Патент на изобретение №2293295

(54) ДАТЧИК КОНТАКТНОГО ДАВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий сжатия между двумя поверхностями, например, при измерениях силы прижатия тормозных колодок к суппорту в процессе торможения автомобиля. Датчик содержит упругий элемент с плоскими параллельными поверхностями и расположенную на одной его плоскости измерительную мостовую схему тензорезисторов. Плоская нагрузочная поверхность упругого элемента, жестко соединенного с опорами, имеет форму выступа его верхней части, симметрично расположенную между опорами. Ее длина короче расстояния между ними на величину меньше минимальной толщины зоны параллельных поверхностей этого элемента. На нижней плоской поверхности в одной тепловой зоне размещаются тензорезисторы прямоугольной формы, продольные оси которых параллельны продольной оси упругого элемента. Тензорезисторы расположены возле опор, в зонах действия деформации сжатия при приложении силы, и в средней части поверхности, на равном расстоянии от опор – в местах действия деформации растяжения. Сверху они закрыты равномерным по толщине слоем гидроизоляции. Технический результат заключается в возможности создания датчика, имеющего минимальную высоту, для измерения больших усилий сжатия при высоких изменяющихся температурах, с минимальной температурной погрешностью. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для замеров усилий сжатия между двумя поверхностями. Наиболее эффективно его применение там, где необходимы малые габариты датчика, особенно по высоте, а также в среде быстро изменяющихся высоких температур, например, при измерениях силы прижатия тормозных колодок к суппорту в процессе определения моментов торможения автомобиля.

Среди тензометрических датчиков силы, конструкция которых позволяет их изготовление с малыми габаритами, особенно с малой высотой, известен преобразователь усилий или давлений в электрический сигнал, содержащий упругий элемент с цилиндрической рабочей поверхностью, витки проволочного тензорезистора, навитые с предварительным натягом, припаянные к токопроводящим шинам (аналог – а.с. СССР №369378, G 01 L 1/22).

Недостатком известного преобразователя является расположение витков проволочного тензорезистора на периферийной цилиндрической поверхности упругого элемента. При смещении нагрузки от центра цилиндрической поверхности чувствительность датчика (т.е. отношение выходного электрического сигнала к напряжению питания датчика при одинаковой нагрузке) уменьшается в связи с уменьшением деформации периферийных поверхностей цилиндра, расположенных в зонах, прилегающих к линии диаметра, перпендикулярной линии, проходящей через центр цилиндра и точку приложения силы.

При воздействии на упругий элемент датчика контактирующей поверхности с неравномерно распределенной быстро меняющейся повышенной и высокой температурой появляется разница температур в различных зонах периферийной поверхности цилиндра. С увеличением разницы прогрева расположенных диаметрально противоположно проволочных полувитков тензорезистора будет увеличиваться температурная погрешность датчика.

Из малогабаритных тензометрических датчиков, конструкция которых позволяет уменьшить до минимума температурную погрешность измерений при изменении температур, известен датчик контактного давления и способ его изготовления, содержащий корпус с соединенной по всему периметру круглой мембраной, в центре которой со стороны приложения нагрузок выполнена впадина криволинейной формы, и противоположную плоскую сторону с мостовой схемой тензорезисторов (прототип – патент РФ №2144177, G 01 L 1/22).

Недостатком известного датчика контактного давления является его ограниченный диапазон применения из-за необходимости совмещения центра криволинейной впадины на датчике с центром выпуклой нагрузочной поверхности или с центром плоского переходника, так как мостовая измерительная схема имеет форму мембранного тензорезистора, предназначенного для применения при равномерных деформациях зон упругого элемента, прилегающих к опорной поверхности, и при незначительном смещении центра нагрузки от центра мембраны, составляющем десятые доли процента от величины диаметра мембраны, значительно, более чем в два раза, по сравнению с относительной величиной смещения, изменяется чувствительность датчика к нагрузке. Существенная разница чувствительности датчика при его калибровке и в процессе проведения замеров усилий является основной составляющей погрешности измерений.

Задача, решаемая изобретением, – получить выдерживающий сравнительно большие нагрузки малогабаритный датчик, имеющий минимальную высоту, который позволит измерять силу сжатия между двумя поверхностями при высоких изменяющихся температурах с минимальной температурной погрешностью.

Для решения указанной задачи в датчике контактного давления, содержащем упругий элемент с плоскими параллельными поверхностями и расположенную на одной его плоскости измерительную мостовую схему тензорезистров, согласно изобретению плоская нагрузочная поверхность упругого элемента, жестко соединенного с опорами, имеет форму выступа его верхней части, симметрично расположенную между опорами, короче расстояния между ними на величину меньше минимальной толщины зоны параллельных поверхностей этого элемента с размещающимися на нижней плоской поверхности в одной тепловой зоне миниатюрными, закрытыми равномерным по толщине слоем гидроизоляции, тензорезисторами прямоугольной формы, продольные оси которых параллельны продольной оси упругого элемента, расположенными возле опор, в зонах действия деформации сжатия при приложении силы, и в средней части поверхности, на равном расстоянии от опор – в местах действия деформации растяжения.

Датчик жестко соединен с держателем кабеля соединительных проводов.

Опоры датчика снабжены ограничителем продольных деформаций.

Фиг.1 – датчик силы;

Фиг.2 – вид снизу на фиг.1;

Фиг.3 – вид сверху на фиг.1;

Фиг.4 – сечение А-А – фиг.1;

Фиг.5 – мостовая измерительная схема соединения тензорезисторов;

Фиг.6 – ограничитель продольных деформаций;

Фиг.7 – паз для датчика в пластине;

Фиг.8 – схемы приложения нагрузки на датчик.

