкой с контролируемым усилием, обеспечивающим пластическую деформацию и уплотнение материала контролируемого объекта.In order to ensure reliable uniform contact between the load element and the controlled object, the fastening hole can be specially processed by inserting a screw having a cone equal in size to the cone on the load element and an external thread similar to that on the load element and clamp it with a nut with a controlled force, providing plastic deformation and compaction of the material of the controlled object.
Крепление ФЭ в преобразователе для предотвращения скалывания торцов фотоупругого элемента при затяжке его винтами осуществляют используя охранное кольцо, способное к упругой деформации, при этом внутренний диаметр кольца меньше внешнего диаметра фотоупругого элемента на заданную величину, причем перед размещением ФЭ в кольце последнее зажимают в двух взаимно перпендикулярных направлениях, составляющих 45 градусов с осями монтируемого ФЭ, после размещения в кольце ФЭ затяжку отпускают.The PV is mounted in the converter to prevent chipping of the ends of the photoelastic element when it is tightened with screws using a guard ring capable of elastic deformation, while the inner diameter of the ring is less than the specified external diameter of the photoelastic element, and the latter is clamped in two mutually perpendicular directions of 45 degrees with the axes of the mounted PV, after placement in the PV ring, the puff is released.
Для получения более однородного контакта между винтом и ФЭ могут быть размещены шарики заданного диаметра, при этом в охранном кольце в соответствующих местах должны быть изготовлены лунки, задающие центр приложения силы к охранному кольцу и к ФЭ.To obtain a more uniform contact between the screw and the FE, balls of a given diameter can be placed, and in the guard ring, holes should be made in the appropriate places that specify the center of application of force to the guard ring and to the FE.
Описание тензометрического преобразователяStrain Gauge Description
Конструкция заявляемого тензометрического преобразователя поясняется Фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.The design of the inventive strain gauge Converter is illustrated in figures 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
На Фиг.1 показан пример фотоупругого элемента (ФЭ), который в плане имеет крестообразную форму, боковые поверхности которого имеют постоянный радиус кривизны. Изначально ФЭ упруго сжат в направлении осей Х и Y усилиями Px=Py. Рабочее (измеряемое) усилие ΔPy прилагается вдоль оси Y. Данная конструкция ФЭ имеет два существенных преимущества. Во-первых, как показали расчеты, такая форма приводит к увеличению напряжения Δσ=σx-σy, в центральной части ФЭ по сравнению с круглым ФЭ при одинаковой внешней нагрузке. Увеличение напряжений происходит именно в той части ФЭ, где проходит световой пучок поляризованного света преобразователя. Например, для формы ФЭ, показанного на Фиг.1 (внешний диаметр ФЭ 12 мм, глубина «врезки» составляет d=2.55 мм, при этом радиус «врезки» равен 5 мм), увеличение Δσ по сравнению с круглым ФЭ составляет 32%. То есть, такая форма ФЭ приводит к увеличению эффективности преобразователя. Во-вторых, данная форма ФЭ позволяет разместить узлы крепления элементов пьезооптического преобразователя в промежутках между боковыми поверхностями ФЭ (заштрихованные области на Фиг.1), не выходя за габариты внешнего диаметра ФЭ. Таким образом, поперечный размер пьезооптического преобразователя не будет превышать диаметр ФЭ.Figure 1 shows an example of a photoelastic element (PV), which in the plan has a cross-shaped shape, the side surfaces of which have a constant radius of curvature. Initially, the FE is elastically compressed in the direction of the X and Y axes by the forces P x = P y . The working (measured) force ΔP y is applied along the Y axis. This PV design has two significant advantages. First, as shown by calculations, this form leads to an increase in the voltage Δσ = σ x -σ y in the central part of the FE as compared to the round FE with the same external load. An increase in stresses occurs precisely in that part of the FE where the light beam of polarized light from the converter passes. For example, for the shape of the FE shown in Figure 1 (the outer diameter of the FE is 12 mm, the depth of the "insert" is d = 2.55 mm, the radius of the "insert" is 5 mm), the increase in Δσ compared to the round FE is 32%. That is, this form of PV leads to an increase in the efficiency of the converter. Secondly, this shape of the PV allows you to place the attachment points of the elements of the piezoelectric transducer in the gaps between the side surfaces of the PV (shaded areas in FIG. 1), without going beyond the dimensions of the external diameter of the PV. Thus, the transverse size of the piezoelectric transducer will not exceed the diameter of the FE.
