Патент на изобретение №2308010

(54) ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано при изготовлении весоизмерительных приборов. Датчик содержит жесткие силопередающие элементы, соединенные упругой частью устройства в виде двух балочек с упругими шарнирами на концах и размещенной между балочками измерительной перемычкой с тензорезисторами, при этом средняя часть этой перемычки выполнена в виде кольцеобразного элемента с внутренней цилиндрической поверхностью, на которой наклеены в четырех местах тензорезисторы. Части для наклейки тензорезисторов выполнены переменными по толщине для обеспечения равномерности напряжений деформации. Датчик изготавливается из цельного бруска путем сверления сквозных отверстий с последующей их точной расточкой. При этом упругие шарниры и наружные поверхности участков для наклейки тензорезисторов получены пересекающимися отверстиями с различными координатами, а полученные таким образом полости попарно соединены прорезями. Техническим результатом является повышение технологичности устройства при минимизации габаритов и расширении диапазона измерительных усилий. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерениям усилий и может быть использовано при изготовлении весоизмерительных приборов.

Известен датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма со сквозными отверстиями и полостью в боковой стенке, образованной тремя пересекающимися отверстиями, с получением на верхней и нижней гранях упругих шарниров, при этом в полости центрального отверстия размещена измерительная перемычка с тензорезисторами, связывающая верхнюю и нижнюю грани (см. описание к патенту №2130593, 6 G01L 1/16, 1/22).

Недостаток аналога в том, что вносится нелинейность в измерительную деформацию в местах наклейки тензорезистора из-за того, что измерительная перемычка жестко соединяет верхнюю и нижнюю грани параллелограмма между упругими шарнирами, искажая его работу.

Известен датчик усилий для тензометрических весов, содержащий упругий параллелограммный элемент, имеющий два силовых плеча, соединенных балочками с упругими шарнирами на концах, и размещенную внутри этого элемента измерительную перемычку с тензорезисторами, при этом перемычка закреплена одним концом на консольном выступе первого силового плеча, а другим концом на платформе силопередающего устройства в виде вертикальных ленточных тяг, соединяющих платформу и консольный выступ другого силового плеча, при этом выступы разнесены по высоте (см. описание к патенту №21124405, 6 G01L 1/22).

Недостаток этого аналога – появляются паразитные деформации из-за того, что перемычка смещена относительно продольной оси устройства. Кроме того, к недостаткам можно отнести и сложность изготовления, так как силопередающий элемент выполнен в виде сборочной единицы, а именно ленточных тяг с платформой.

Известен тензорезисторный датчик силы, содержащий жесткие силопередающие элементы, соединенные упругой частью устройства в виде двух балочек с утонениями на концах, образующими упругие шарниры, и средней измерительной перемычкой с тензорезисторами, при этом концы перемычки заделаны в пазы силопередающих элементов через электроизоляционные прокладки (см. описание к патенту №2111464, 6 G01L 1/22).

Этот датчик принят за прототип по наибольшему числу существенных признаков.

В этом датчике расположение перемычки по оси устройства обеспечивает минимальные паразитные деформации.

Его недостаток – нетехнологичность конструкции вследствие необходимости применения сборочных операций при установке чувствительного элемента, что также влияет на точность измерения силы из-за отличия теплофизических характеристик соединяемых деталей из различных материалов в диапазоне рабочих температур.

В случае выполнения перемычки заодно с параллелограммной подвеской, для получения равномерного распределения деформаций в местах наклейки тензорезисторов потребовалось бы профилировать плоскую перемычку в зоне участка размещения тензорезисторов, что является труднодостижимым и привело бы к увеличению габаритов датчика из-за потребности в определенном пространстве над перемычкой для крепления тензорезисторов при наклейке и размещения различных приспособлений.

Задачей настоящего изобретения является повышение технологичности устройства при минимизации габаритов и расширении диапазона измерительных усилий.

Для решения поставленной задачи в тензорезисторном датчике силы, содержащем жесткие силопередающие элементы, соединенные с упругой частью устройства в виде двух баночек с утонениями на концах, образующими упругие шарниры, и измерительной перемычкой с тензорезисторами, средняя часть перемычки выполнена в виде кольцеобразного упругого элемента, размещенного в плоскости действия силы, с предусмотренной внутри цилиндрической поверхностью для размещения тензорезисторов. При этом стенки кольцеобразного элемента в зонах размещения тензорезисторов выполнены переменной толщины; переменная толщина стенок и упругие шарниры образованы пересекающимися отверстиями с различными координатами.

