датчик для измерения механического напряжения/продольной деформации и способ измерения механического напряжения/деформации

Формула изобретения

1. Датчик для измерения механического напряжения/продольной деформации, предназначенный для непрерывного контроля за величинами механического напряжения/продольной деформации, прежде всего завинченных болтов, отличающийся тем, что он имеет первую индуктивность (3) и, по меньшей мере, еще один, выполненный из пьезоэлектрического или магнитострикционного материала дополнительный элемент (2), имеющий, по меньшей мере, один первый зависящий от сжимающей нагрузки импеданс (5) или второй импеданс (5') и вторую индуктивность (3'), при этом второй импеданс (5') и/или вторая индуктивность (3') являются зависящими от сжимающей нагрузки, вследствие чего при изменении действующей на дополнительный элемент (2) сжимающей нагрузки изменяется резонансная частота электромагнитного колебательного контура (3, 5; 3', 5'), образованного импедансом (5, 5') и индуктивностью (3; 3').

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительный элемент (2) имеет, по меньшей мере, один первый зависящий от сжимающей нагрузки импеданс (5), образующий совместно с первой индуктивностью (3) электромагнитный колебательный контур (3, 5).

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что дополнительный элемент (2) полностью или частично выполнен из диэлектрического материала.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительный элемент (2) имеет, по меньшей мере, один второй зависящий от сжимающей нагрузки импеданс (5') и вторую индуктивность (3'), которые включены по параллельной схеме и образуют электромагнитный колебательный контур (3', 5'), резонансная частота которого тем самым смещается при изменении приложенной к дополнительному элементу (2) сжимающей нагрузки.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в основном в виде пленки, на которой расположены первая индуктивность (3) и контактные площадки (4, 7) для контактирования с дополнительным элементом (2).

6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что он, будучи выполнен в виде пленки, по меньшей мере, частично охватывает дополнительный элемент (2) в зоне контактных площадок (4, 7).

7. Датчик по п.5 или 6, отличающийся тем, что его участок, на котором расположена первая индуктивность (3), выступает за пределы дополнительного элемента (2).

8. Датчик по п.7, отличающийся тем, что первая индуктивность (3) служит в качестве элемента связи и для ввода, и для вывода энергии.

9. Датчик по п.1, отличающийся тем, что предусмотрена возможность бесконтактного подключения к нему через индуктивность (3) контрольного прибора (14) для съема сигналов, пропорциональных измеренным величинам механического напряжения/продольной деформации.

10. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительный элемент (2) встроен в шайбу (10).

11. Датчик по п.10, отличающийся тем, что для проведения измерений по методу сравнения для компенсации влияния температуры и старения на результаты измерений в шайбу (10) встроен второй элемент.

12. Датчик по п.10 или 11, отличающийся тем, что шайба (10) размещается между крепежным средством (11) и соединенной с ним конструкцией (12).

13. Способ измерения механического напряжения/продольной деформации, прежде всего завинченных болтов, отличающийся тем, что между крепежным средством (11) и соединенной с ним конструкцией (12) располагают, по меньшей мере, один выполненный из пьезоэлектрического или магнитострикционного материала элемент (2) датчика (1) с первой индуктивностью (3), имеющий, по меньшей мере, один первый зависящий от сжимающей нагрузки импеданс (5) или второй импеданс (5') и вторую индуктивность (3'), при этом второй импеданс (5') и/или вторая индуктивность (3') являются зависящими от сжимающей нагрузки, таким образом, что при изменении действующей на элемент (2) сжимающей нагрузки изменяется резонансная частота электромагнитного колебательного контура (3, 5; 3', 5'), образованного импедансом (5, 5') и индуктивностью (3; 3').

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что элемент (2) при приложении к нему сжимающей нагрузки сжимается, а при уменьшении действующей на него сжимающей нагрузки разжимается.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что электромагнитный колебательный контур (3, 5; 3', 5') возбуждают через первую индуктивность (3).

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что резонансную частоту электромагнитного колебательного контура (3, 5; 3', 5') измеряют за счет бесконтактного подключения к первой индуктивности (3).

