УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ
Полезная модель относится к области приборостроения, а именно к тензорезисторным устройствам для измерения силы или перемещения, и может быть использовано преимущественно в преобразователях силы, давления, разрежения, разности давления, расхода и уровня жидких и газообразных сред в электрический сигнал.
Известно устройство для измерения силы, описанное в а.с. СССР № 1458728 по кл. G01L 1|22
Известное устройство выполнено в виде упругой мембраны и соосно прикрепленного к ее ценггру стержня. По наружному контуру мембрана закреплена неподвижно, а на ее поверхности по обе стороны контура сечения стержня размещены тензорезисторы, замкнутые в электрическую мостовую схему. Измеряемая сила прилагается к свободному концу стержня и перпендикулярно ему, при этом участки мембраны по обе стороны от контура сечения стержня изгибаются в противоположных направлениях, вызывая разнонаправленные деформации тензорезисторов.
Недостатком такого тензометрического устройства является его сложная пространственная геометрия, больщие габариты и значительная величина жесткости при измерении силы или перемещений, что не позволяет применять его для измерения малых величин сил, давлений и других параметров. Кроме того, такое устройство имеет значительную температурную погрешность, что снижает точность и воспроизводимость измерений.
Известно устройство для измерения силы, описанное в а. с СССР № 1739218 по кл. G01L 1/22.
Известное устройство содержит зажимаемый и сшювоспринимающий Тобразный элементы, две перемычки, симметрично расположенные относительно плоскости симметрии силовоспринимающего элемента и соединенные с концами его поперечной части и зажимаемым элементом, кроме того, собранные в мостовую схему четыре тензорезистора, два из которых размешены в местах сопряжения переj  1,   S- « -9 0
МКИ - 7: GOIL 1|22
мычек с концами поперечной частн силовоспринимающего элемента, а два других установлены в месте сонряжения центрального выступа силовоспринимающего элемента с его ноперечной частью и расположены симметрично относительно плоскости симметрии силовоспринимающего элемента.
Недостатком этого устройства является наличие существенной зависимости начального разбаланса мостовой схемы от условий установки и зажима устройства при эксплуатации. Эти нежелательные влияния обусловлены наличием двух перемычек, сопрягаемых с концами Т-образного силовоспринимающего элемента и непосредственно с зажимаемым элементом устройства, на которых размещены два из четырех тензорезистора мостовой схемы. Паразитные деформации зажимаемого элемента от усилия его закрепления и от незначительных перекосов опорной поверхности, а также при изменении температуры во время эксплуатации, неизбежно передаются на сопрягаемые перемычки с тензорезисторами, что приводит к увеличению погрещности измерений, в том числе и температурной составляющей погрещности.
Кроме того, тензорезисторы мостовой схемы размещены на разных элементах конструкции: на двух перемычках и на центральном выступе силовоспринимающего элемента. При этом незначительное отклонение точки приложения измеряемой силы от оси симметрии устройства приводит к перераспределению деформаций тензорезисторов и, как следствие, к донолнительным погрещностям и ухудшению точности измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и принятому в качестве прототипа является устройство, описанное в п. РФ № 2114406 по кл G01L 1/22.
Известное устройство, чувствительное к усилию или перемещению, нредставляет собой опорную пластину, состоящую из двух частей с элементами крепления, и Т-образный силовоспринимающий элемент, состоящий из центрального выступа и поперечной части, концы которой непосредственно соединены с одной и другой частями опорной пластины, образуя с ними унитарную конструкцию. Па поверхности силовоспринимающего элемента жестко закреплена диэлектрическая подложка из монокристаллического материала с кремниевыми тензорезисторами. Вблизи основания центрального выступа может быть выполнено отверстие, нерекрываемое диэлектрической подложкой так, что тензорезисторы расположены в зопе этого отверстия. Опорная пластина и силовоспринимающий Т-образный элемент выполнены разнотолщинными с соотношением толщин 2: 1 и более.
К недостаткам прототипа следует отнести существенную зависимость начального разбаланса мостовой тензорезистивной схемы от условий установки и зажима устройства при эксплуатации. Эти нежелательные явления обусловлены наличием паразитной деформации Т-образного силовоспринимающего элемента от усилия закрепления одной и другой частей опорной пластины, от незначительных перекосов опорной поверхности, на которую закрепляется устройство, некоторой технологической неплоскостности различных частей опорной пластины, расположенных по разные стороны от Т-образного силовоспринимающего элемента и связанных друг с другом только через поперечную часть силовоспринимающего элемента. Изменение начального разбаланса при закреплении может достигать 30% от диапазона выходного сигнала. Дополнительно на Т-образный силовоспринимающий элемент передаются и температурные деформации, возникающие вследствие различия в температурных коэффициентах опорной пластины и основания прибора, вследствие крепления опорной пластины на два винта по разные стороны от Т-образного силовоспринимающего элемента, что увеличивает температурную составляющую погрещности измерений. Одностороннее закрепление данного устройства без касания другой частью опорной пластины плоскости основания не дает положительных результатов вследствие возникновения паразитного крутящего момента в перпендикулярном к измеряемому направлении из-за малой толщины Т-образного силовоспринимающего элемента и увеличению вследствие этого погрешности и нелинейности преобразования. Указанные недостатки прототипа не позволяют его использовать в промышленных измерительных преобразователях силы, давления, разрежения, разности давления, расхода и уровня жидких и газообразных сред в электрический сигнал.