На фиг.1 показан датчик с силопередающими элементами в виде брусков; на фиг.2 – с силопередающими элементами в виде уголков; на фиг.3 – схема соединения тензорезисторов, на фиг.4 показано распределение напряжений в расчетной модели датчика, полученное методом конечных элементов с помощью программы MSC/NASTRAN; на фиг.5 показан фрагмент иллюстрации 1 с указанием величин напряжений в узлах расчетной модели датчика, расположенных в зоне наклейки одного из тензорезисторов.

Датчик содержит силопередающие элементы 1 и 2, соединенные упругой частью устройства в виде балочек 3 и 4 с утонениями 5 на концах и измерительной перемычкой 6 с кольцеобразной средней частью 7, на внутренней цилиндрической поверхности которой наклеены тензорезисторы 8. Тензорезисторы 8 соединены по схеме полного дифференциального моста.

При этом, если датчик выполнен в виде консольной балки, то силопередающие элементы представляют собой два бруска, торцы которых соединены через упругую часть (фиг.1). Если датчик предназначен для встраивания в силопередающие подвески, то силопередающие элементы выполняются в виде уголков с попарно параллельными вертикальными и горизонтальными полками. При этом вертикальные полки соединены через упругую часть (фиг.2).

Изготовлен датчик из цельного бруска, при этом упругие шарниры (утонения 5) и части кольцеобразного элемента 7, предназначенные для наклейки тензорезисторов, получены сверлением с точной последующей расточкой пересекающихся отверстий с различными координатами. При этом образуются четыре полости 9, которые потом попарно соединяются между собой прорезями 10 до образования балочек 3 и 4. Известно, что высокоточные цилиндрические отверстия получить легче, чем плоские внутренние поверхности, и, значит, технологичность предлагаемого датчика повышается.

Выполнение стенок кольцеобразного элемента переменной толщины с помощью пересекающихся отверстий позволило без увеличения габаритов обеспечить участки с равномерным распределением напряжений по длине наклейки тензорезисторов (см. фиг.4, 5). При этом равномерность напряжений достигнута соответствующим расчетом координат отверстий (центров и радиусов).

Пересекающиеся отверстия формируют также упругие шарниры балок, что снижает концентрацию напряжений в них и габариты датчиков.

Датчик работает следующим образом.

При действии силы Р силопередающий элемент 1 перемещается в направлении силы и происходит поворот упругой части (балочек 3 и 4 и перемычки 6). Деформации, возникающие на внутренней поверхности кольцеобразного элемента, изменяют сопротивления тензорезисторов, что преобразуется с помощью мостовой схемы (фиг.3) в электрическое напряжение.

Благодаря тому что передача усилий на чувствительный элемент происходит в зоне нейтральной оси устройства, зависимость от внешних паразитных моментов минимизирована. Кроме того, тензорезисторы R₁ и R₂, размещенные в верхней части кольцевого элемента, и тензорезисторы R₃ и R₄ (см. фиг.3), расположенные в нижней части, включены в одни и те же плечи моста, что дополнительно компенсирует влияние деформаций от внешнего момента на результат измерений.

Из-за того, что тензорезисторы размещены в зонах с равномерным распределением деформаций (см. фиг.4, 5), достигается максимальный коэффициент преобразования механических деформаций в изменение сопротивления.

На предлагаемый датчик разработана конструкторская документация, изготовлены и успешно испытаны опытные образцы на номиналы измеряемых усилий от 50 кг до 7000 кг. Общая погрешность измерения не превышает 0,02%, нелинейность – не более 0,01%.

Формула изобретения

1. Тензорезисторный датчик силы, содержащий жесткие силопередающие элементы, соединенные упругой частью устройства в виде двух балочек с утонениями на концах, образующими упругие шарниры, и измерительной перемычкой с тензорезисторами, отличающийся тем, что средняя часть перемычки выполнена в виде кольцеобразного упругого элемента, размещенного в плоскости действия силы, с внутренней цилиндрической поверхностью для размещения тензорезисторов.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что стенки кольцеобразного элемента в зонах размещения тензорезисторов выполнены переменной толщины.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что переменная толщина стенок кольцеобразного элемента и упругие шарниры образованы пересекающимися отверстиями с различными координатами.

РИСУНКИ