На Фиг.2 показан пример конструкции пьезооптического преобразователя с поперечными габаритами, не превышающими размер ФЭ. Несущей конструкцией является корпус преобразователя (поз.1) в виде капсулы, собранной из двух половинок. В капсуле размещается крестообразный ФЭ (поз.2) таким образом, что торцы ФЭ через соответствующие отверстия в капсуле (поз.3) выступают наружу на пределы внешнего диаметра капсулы (вид А-А). Для внешнего диаметра ФЭ, равного 12 мм, диаметр капсулы составляет 11.8 мм. Внутри капсулы в соответствующих посадочных местах размещаются светодиод (поз.4), поляризатор с механизмом вращения (поз.5), четвертьволновая пластина с механизмом вращения (поз.6), диафрагма с двумя анализаторами (поз.7), фотодиод с несколькими (не менее двух) фоточувствительными элементами (поз.8), блок электронной обработки сигнала (поз.9). Капсула содержит отверстие (поз.10) для вывода сигнального кабеля через герметичный разъем, крепежные винты (поз.11) и винты механизма вращения (поз.12).Figure 2 shows an example of the construction of a piezoelectric transducer with transverse dimensions not exceeding the size of the FE. The supporting structure is the transducer housing (item 1) in the form of a capsule assembled from two halves. A cross-shaped PV (pos. 2) is placed in the capsule in such a way that the ends of the PV through the corresponding holes in the capsule (pos. 3) protrude outward to the outside of the outer diameter of the capsule (type AA). For an external diameter of PV equal to 12 mm, the diameter of the capsule is 11.8 mm. Inside the capsule, in the corresponding seats, an LED (pos. 4), a polarizer with a rotation mechanism (pos. 5), a quarter-wave plate with a rotation mechanism (pos. 6), a diaphragm with two analyzers (pos. 7), a photodiode with several (not less than two) photosensitive elements (pos. 8), an electronic signal processing unit (pos. 9). The capsule contains an opening (pos. 10) for outputting the signal cable through a sealed connector, mounting screws (pos. 11) and screws of the rotation mechanism (pos. 12).
Сборка пьезооптического преобразователя производится следующим образом. В одну из половинок капсулы в соответствующие посадочные места укладываются узлы пьезооптического преобразователя: светодиод, поляризатор, четвертьволновая пластина, фотоупругий элемент, диафрагма, анализаторы, фотодиод, блок электронной обработки сигнала. Соединительные провода светодиода укладываются в соответствующие канавки в капсуле. Сигнальный провод выводится через выходное отверстие. Затем накладывается вторая половинка капсулы и обе половинки стягиваются винтами (поз.11). С целью обеспечения герметичности капсулы зазоры между торцами фотоупругого элемента и соответствующими отверстиями в капсуле (поз.3) промазываются герметиком (например, однокомпонентным герметиком ВГО-1). Кроме того, герметик обеспечивает дополнительную фиксацию фотоупругого элемента. Наличие герметика не влияет на работу преобразователя, так как герметик остается достаточно мягким и находится в местах, не влияющих на распределение напряжений в фотоупругом элементе при приложении рабочих нагрузок. Вращение поляризатора и четвертьволновой пластины при настройке пьезооптического преобразователя осуществляется с помощью винтов (поз.12) по принципу червячной передачи, причем роль червяка выполняет винт, а роль червячного колеса выполняет корпус поляризатора или четвертьволновой пластины, снабженный соответствующей резьбой (Фиг.3). Винты снабжены стопорным кольцом, фиксирующим винт в капсуле.The assembly of the piezoelectric transducer is as follows. In one of the halves of the capsule, the nodes of the piezoelectric transducer are placed in the appropriate seats: LED, polarizer, quarter-wave plate, photoelastic element, diaphragm, analyzers, photodiode, electronic signal processing unit. The connecting wires of the LED are laid in the corresponding grooves in the capsule. The signal wire is output through the outlet. Then the second half of the capsule is superimposed and both halves are tightened with screws (pos. 11). In order to ensure the tightness of the capsule, the gaps between the ends of the photoelastic element and the corresponding holes in the capsule (item 3) are lubricated with a sealant (for example, VGO-1 one-component sealant). In addition, the sealant provides additional fixation of the photoelastic element. The presence of a sealant does not affect the operation of the converter, since the sealant remains soft enough and is located in places that do not affect the stress distribution in the photoelastic element when applying work loads. The rotation of the polarizer and the quarter-wave plate when adjusting the piezoelectric transducer is carried out using screws (pos. 12) according to the principle of a worm gear, the screw acting as a worm, and the body of the worm wheel being the case of a polarizer or quarter-wave plate equipped with the corresponding thread (Figure 3). The screws are provided with a snap ring securing the screw in the capsule.