Целью заявляемой полезной модели является повыщение точности и стабильности измерений, минимизация габаритных размеров при хорошей технологичности конструкции.
держащем основание с элементами крепления, силовоспринимающий элемент, состоящий из центрального выстуна и поперечной части и имеющий толщину в 5 и более раз меньщую, чем толщина основания, и непосредственно соединенный своей поперечной частью с основанием в виде унитарной конструщии, и по крайней мере два тензорезистора, расположенных вблизи области сопряжения центрального выступа силовоспринимающего элемента с его поперечной частью, размещенные на диэлектрической подложке, жестко закрепленной на поверхности силовоспринимающего элемента, согласно полезной модели, основание выполнено таким образом, что части основания, расположенные с обеих сторон центрального выступа силовоспринимающего элемента, соединены между собой жесткой перемычкой, толщина которой близка к толщине основания, размещенной за пределами силовоспринимающего элемента с зазором от него со стороны поперечной части, причем элементы крепления основания расположены по одну сторону от силовоспринимающего элемента, а нижняя поверхность жесткой перемычки и другой половины основания, не имеющей элементов крепления, выполнены с углублением по отнощению к нижней опорной поверхности основания.
Кроме того, части основания, расположенные с обеих сторон центрального выступа силовоспринимающего элемента, соединены между собой двумя жесткими перемычками, расположенными со стороны центрального выступа и поперечной части силовоспринимающего элемента с зазором от них.
Кроме того, на верхней поверхности основания имеется углубление по крайней мере с одной стороны от силовоспринимающего элемента.
Кроме того, на конце тонкого центрального выступа силовоспринимающего элемента имеется выступ высотой близкой к толщине основания с отверстием вдоль оси симметрии центрального выступа.
Кроме того, на поверхности силовоспринимающего элемента ближе к его поперечной части расположено дополнительное технологическое отверстие.
Кроме того, на диэлектрической подложке дополнительно размещен не чувствительный к деформации и чувствительный к температуре резистор из гетероэпитаксиального кремния или другого материала.
мающего элемента размещен коллектор из диэлектрического материала с металлизированными проводниками.
Благодаря тому, что части основания, расположенные с обеих сторон силовоспринимающего элемента, соединены между собой жесткой перемычкой, размещенной за пределами силовоспринимающего элемента с зазором от него, а также тому, что элементы крепления основания расположены по одну сторону от силовоспринимающего элемента, и тому, что нижняя поверхность жесткой перемычки и другой половины основания, не имеющей элементов 1феш1ения, выполнены с углублением по отношению к нижней опорной поверхности основания, практически полностью исключается паразитная деформация основания вблизи поперечной части силовоспринимающего элемента, соединенной с основанием, при закреплении устройства, и тем самым при этом более чем на два порядка уменьшается изменение начального сигнала, которое не превышает в этой конструкции 0,1% от номинального диапазона изменения выходного сигнала, что в совокупности значительно улучшает точностные характеристики и стабильность показаний устройства.
Кроме того, вследствие высокой жесткости конструкции основания, определяемой его толщиной, отсутствует влияние бокового вращательного момента от измеряемой силы на выходной сигнал устройства, что также повышает стабильность измерений.
Вследствие того, что жесткая перемычка выполнена с зазором от силовоспринимаюшего элемента, исключается появление переходных зон разной толщины материала основания под монокристаллической диэлектрической подложкой, которые являются концентраторами температурных напряжений, и тем самым значительно снижаются температурные деформации на поверхности монокристаллической диэлектрической подложки, на которой расположены тензорезисторы, и таким образом, достигаются малые изменения начального сигнала при изменении температуры, основной причиной которых является различие коэффициентов линейного расширения материала основания и монокристаллической диэлектрической подложки, например титана и сапфира, что также повышает точность и стабильность измерений.
чию температурных коэффициентов линейного расширения материала основания устройства и материала основания нрибора, на котором кренится устройство для измерения силы. Это обусловлено тем, что элементы крепления основания устройства расположены по одну сторону от силовоспринимающего элемента, а жесткая перемычка и другая сторона основания, не имеющая элементов крепления, расположены с зазором от поверхности прибора. При этом изменение линейных размеров, обусловленное изменением рабочей температуры, не приводит к возникновению дополнительных внутренних напряжений в устройстве, вызывающих появление дополнительной температурной погрещности устройства. Благодаря этому, устройство, выполненное согласно полезной модели, обладает высокими метрологическими характеристиками в широком интервале рабочих температур от минус 50 до плюс 120°С.