17. Способ по п.13, отличающийся тем, что с использованием второго элемента проводят измерения по методу сравнения, определяя смещения резонансной частоты.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к датчику для измерения механического напряжения/продольной деформации, предназначенному для непрерывного контроля за величинами механического напряжения/продольной деформации, прежде всего завинченных болтов, а также к соответствующему способу. Изобретение может найти применение, помимо прочего, при проведении работ по техническому обслуживанию и текущему ремонту в целях контроля величин механического напряжения/продольной деформации, что позволяет, например, простым путем контролировать и регулировать моменты затяжки завинченных болтов.

Для применения в этих целях из уровня техники известны так называемые динамометрические гаечные ключи, которые работают, например, в паре с ультразвуковыми датчиками.

Наряду с этим известны также тензодатчики, в которых применяются пьезоэлектрические материалы. В этом случае используется известный пьезоэлектрический эффект, когда при приложении усилия к пьезоэлектрическому материалу вследствие электрического смещения появляются поверхностные заряды. Подобный датчик описан, например, в WO 99/26046.

Однако при применении пьезоэлектрических материалов приходится сталкиваться с серьезной проблемой, заключающейся в том, что происходящее в результате механической деформации пьезоэлектрического материала разделение электрических зарядов длится лишь кратковременно, что исключает возможность непрерывных измерений. Помимо этого для преобразования возникших в результате пьезоэлектрического эффекта электрических зарядов в пропорциональное им электрическое напряжение обычно требуется их электрометрическое усиление, как это описано в WO 99/26046.

Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача разработать простой в применении датчик для измерения механического напряжения/продольной деформации, а также соответствующий не сложный в осуществлении способ, которые позволяли ли бы осуществлять постоянный контроль за величинами механического напряжения/продольной деформации.

Указанная задача решается с помощью датчика для измерения механического напряжения/продольной деформации, который отличается тем, что он имеет первую индуктивность и, по меньшей мере, еще один, дополнительный элемент, имеющий, по меньшей мере, один первый зависящий от сжимающей нагрузки импеданс или второй импеданс и вторую индуктивность, при этом второй импеданс и/или вторая индуктивность являются зависящими от сжимающей нагрузки, вследствие чего при изменении действующей на элемент сжимающей нагрузки изменяется резонансная частота электромагнитного колебательного контура, образованного импедансом и индуктивностью.

Важная особенность состоит при этом в том, что благодаря применению электромагнитных компонентов с изменяющимися в зависимости от сжимающей нагрузки свойствами или характеристиками, а также благодаря их включению по схеме, образующей электромагнитный колебательный контур, его резонансная частота используется для определения величин механического напряжения/продольной деформации. В принципе для этого можно использовать взаимно дополняющие компоненты (импеданс, индуктивность и т.д.) с соответствующими изменяющимися в зависимости от сжимающей нагрузки свойствами. В случае зависящего от сжимающей нагрузки импеданса таким дополняющим его компонентом является, например, индуктивность и наоборот.

В отличие от прямого измерения электрического напряжения при происходящем лишь кратковременно разделении электрических зарядов, как это имеет место согласно уровню техники, настоящее изобретение обеспечивает возможность непрерывного измерения на основе измерения варьирующихся резонансных частот. Применение простых электрических компонентов с зависящими от сжимающей нагрузки свойствами позволяет создать особо простой и эффективный метод измерений и предоставляет гибкие возможности по конкретной реализации изобретения. В соответствии с этим одно из основных преимуществ изобретения состоит в простоте конструкции предлагаемого в нем устройства и удобстве и легкости в пользовании им, что помимо прочего обусловлено отсутствием необходимости предусматривать для его работы отдельный источник электропитания. Помимо этого, в предлагаемом в изобретении устройстве (датчике) используются только пассивные компоненты.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения предлагаемый в нем датчик имеет первую индуктивность и дополнительный элемент, имеющий, по меньшей мере, один первый зависящий от сжимающей нагрузки импеданс. Этот первый зависящий от сжимающей нагрузки импеданс образует совместно с первой индуктивностью электромагнитный колебательный контур, резонансная частота которого изменяется при приложении к дополнительному элементу сжимающей нагрузки. Очевидно, что такой дополнительный элемент может иметь и другие электромагнитные компоненты (резисторы, индуктивности и т.д.), что, однако, никак не влияет на лежащий в основе изобретения принцип.