В качестве материала капсулы может быть использован пластик (например, полистирол или капролон), так как его легче обрабатывать по сравнению с металлом. Такая конструкция может быть изготовлена из ABS или PLA пластика с помощью 3D принтера.As the material of the capsule can be used plastic (for example, polystyrene or caprolon), since it is easier to handle compared to metal. This design can be made of ABS or PLA plastic using a 3D printer.
В качестве материала фотоупругого элемента может быть использован, например, плавленый кварц, обладающий высоким порогом разрушения на сжатие, что обеспечивает высокий динамический диапазон измерений деформаций и надежность преобразователя. Кроме того, технология обработки плавленого кварца хорошо развита, что удешевляет конструкцию тензометрического преобразователя.As the material of the photoelastic element can be used, for example, fused silica, which has a high fracture threshold for compression, which provides a high dynamic range of strain measurements and the reliability of the transducer. In addition, the processing technology of fused silica is well developed, which reduces the cost of the strain gauge design.
В качестве материала поляризатора и анализаторов могут быть использованы поляризационные пленки Polaroid. В качестве материала четвертьволновой пластины может быть использована пленка слюды заданной толщины, обеспечивающей сдвиг фазы на 90 градусов между двумя взаимно перпендикулярными поляризациями светового луча.Polaroid polarizing films can be used as the material of the polarizer and analyzers. As the material of the quarter-wave plate, a mica film of a given thickness can be used, providing a phase shift of 90 degrees between two mutually perpendicular polarizations of the light beam.
Блок обработки сигнала может иметь как аналоговый выход, так и цифровой выход.The signal processing unit can have both an analog output and a digital output.
На Фиг.4 изображен заявляемый тензометрический преобразователь, который включает в себя описанный пьезооптический преобразователь (поз.1) и нагрузочный элемент (поз.13) для крепления тензометрического преобразователя на контролируемом объекте. Нагрузочный элемент представляет собой полый цилиндр (поз.13) с четырьмя симметрично расположенными разрезами (поз.14), не нарушающими целостности цилиндра. Неразрезанная часть цилиндра содержит внешнюю резьбу (поз.15) для наворачивания крепежной гайки (поз.16). Цилиндр имеет четыре внешних выступа (поз.17) со сквозными резьбовыми отверстиями (поз.18), расположенными в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, и под углом 90 градусов относительно друг друга. Начальная нагрузка на фотоупругом элементе обеспечивается винтами (поз.19), вкручиваемыми в данные отверстия и зажимающими фотоупругий элемент с фиксированным усилием. Винты изготавливаются из материала нагрузочного элемента. Внешняя поверхность цилиндра содержит конус (от 1 до 5 градусов) (поз.20), причем средний диаметр конуса равен диаметру монтажного отверстия в контролируемом объекте (поз.21). Для обеспечения скольжения при наворачивании гайки используется шайба (поз.22).Figure 4 shows the inventive strain gauge transducer, which includes the described piezoelectric transducer (pos.1) and a load element (pos.13) for mounting the strain gauge transducer on the controlled object. The load element is a hollow cylinder (key 13) with four symmetrically located cuts (key 14) that do not violate the integrity of the cylinder. The uncut portion of the cylinder contains an external thread (key 15) for screwing the fastening nut (key 16). The cylinder has four external protrusions (key 17) with through threaded holes (key 18) located in a plane perpendicular to the axis of the cylinder and at an angle of 90 degrees relative to each other. The initial load on the photoelastic element is provided by screws (key 19), screwed into these holes and clamping the photoelastic element with a fixed force. Screws are made from the material of the load element. The outer surface of the cylinder contains a cone (from 1 to 5 degrees) (pos. 20), and the average diameter of the cone is equal to the diameter of the mounting hole in the controlled object (pos. 21). A washer (key 22) is used to ensure gliding when screwing the nut.
