ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ МЕМБРАННЫЙ ДАТЧИК ВЕСА И СИЛЫ

Полезная модель относится к области приборостроения, к датчикам для измерения веса и силы.
Известен тензорезисторный мембранный датчик веса и силы (патент США №5024107, «Pressure or force sensor having an axially symmetrical pressure or force-receiving circular plate spring», НКИ 73/862.622, 1991 г.).
В этом устройстве упругий элемент, выполненный в виде осесимметричного тела вращения, содержит профилированную мембрану, на которой размещены тензорезисторы, снабжен недеформируемым жестким периферийным кольцом, которое связано с тонкостенным опорным цилиндром, опирающимся на опорную плиту. Недостатком этого устройства является жесткая связь профилированной мембраны с недеформируемым жестким периферийным кольцом, приводящая к возникновению натяжения мембраны в процессе деформации. Изгиб мембраны под действием веса или силы является полезной деформацией, которую измеряют тензорезисторы, а натяжение - паразитной деформацией. «Расходование» части измеряемого веса или силы на паразитную, неизмеряемую деформацию, увеличивает погрешность от нелинейности.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предложенной полезной модели, т.е. прототипом, является тензорезисторный мембранный датчик силы по заявке на патент Европейского патентного ведомства №0561021, «Kraftmesseinrichtung», МПК5, G01L 1/22, 1992 г.
В прототипе упругий элемент, выполненный в виде осесимметричного тела вращения, содержит профилированную мембрану с силовводящим выступом на верхней поверхности, тензорезисторы, полый цилиндрический корпус, кольцевую опору на нижней поверхности полого цилиндрического корпуса.
Как и в аналоге, недостатком этого устройства является жесткая связь профилированной мембраны с полым цилиндрическим корпусом, приводящая к возникновению натяжения мембраны в процессе деформации, что увеличивает погрешности от нелинейности.
Проскальзывание кольцевой опоры на нижней поверхности полого цилиндрического корпуса по опорной плите приводит к сухому трению, что увеличивает погрешность от гистерезиса.
Целью полезной модели является устранение недостатков прототипа, т.е. повышение точности, обеспечивающее возможность широкого применения тезорезисторных мембранных датчиков веса и силы в весоизмерительных устройствах.
Эта цель достигается тем, что в тензорезисторном мембранном датчике веса и силы, содержащем выполненные заодно целое упругий элемент, профилированную мембрану с силовводящим выступом, на верхней поверхности профилированной мембраны выполнена кольцевая выемка, образованная внешней и внутренней коническими поверхностями, вершины которых лежат на оси симметрии упругого элемента, полый цилиндрический корпус, кольцевую опору на нижней поверхности полого цилиндрического корпуса, тензорезисторы, расположенные на плоской поверхности мембраны, расчетно-экспериментальным путем подобраны наилучшие соотношения линейных и угловых размеров, обеспечивающие минимизацию погрешностей от нелинейности и гистерезиса. В результате этих работ установлено, что углы при вершинах внутренней и внешней конических поверхностей должны удовлетворять неравенству
0,25≤α/β≤1,1,
где обозначено:
α - угол при вершине внутренней конической поверхности, радиан,
β - угол при вершине внешней конической поверхности, радиан,
а средние диаметры кольцевой опоры и полого цилиндрического корпуса должны удовлетворять неравенству
ко.ср
пцк.ср.
0,75≤D/D≤0,95
где обозначено:
ко.ср
D - средний диаметр кольцевой опоры, мм,
пцк.ср.
D - средний диаметр полого цилиндрического корпуса.
На фиг.1 показан разрез предложенной полезной модели.
Тензорезисторный датчик веса и силы содержит выполненные заодно целое упругий элемент 1, профилированную мембрану 2 с силовводящим выступом 3, на верхней поверхности 4 профилированной мембраны 2 выполнена кольцевая выемка 5, образованная внешней 6 и внутренней 7 коническими поверхностями, вершины которых 8 и 9 лежат на оси симметрии 10 упругого элемента 1, полый цилиндрический корпус 11, кольцевую опору 12 на нижней поверхности полого цилиндрического корпуса 11. Периферийные тензорезисторы 13 и центральные тензорезисторы 14 расположены на плоской поверхности мембраны.
Углы при вершинах внешней 6 и внутренней 7 конических поверхностей удовлетворяют неравенству
0,25≤α/β≤1,1,
где обозначено:
α - угол при вершине внутренней конической поверхности, радиан,
β - угол при вершине внешней конической поверхности, радиан.
Средние диаметры кольцевой опоры 12 и полого цилиндрического корпуса 11 удовлетворяют неравенству
ко.cp
пцк.ср.
0,75≤D/D≤0,95
где обозначено:
ко.ср
D - средний диаметр кольцевой опоры, мм,
пцк.ср.
D - средний диаметр полого цилиндрического корпуса.
Тензорезисторный датчик веса и силы опирается на жесткую плиту 15
Устройство работает следующим образом.
Измеряемая сила «P» через силовводящий выступ 3 деформирует профилированную мембрану 2. Периферийные тензорезисторы 13 сжимаются, центральные тензорезисторы 14 растягиваются. Тензорезисторы 13 и 14 преобразуют деформацию мембраны в изменения своих сопротивлений, которые в свою очередь, преобразутся посредством вторичной электронной аппаратуры (на чертеже не показана) в сигнал, пропорциональный измеряемой силе «P».
Выбранные соотношения угловых размеров внешней 6 и внутренней 7 конических поверхностей исключает натяжение профилированной мембраны 2 в процессе деформации при нагружении силой «Р», несмотря на жесткую связь профилированной мембраны 2 с полым цилиндрическим корпусом 11, что минимизирует погрешность от нелинейности и гистерезиса.
Выбранные соотношения линейных размеров полого цилиндрического корпуса 11 и кольцевой опоры 12 обеспечивают отсутствие проскальзывания кольцевой опоры 12 по жесткой плите 15 в процессе деформации при нагружении силой «Р». Поэтому между кольцевой опорой 12 и жесткой плитой 15 не возникает сухого трения, что минимизирует погрешность от гистерезиса.