Дополнительный элемент предлагаемого в изобретении датчика в первом варианте его выполнения целесообразно полностью или частично выполнять из диэлектрического материала, магнитная проницаемость которого изменяется при приложении к дополнительному элементу сжимающей нагрузки. Преимущество, связанное с применением подобного материала, состоит благодаря его малой массе и небольшим размерам в возможности его простой интеграции в существующие устройства.

В предпочтительном варианте дополнительный элемент предлагаемого в изобретении датчика имеет по меньшей мере один второй зависящий от сжимающей нагрузки импеданс и вторую индуктивность, которые включены по параллельной схеме и образуют электромагнитный колебательный контур, резонансная частота которого тем самым смещается при изменении приложенной к дополнительному элементу сжимающей нагрузки.

В этом случае дополнительный элемент целесообразно выполнять из пьезоэлектрического или магнитострикционного материала. Наряду с этим материалом можно использовать и любые иные материалы, обеспечивающие зависящую от нагрузки, соответственно сжатия, электромеханическую связь. Такие (конструкционные) материалы благодаря их малой массе и небольшим размерам допускают возможность их простой интеграции в существующие устройства.

В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемый в нем датчик выполнен в основном в виде пленки, на которой расположены первая индуктивность и контактные площадки для контактирования с дополнительным элементом. Преимущество, связанное с подобным выполнением предлагаемого в изобретении датчика в виде пленки, в свою очередь состоит в том, что он обладает малой массой и имеет небольшие размеры.

При этом особенно предпочтительно, чтобы выполненный в виде пленки датчик, по меньшей мере, частично охватывал дополнительный элемент в зоне контактных площадок. Изгибая или перегибая выполненный в виде пленки датчик, ему можно простым путем придавать любую необходимую форму для контактирования с дополнительным элементом.

В следующем предпочтительном варианте тот участок выполненного в виде пленки датчика, на котором расположена первая индуктивность, выступает за пределы дополнительного элемента, что упрощает подключение измерительных или контрольных приборов.

В наиболее предпочтительном варианте первая индуктивность служит в качестве элемента связи и для ввода, и для вывода энергии и в соответствии с этим используется, с одной стороны, для возбуждения соответствующего электромагнитного колебательного контура, а с другой стороны, для измерения его резонансной частоты. Тем самым первая индуктивность обеспечивает возможность бесконтактной связи с датчиком при возбуждении электромагнитного колебательного контура и при съеме сигналов, пропорциональных измеренным величинам механического напряжения/продольной деформации. К предлагаемому в изобретении датчику, таким образом, не требуется подводить извне никакие провода.

Для съема сигналов, пропорциональных измеренным величинам механического напряжения/продольной деформации, целесообразно использовать трансивер в качестве контрольного прибора, подключаемого к датчику через первую индуктивность.

Согласно еще одному наиболее предпочтительному варианту дополнительный элемент предлагается встраивать в шайбу, располагаемую между крепежным средством и соединенной с ним конструкцией. В этом варианте также предпочтительно, чтобы дополнительный элемент контактировал, например, с выполненным в виде пленки участком датчика и чтобы тот участок выполненного в виде пленки датчика, на котором расположена первая индуктивность, выступал за пределы шайбы, что упрощает подключение к датчику контрольного прибора.

В другом варианте в шайбу целесообразно встроить второй элемент в качестве элемента сравнения или эталонного элемента. Связанное с применением такого второго элемента преимущество состоит в возможности компенсировать влияние температуры или старения на результаты измерений механического напряжения/продольной деформации, поскольку в этом случае регистрируются только изменения резонансной частоты.

Указанная выше задача решается также с помощью способа измерения механического напряжения/продольной деформации, который согласно изобретению отличается тем, что между крепежным средством и соединенной с ним конструкцией располагают по меньшей мере один элемент датчика с первой индуктивностью, имеющий по меньшей мере один первый зависящий от сжимающей нагрузки импеданс или второй импеданс и вторую индуктивность, при этом второй импеданс и/или вторая индуктивность являются зависящими от сжимающей нагрузки таким образом, что при изменении действующей на элемент сжимающей нагрузки изменяется резонансная частота электромагнитного колебательного контура, образованного импедансом и индуктивностью.

При этом целесообразно, чтобы дополнительный элемент при приложении к нему сжимающей нагрузки сжимался, а при уменьшении действующей на него сжимающей нагрузки разжимался и чтобы соответствующий электромагнитный колебательный контур возбуждался через первую индуктивность.