На Фиг.5 показан пример расположения крестообразного фотоупругого элемента в нагрузочном элементе (остальные элементы пьезооптического преобразователя отсутствуют).Figure 5 shows an example of the location of the cross-shaped photoelastic element in the load element (the remaining elements of the piezoelectric transducer are absent).
Обоснование введенных признаковJustification of the introduced features
Так как фотоупругий элемент в предлагаемой конструкции зажимается с помощью винтов, то нет необходимости изготавливать конус Морзе, что сопряжено с серьезными технологическими трудностями. Кроме того, степень сжатия фотоупругого элемента легко контролируется с помощью винтов и динамометрической отвертки, поэтому достаточно просто обеспечить одинаковую степень сжатия фотоупругого элемента в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Таким образом достигается эффект упрощения конструкции и методики монтажа фотоупругого элемента, снижения требований на точность изготовления деталей.Since the photoelastic element in the proposed design is clamped with screws, there is no need to produce a Morse cone, which is associated with serious technological difficulties. In addition, the compression ratio of the photoelastic element is easily controlled with screws and a torque screwdriver, so it is simple enough to provide the same compression ratio of the photoelastic element in two mutually perpendicular directions. Thus, the effect of simplifying the design and installation method of the photoelastic element, reducing the requirements on the accuracy of manufacturing parts, is achieved.
Конструкция тензометрического преобразователя является симметричной в плоскости измеряемых напряжений, поэтому при изменении температуры, как преобразователя, так и контролируемого объекта, фотоупругий элемент сжимается или разжимается изотропно, что не приводит к повороту вектора поляризации исходно поляризованного светового луча при прохождении через фотоупругий элемент. Благодаря этому достигается температурная независимость показаний тензометрического преобразователя.The design of the strain gauge transducer is symmetric in the plane of the measured voltages; therefore, when the temperature of both the transducer and the object being controlled changes, the photoelastic element is compressed or expanded isotropically, which does not lead to rotation of the polarization vector of the initially polarized light beam passing through the photoelastic element. Thanks to this, the temperature independence of the readings of the strain gauge transducer is achieved.
В предлагаемой конструкции пьезооптический преобразователь имеет собственный унифицированный корпус и может быть использован с нагрузочными элементами разных конструкций, при этом габаритный размер пьезооптического преобразователя в плоскости измеряемых напряжений не превышает размер ФЭ. Таким образом достигается эффект миниатюризации тензометрического преобразователя и повышения функциональной гибкости конструкции тензометрического преобразователя.In the proposed design, the piezoelectric transducer has its own unified housing and can be used with load elements of different designs, while the overall size of the piezoelectric transducer in the plane of the measured voltages does not exceed the size of the FE. Thus, the effect of miniaturization of the strain gauge and increasing the functional flexibility of the design of the strain gauge is achieved.
На Фиг.6 показано вспомогательное устройство (поз.23), применяемое при монтаже тензометрического преобразователя на контролируемом объекте.Figure 6 shows an auxiliary device (key 23) used when mounting a strain gauge transducer on a controlled object.