Датчик контактного давления содержит упругий элемент 1 с нагрузочной плоской поверхностью 2 и параллельной ей поверхностью 3 с расположенными на ей миниатюрными малобазными, например с базой 1 мм, прямоугольными тензорезисторами 4 (Т1, Т2, Т3, Т4), соединенными в мостовую измерительную схему и закрытыми равномерным по толщине слоем гидроизоляции 5, двух опор 6, жестко соединенных с упругим элементом 1, жестко соединенного с датчиком держателя 7 кабеля соединительных проводов, с монтажной канавкой 8 и бандажным кольцом 9, кабеля соединительных проводов 10.

Датчик при измерении усилий на плоскости, длина и ширина которой больше габаритов его основания, можно размещать в ограничителе продольных деформаций 11 с плоскими поверхностями 12 и 13, контактирующими с опорами датчика при превышении номинальной нагрузки.

При размещении датчика на торце сравнительно тонкой пластины 14, например, на металлической пластине, толщиной 5 мм, тормозной колодки системы тормозов автомобиля, выполняется паз 15 для ограничения продольных деформаций упругого элемента и фиксирования расположения датчика в процессе торможения.

Плоская нагрузочная поверхность 2 выполнена выступающей вверх частью упругого элемента и расположена симметрично относительно его продольной и поперечной осей на равных расстояниях от опор 6. Ее длина короче расстояния между опорами на величину а, которая меньше минимальной толщины h, зоны параллельных поверхностей этого элемента.

Продольные оси тензорезисторов 4, расположенных на плоской поверхности 3, параллельны продольной оси упругого элемента 1. Тензорезисторы Т1 и Т2 размещены возле опор, на равных расстояниях от них, в зонах действия деформации сжатия при приложении силы, а Т3 и Т4 удалены от опор на равные расстояния в среднюю часть поверхности – в зону действия деформации растяжения.

Равномерность по толщине слоя гидроизоляции 5, предохраняющей тензорезисторы 4 от воздействия пыли и влаги, обусловлена исключением разницы температур нагрева и охлаждения между тензорезисторами и местами их расположения при быстро изменяющихся температурах в среде расположения датчика силы.

Фиксирование кабеля соединительных проводов 10 при помощи жестко соединенного с датчиком держателя 7 с монтажной канавкой 8 и бандажного кольца 9 обусловлено малыми размерами датчика и отсутствием мест для крепления съемного разъема на его корпусе.

Опоры 6 и держатель 7 можно изготавливать как одно целое с упругим элементом 1.

Ограничитель продольных деформации 11 является ограничителем перегрузки, так как ограничивает продольные перемещения опор 6 при превышении номинальной нагрузки на датчик, а при использовании датчика в перемещающихся объектах является фиксатором расположения датчика на месте его установки. При контактировании опор датчика с плоскостями 12 и 13 ограничителя 11 (ограничивается деформация датчика в направлении его продольной оси) увеличивается жесткость на изгиб упругого элемента 1 и уменьшается его чувствительность к увеличению прилагаемой силы. Максимальные нагрузки на датчик и диапазон его измерения с использованием ограничителя продольных деформаций могут быть увеличены более чем в два раза по сравнению с номинальной нагрузкой без использования ограничителя.

С целью концентрации максимальных деформаций под нагрузочной плоскостью по продольной оси упругого элемента, в зоне расположения тензорезисторов, и для уменьшения влияния бокового смещения прилагаемых нагрузок от продольной оси упругого элемента на деформацию зоны расположения тензорезисторов, высота поперечного сечения упругого элемента 1 (фиг.4) уменьшается от плоской поверхности 2 в направлении к его боковым сторонам.

Малые габариты миниатюрного датчика контактного давления, большой диапазон измерения усилий, сравнительно высокая чувствительность датчика к нагрузкам, за счет использования деформации изгиба упругого элемента, а также увеличение точности измерений при быстро меняющихся высоких температурах, за счет расположения малобазных тензорезисторов в одной тепловой зоне, расширяют область применения датчиков силы в измерительной технике. Простота конструкции датчика, несложные технологические операции его изготовления, малые габариты и малый вес значительно снижают себестоимость его изготовления по сравнению с датчиками силы, имеющими равнозначные характеристики:

– по чувствительности датчика к нагрузкам;

– по диапазону прилагаемых усилий;

– по воздействию быстро меняющихся температур на точность измерений.

Формула изобретения

1. Датчик контактного давления, содержащий упругий элемент с плоскими параллельными поверхностями и расположенную на одной его плоскости измерительную мостовую схему тензорезисторов, отличающийся тем, что плоская нагрузочная поверхность упругого элемента, жестко соединенного с опорами, имеет форму выступа его верхней части, симметрично расположенную между опорами, длина которой короче расстояния между ними на величину меньше минимальной толщины зоны параллельных поверхностей этого элемента с размещающимися на нижней плоской поверхности в одной тепловой зоне закрытыми равномерным по толщине слоем гидроизоляции, тензорезисторами прямоугольной формы, продольные оси которых параллельны продольной оси упругого элемента, расположенными возле опор, в зонах действия деформации сжатия при приложении силы, и в средней части поверхности на равном расстоянии от опор – в местах действия деформации растяжения.

2. Датчик контактного давления по п.1, отличающийся тем, что он жестко соединен с держателем кабеля соединительных проводов.

3. Датчик контактного давления по п.1, отличающийся тем, что опоры датчика снабжены ограничителем продольных деформаций.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 15.12.2006

Извещение опубликовано: 10.04.2009 БИ: 10/2009