Предпочтительно далее измерять резонансную частоту электромагнитного колебательного контура за счет бесконтактного подключения к первой индуктивности.

В другом предпочтительном варианте для компенсации влияния температуры или старения на результаты измерений предлагается с использованием второго элемента проводить измерения по методу сравнения, поскольку в этом случае определяют только изменение величин механического напряжения/продольной деформации, соответственно резонансной частоты.

Изобретение может найти применение, например, для регулировки моментов затяжки завинчиваемых болтов и в соответствии с этим позволяет заменить известные динамометрические гаечные ключи. Изобретение может использоваться, например, при проведении работ по техническому обслуживанию самолетов, вертолетов или иных транспортных средств.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение предлагаемого в изобретении датчика для определения величины механического напряжения/удлинения завинченного болта,

на фиг.2 - вид сверху выполненного в виде пленки датчика,

на фиг.3 - вид сбоку выполненного в виде пленки датчика,

на фиг.4, 4а-4в - эквивалентная электрическая схема датчика в различных вариантах его выполнения,

на фиг.5 - резонансные кривые при различных значениях сжимающей нагрузки и

на фиг.6 - график зависимости резонансной частоты от величины сжимающей нагрузки.

На фиг.1 схематично показан предлагаемый в изобретении датчик для определения величины механического напряжения/продольной деформации завинченного болта. Показанный на фиг.1 датчик обозначен позицией 1 и встроен в шайбу 10. Шайба 10 вместе со встроенным в нее датчиком 1, ниже называемая также модифицированной шайбой, расположена между болтом 11 и соединяемыми им элементами конструкции 12. С датчиком 1 за счет бесконтактной связи с ним взаимодействует контрольный прибор 13 (например, трансивер), о чем более подробно сказано ниже. Принятые трансивером данные передаются далее по линии 14 их передачи в блок обработки (не показан).

Датчик 1 содержит диэлектрический, пьезоэлектрический или магнитострикционный элемент 2, который на фиг.1 показан лишь схематично. В принципе этот элемент может изготавливаться из материалов с зависящей от нагрузки, соответственно сжатия, электромеханической связью. В показанном на фиг.1 варианте элемент 2 встроен в шайбу 10 таким образом, что его поверхность располагается в основном перпендикулярно направлению F приложения сжимающей нагрузки. Элемент 2 контактирует через выполненный в виде пленки участок датчика 1, как это показано на фиг.2 и 3.

На фиг.2 выполненный в виде пленки датчик 1 показан в виде сверху, на котором элемент 2 не виден. На подложку выполненного в виде пленки датчика меандрообразно нанесена первая индуктивность 3, которая соединена с соответствующими контактными площадками 4, 7. Контактные площадки 4, 7 служат для контактирования с элементом 2. С этой целью выполненный в виде пленки датчик для контактирования индуктивности с элементом 2 согнут по показанным на фиг.2 прерывистыми линиями линиям сгиба или перегиба и в соответствии с этим имеет показанную на фиг.3 форму. При этом тот участок выполненного в виде пленки датчика 1, на котором расположена первая индуктивность 3, выступает за пределы элемента 2 и служит для подсоединения к датчику измерительных приборов (см. фиг.1). Датчик показанной на фиг.3 конструкции встроен, о чем уже говорилось выше, в шайбу 10. Очевидно, что датчик может быть встроен и в другие распорные или промежуточные детали.

На фиг.4 показана эквивалентная электрическая схема датчика 1 в различных вариантах его выполнения. Электрический элемент и первая индуктивность обозначены при этом теми же позициями, что и на предыдущих чертежах. На фиг.4 показан также обозначенный позицией 6 резистор, в виде которого условно изображено сопротивление токопроводящих дорожек и межсоединений. Очевидно, что в эквивалентной схеме можно учесть и другие электрические компоненты, которые, однако, не влияют на лежащий в основе изобретения принцип.

Электрический элемент 2 может иметь различное исполнение. В первом варианте (фиг.4а) элемент 2 имеет конденсатор (емкость) с зависящим от сжимающей нагрузки импедансом, обозначенным ниже позицией 5. В качестве обладающего такими свойствами элемента может использоваться, например, диэлектрический элемент с изменяющейся при приложении сжимающей нагрузки магнитной проницаемостью. Зависящий от сжимающей нагрузки импеданс вместе с первой индуктивностью 3 образуют электромагнитный индуктивно-емкостной колебательный контур с изменяющейся при приложении сжимающей нагрузки резонансной частотой.