Способ монтажа тензометрического преобразователяMounting method of strain gauge transducer
Монтаж тензометрического преобразователя на контролируемом объекте производится следующим образом. В контролируемом объекте, например в конструкции, содержащей металлическую пластину, изготавливается отверстие диаметром, равным среднему диаметру конуса нагрузочного элемента. Преобразователь вставляется в приготовленное отверстие и закрепляется с противоположной стороны гайкой с фиксированным усилием. Для обеспечения скольжения при наворачивании гайки используется шайба (поз.22 на Фиг.4). Для обеспечения однородности контакта нагрузочного элемента с контролируемым объектом используется устройство, показанное на Фиг.6 (поз.23). Устройство представляет собой винт, содержащий конус, равный по величине конусу на нагрузочном элементе (поз.20), а также внешнюю резьбу, аналогичную резьбе на нагрузочном элементе (поз.15). Данное устройство вставляется в отверстие в контролируемом объекте, диаметр которого равен среднему диаметру конуса нагрузочного элемента, и зажимается гайкой (поз.16) с контролируемым усилием, обеспечивающим пластическую деформацию материала контролируемого объекта. В результате деформации стенок отверстия, во-первых, формируется конусное отверстие, совпадающее с конусом нагрузочного элемента, во-вторых, материал стенок отверстия уплотняется, что предотвращает его дальнейшую пластическую деформацию. В результате обеспечивается надежный однородный контакт между нагрузочным элементом и контролируемым объектом.Mounting strain gauge transducer on a controlled object is as follows. In a controlled object, for example, in a structure containing a metal plate, a hole is made with a diameter equal to the average diameter of the cone of the load element. The converter is inserted into the prepared hole and fixed on the opposite side with a nut with a fixed force. To ensure gliding when screwing the nut, a washer is used (key 22 in Figure 4). To ensure uniform contact of the load element with the controlled object, the device shown in Fig.6 (pos.23) is used. The device is a screw containing a cone equal in size to the cone on the load element (key 20), as well as an external thread similar to the thread on the load element (key 15). This device is inserted into the hole in the controlled object, the diameter of which is equal to the average diameter of the cone of the load element, and clamped with a nut (key 16) with a controlled force, which ensures plastic deformation of the material of the controlled object. As a result of the deformation of the walls of the hole, firstly, a conical hole is formed that coincides with the cone of the load element, and secondly, the material of the walls of the hole is sealed, which prevents its further plastic deformation. The result is a reliable uniform contact between the load element and the controlled object.
Материал винта должен иметь величину порога пластической деформации больше, чем материал контролируемого объекта, например закаленная сталь 65Г.The screw material must have a plastic deformation threshold greater than the material of the controlled object, for example, 65G hardened steel.
На Фиг.7 показано охранное кольцо (поз.24), используемое для предотвращения скалывания торцов фотоупругого элемента при затяжке его винтами. Внутренний диаметр кольца меньше внешнего диаметра фотоупругого элемента на заданную величину. При этом винты упираются не в ФЭ, а в металлическое кольцо, и усилие более равномерно распределяется по контактной площадке ФЭ. В качестве материала кольца может быть использован инвар 36Н, так как его температурный коэффициент расширения близок к коэффициенту температурного расширения кварца. В результате при изменении температуры ФЭ плотность контакта между ФЭ и кольцом будет оставаться неизменной.Figure 7 shows the guard ring (key 24) used to prevent chipping of the ends of the photoelastic element when tightening it with screws. The inner diameter of the ring is less than the outer diameter of the photoelastic element by a predetermined amount. In this case, the screws abut not in the FE, but in the metal ring, and the force is more evenly distributed over the FE contact area. Invar 36H can be used as the ring material, since its temperature coefficient of expansion is close to the coefficient of thermal expansion of quartz. As a result, when the temperature of the PV is changed, the contact density between the PV and the ring will remain unchanged.
Для получения еще более однородного контакта между винтом и ФЭ могут использоваться шарики заданного диаметра, которые вставляются между винтом и охранным кольцом (поз.25). При этом в охранном кольце в соответствующих местах изготавливаются лунки (поз.26), задающие центр приложения силы к охранному кольцу и к ФЭ.To obtain even more uniform contact between the screw and the FE, balls of a given diameter can be used, which are inserted between the screw and the guard ring (key 25). At the same time, holes (pos. 26) are made in the guard ring at the appropriate places, which specify the center of application of force to the guard ring and to the FE.
На Фиг.8 показан способ монтажа охранного кольца. Охранное кольцо зажимается в двух взаимно перпендикулярных направлениях, составляющих 45 градусов с осями монтируемого ФЭ, как показано стрелками Р. В результате охранное кольцо сжимается вдоль осей затяжки, при этом в направлении осей ФЭ охранное кольцо увеличивает свой диаметр (стрелки К). Затем внутрь кольца устанавливается ФЭ и затяжка отпускается. В результате охранное кольцо равномерно обжимает ФЭ, так как его внутренний диаметр меньше внешнего диаметра ФЭ на заданную величину. Для обеспечения надежного контакта торцы ФЭ, перед установкой в охранное кольцо, могут быть промазаны силикатным клеем с последующим термическим отжигом. В результате обеспечивается однородный контакт между ФЭ и охранным кольцом и равномерное распределение усилий по площади выступа ФЭ при затяжке его винтами.On Fig shows a method of mounting a guard ring. The guard ring is clamped in two mutually perpendicular directions, comprising 45 degrees with the axes of the mounted PE, as shown by arrows P. As a result, the guard ring is compressed along the tightening axes, while the guard ring increases its diameter in the direction of the FE axes (arrows K). Then, a PE is installed inside the ring and the puff is released. As a result, the guard ring uniformly compresses the FE, since its inner diameter is less than the specified diameter of the FE. To ensure reliable contact, the ends of the PVs, before being installed in the guard ring, can be coated with silicate glue followed by thermal annealing. The result is a uniform contact between the FE and the guard ring and a uniform distribution of forces over the area of the PE protrusion when tightening it with screws.