Во втором варианте (фиг.4б) сам элемент 2 имеет, по меньшей мере, один импеданс и включенную параллельно ему индуктивность, которые на фиг.4б аналогичным образом обозначены позициями 5' и 3' соответственно. На практике для получения такой цепи можно использовать, например, пьезоэлектрические и/или магнитострикционные элементы 2. В этом варианте электромагнитный колебательный контур, резонансная частота которого изменяется при приложении сжимающей нагрузки, образован импедансом 5' и индуктивностью 3'. При этом импеданс 5' и/или индуктивность 3' могут быть зависящими от сжимающей нагрузки. Очевидно, что в этом варианте могут учитываться другие включенные параллельно или последовательно компоненты, которые не влияют на принцип работы датчика.

В наиболее предпочтительном варианте (фиг.4в) элемент 2 выполнен из пьезоэлектрического материала. Пьезоэлектрический элемент обладает, как известно, благодаря собственной материальности механическим резонансом и собственной емкостью и поэтому его можно представить в виде показанной на фиг.4в эквивалентной схемы. В соответствии с этим в данном варианте аналогично второму варианту, показанному на фиг.4б, также обозначенные соответственно позициями 5' и 3' импеданс и индуктивность образуют электромагнитный индуктивно-емкостной колебательный контур, в связи с чем с учетом зависимости импеданса 5' от сжимающей нагрузки резонансная частота колебательного контура при приложении к пьезоэлектрическому элементу 2 сжимающей нагрузки смещается. Пьезоэлектрический элемент 2 при приложении к нему сжимающей нагрузки сжимается, что сопровождается соответствующим смещением заряда (пьезоэлектрический эффект) и тем самым при обусловленной материалом зависимости диэлектрической проницаемости от сжимающей нагрузки приводит к смещению резонансной частоты.

В описанных выше вариантах элемент 2 при приложении к нему сжимающей нагрузки сжимается, а при уменьшении сжимающей нагрузки соответственно разжимается. Подобный эффект приводит, как указывалось выше, к измеримому смещению резонансной частоты, что позволяет простым путем непрерывно контролировать степень затяжки болта ("болт затянут" или "болт ослаб").

Таким образом, приложение к элементу 2 сжимающей нагрузки приводит, например, к смещению резонансной частоты в сторону больших значений, как это в качестве примера показано на фиг.5, соответственно фиг.6. При снижении или снятии действующей на элемент 2 сжимающей нагрузки резонансная частота соответственно вновь смещается в сторону меньших значений. Очевидно, что можно также использовать конфигурацию, в которой будет иметь место обратный эффект.

Необходимо далее отметить, что конкретный электромагнитный колебательный контур возбуждается через первую индуктивность 3, которая тем самым служит элементом связи для ввода энергии. Связь с индуктивностью для ввода через нее энергии может осуществляться бесконтактным путем (например, емкостным путем). Однако первая индуктивность 3 одновременно служит и антенной, соответственно элементом связи для вывода энергии при измерении резонансной частоты. Для измерения резонансной частоты также предпочтительно использовать бесконтактную связь с индуктивностью для вывода через нее энергии.

Согласно еще одному варианту (не показан) в шайбе 10 предусмотрен второй элемент (например, из диэлектрического, пьезоэлектрического или магнитострикционного материала), используемый для измерения по методу сравнения. Для этого один механически нагруженный и один механически ненагруженный элементы 2 включают по мостовой схеме, получая измерительный мост, с помощью которого можно определять относительное смещение резонансной частоты. Подобная схема, соответственно подобное измерение по методу сравнения, позволяет, например, компенсировать влияние температуры, старения или иных факторов на результаты измерения.

В заключение следует отметить, что в принципе существует целый ряд разнообразных возможных вариантов расположения электромагнитных компонентов с образованием соответствующих электромагнитных колебательных контуров, которые позволяют измерять механическое напряжение/продольную деформацию в соответствии с описанным выше принципом. Рассмотренные выше варианты осуществления настоящего изобретения носят исключительно иллюстративный характер и не ограничивают его объем.