На Фиг.9 показана схема еще одного нагрузочного элемента. Нагрузочный элемент (поз.13) представляет собой полый цилиндр с четырьмя продольными разрезами, не нарушающими целостности цилиндра. В стенках цилиндра на уровне крепления фотоупругого элемента выполнены четыре сквозных резьбовых отверстия (поз.18), лежащие в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, и расположенные под углом 90 градусов относительно друг друга. Пьезооптический преобразователь в капсуле (поз.1) расположен внутри цилиндра так, что его оптическая ось совпадает с осью цилиндра. Фотоупругий элемент, расположенный в капсуле, зажимается винтами (поз.19), вкручиваемыми в отверстия (поз.18) с контролируемым усилием.Figure 9 shows a diagram of another load element. The load element (pos. 13) is a hollow cylinder with four longitudinal sections that do not violate the integrity of the cylinder. Four through threaded holes (pos. 18) are made in the cylinder walls at the level of attachment of the photoelastic element, lying in a plane perpendicular to the axis of the cylinder and located at an angle of 90 degrees relative to each other. The piezoelectric transducer in the capsule (item 1) is located inside the cylinder so that its optical axis coincides with the axis of the cylinder. The photoelastic element located in the capsule is clamped by screws (key 19), screwed into the holes (key 18) with a controlled force.
Нагрузочный элемент снабжен наружными выступами (поз.27) с монтажными отверстиями для крепления к контролируемому объекту. Для повышения надежности крепления нагрузочного элемента на наружных выступах могут быть выполнены зубья, лежащие в одной плоскости (поз.28).The load element is equipped with external protrusions (key 27) with mounting holes for mounting to the controlled object. To increase the reliability of fastening the load element to the outer protrusions, teeth lying in the same plane can be made (key 28).
Нагрузочный элемент с пьезооптическим преобразователем закрепляется на контролируемом объекте таким образом, чтобы ось пьезооптического преобразователя была перпендикулярна плоскости измеряемых деформаций. Деформация контролируемого объекта передается стенкам цилиндра и через них фотоупругому элементу пьезооптического преобразователя.The load element with a piezoelectric transducer is mounted on the controlled object so that the axis of the piezoelectric transducer is perpendicular to the plane of the measured strains. The deformation of the controlled object is transmitted to the walls of the cylinder and through them to the photoelastic element of the piezoelectric transducer.
Описание работы устройстваDevice Description
Тензометрический преобразователь работает следующим образом. Тензометрический преобразователь закрепляют на контролируемом объекте с помощью нагрузочного элемента и гайки (поз.13, 16 на Фиг.4). Деформация растяжения или сжатия, возникающая в контролируемом объекте в направлении Х или Y (Фиг.1), передается на фотоупругий элемент через стенки нагрузочного элемента и винты, что приводит к дополнительному сжатию (+Δ) или растяжению (-Δ) фотоупругого элемента. В результате в пьезооптическом преобразователе возникает дополнительная разность фаз±Δ между взаимно перпендикулярными компонентами поляризации луча, прошедшего сквозь фотоупругий элемент, что приводит к изменению электрического сигнала на выходе фотоприемника пьезооптического преобразователя, который регистрируется и обрабатывается блоком обработки сигнала.Strain gauge works as follows. The strain gauge transducer is fixed on the controlled object using a load element and a nut (pos.13, 16 in Fig.4). The tensile or compression strain that occurs in the controlled object in the X or Y direction (Figure 1) is transmitted to the photoelastic element through the walls of the load element and screws, which leads to additional compression (+ Δ) or stretching (-Δ) of the photoelastic element. As a result, an additional phase difference ± Δ arises in the piezoelectric transducer between mutually perpendicular components of the polarization of the beam passing through the photoelastic element, which leads to a change in the electrical signal at the output of the photodetector of the piezoelectric transducer, which is recorded and processed by the signal processing unit.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014103763/28A RU2564691C2 (en) | 2014-02-04 | 2014-02-04 | Strain transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014103763/28A RU2564691C2 (en) | 2014-02-04 | 2014-02-04 | Strain transducer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014103763A RU2014103763A (en) | 2015-08-10 |
| RU2564691C2 true RU2564691C2 (en) | 2015-10-10 |
Family
ID=53795776
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014103763/28A RU2564691C2 (en) | 2014-02-04 | 2014-02-04 | Strain transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2564691C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021104331A1 (en) * | 2019-11-29 | 2021-06-03 | 深圳市汇创达科技股份有限公司 | Method for providing pointing device |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2618862C2 (en) * | 2015-10-12 | 2017-05-11 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Method for lifting device motion parameters controlling |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4002934A (en) * | 1975-05-29 | 1977-01-11 | Isaak Isaevich Slezinger | Sensitive element of piezooptic measuring converter |
| SU847085A1 (en) * | 1978-06-01 | 1981-07-15 | Институт Физики Полупроводников Со Ан Ссср | Strain gauge photoconverter |
| SU1536196A1 (en) * | 1988-05-13 | 1990-01-15 | Научно-исследовательский институт механики при МГУ им.М.В.Ломоносова | Piezooptical meter of object deformations |
| RU2454642C1 (en) * | 2011-03-29 | 2012-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Strain gauge (versions) |
-
2014
- 2014-02-04 RU RU2014103763/28A patent/RU2564691C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4002934A (en) * | 1975-05-29 | 1977-01-11 | Isaak Isaevich Slezinger | Sensitive element of piezooptic measuring converter |
| SU847085A1 (en) * | 1978-06-01 | 1981-07-15 | Институт Физики Полупроводников Со Ан Ссср | Strain gauge photoconverter |
| SU1536196A1 (en) * | 1988-05-13 | 1990-01-15 | Научно-исследовательский институт механики при МГУ им.М.В.Ломоносова | Piezooptical meter of object deformations |
| RU2454642C1 (en) * | 2011-03-29 | 2012-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Strain gauge (versions) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021104331A1 (en) * | 2019-11-29 | 2021-06-03 | 深圳市汇创达科技股份有限公司 | Method for providing pointing device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014103763A (en) | 2015-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EA004197B1 (en) | Tensile testing sensor for measuring mechanical jamming deformations on first installation and automatic calibrating based on said jamming | |
| RU2564691C2 (en) | Strain transducer | |
| US3402609A (en) | Semiconductor mechanical-to-electrical transducer | |
| RU2422786C1 (en) | Strain-gage transducer | |
| JPH02501947A (en) | light sensor | |
| CN100473964C (en) | Beam ring force sensor | |
| GB2179143A (en) | Optical pressure sensor | |
| US3210993A (en) | Electromechanical transducer utilizing poisson ratio effects | |
| US3938379A (en) | Electromechanical transducer | |
| RU2454642C1 (en) | Strain gauge (versions) | |
| EP3465123A1 (en) | Sensor for measuring a tightening force applied on a screw-assembly member | |
| GB2050624A (en) | Strain transducers | |
| RU115474U1 (en) | MECHANICAL STRESS MEASUREMENT DEVICE | |
| RU2530467C1 (en) | Strain-gauge sensor | |
| RU2530466C1 (en) | Strain-gauge converter | |
| KR200462614Y1 (en) | An electric resisting type sensor of fixing structure built in a box | |
| RU2014579C1 (en) | Force sensor | |
| US9697866B2 (en) | Device and method for measuring pitch and roll torques | |
| KR200462615Y1 (en) | An electric resisting type sensor of fixing structure for a steel pipe | |
| CN216899368U (en) | Force measuring module and force measuring equipment | |
| SU1383120A1 (en) | Pressure transducer | |
| RU154472U1 (en) | MEASURING FUNCTIONAL DEFORMATION MODULE | |
| RU113828U1 (en) | MECHANICAL STRESS MEASUREMENT DEVICE | |
| JPH0326774B2 (en) | ||
| RU2175117C1 (en) | Sensor for measurement of longitudinal force |