Дополнительным нренмуществом устройства является его технологичность при изготовлении, позволяющей с помощью простых токарно-фрезерных и сверлильных операций изготовить металлическое основание и силовоспринимающий элемент, и с помощью простой оснастки обеспечить заданное положение монокристаллической диэлектрической подложки на поверхности силовоспринимающего элемента. Это обусловлено наличием на верхней поверхности основания углубления и сформированного с его помощью сквозного отверстия (зазора) между жесткой перемычкой и силовоспринимающим элементом со стороны его поперечной части, наличием дополнительного технологического отверстия на силовоспринимающем элементе, касающегося края закрепляемой диэлектрической подложки с тензорезисторами.
Заявляемое устройство для измерения силы обладает новнзной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как наличие жесткой перемычки, соединяющей между собой части основания, расположенные с обеих сторон силовоспринимающего элемента, и размещенной за пределами силовоспринимающего элемента с зазором от него, расположение элементов крепления основания по одну сторону от силовоспринимающего элемента, наличие на нижней поверхности жесткой перемычки и другой половины основания, не имеющей элементов крепления, углубления по отношению к опорной поверхности основания, обеспечивающими в совокупности достижение высоких метрологических характеристик.
Заявителю не известны технические решения, обладающие в совокупности указанными отличительными существенными признаками, обеспечивающими достижение полученного технического результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию полезная модель.
Заявляемое устройство для измерения силы может найти щирокое применение в измерительной технике и потому соответствует критерию промышленная применимость.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
-фиг. 1 - устройство для измерения силы - вид сверху;
-фиг. 2 - вид А со стороны торца;
-фиг. 3 - вариант 1 выполнения устройства для измерения силы - вид сверху;
-фиг. 4 - вариант 1 - вид А со стороны торца;
-фиг. 5 - вариант 2 выполнения устройства для измерения силы - вид снизу;
-фиг. 6 - вариант 2 - разрез А-А;
-фиг. 7 - вариант 3 выполнения устройства для измерения силы - вид сверху;
-фиг. 8 - вариант 4 выполнения устройства для измерения силы - вид сверху. Устройство для измерения силы (фиг. 1 и фиг.2) содержит основание, силовоспринимающий элемент, состоящий из центрального выступа 3 и поперечной части 4, концы которой непосредственно соединены с основанием, образуя с ним унитарную конструкцию, диэлектрическую подложку 5 с тензорезисторами 6, жестко закрепленную на поверхности силовоспринимающего элемента. Основание содержит опорный элемент крепления 1 с отверстием 7, расположенным по одну сторону от силовоспринимающего элемента, жесткую перемычку 8, соединяющую опорный элемент крепления 1 с другой частью основания 2, расположенной с другой стороны от силовоспринимающего элемента и не имеющей элементов крепления. Жесткая перемычка 8 отделена от силовоспринимающего элемента сегментным отверстием 9, сформированным посредством углубления 10 на верхней поверхности основания в области жесткой перемычки 8 и служащим для развязки тонкого силовоспринимающего элемента от толстого основания, а также для фиксации положения диэлектрической подложки 5 при технологической операции пайки. Углубление 10 может
быть продолжено в область части основания 2 и использоваться для установки коллектора на диэлектрической подложке с металлической разводкой, применяемого для подключения и закрепления внешних выводов. Часть опорного основания 2, и жесткая перемычка 8 имеют на нижней поверхности углубление 11, предотвращающее касание поверхности, на которую устанавливается устройство для измерения силы. Вблизи середины пентрального выступа 3 выполнено технологическое отверстие 12, частично пересекающее диэлектрическую подложку 5, и служащее для фиксации положения диэлектрической подложки при операции пайки. На конце силовоспринимающего элемента выполнено отверстие 13 для крепления тяги, передающей измеряемую силу в направлении, перпендикулярном плоскости центрального выступа 3. На поверхности диэлектрической подложки 5 в зоне наименьших напряжений может быть размещен не чувствительный к деформации и чувствительный к температуре резистор 14. Поверхность 15 является нижней опорной поверхностью устройства. Основание и силовоспринимающий элемент выполнены разнотолщинными с соотношением толщин 5:1 или более для устранения нежелательного влияния на тензорезисторы паразитных напряжений при жестком креплении устройства и воздействии измеряемой силы. Унитарная конструкция основания с силовоспринимающим элементом выполнена из упругого сплава, например из титанового сплава. Диэлектрическая подложка 5 выполнена, например, из пластины искусственного лейкосапфира с определенной кристаллографической ориентацией, например (1012), на поверхности которой выращен слой кремния, из которого образованы тензорезисторы, ориентированные вдоль кристаллографических направлений (011) кремния, и возможно не чувствительный к деформации и чувствительный к температуре резистор 14, ориентированный в направлении минимальной тензочувствительности, например под 45° к кристаллографическому направлению (011) кремния. Тензорезисторы 6, ориентированные таким образом, чтобы получить изменения сопротивлений разных знаков при изгибной деформации центрального выступа 3, расположены на центральном выступе силовоспринимающего элемента вблизи перехода от центрального выступа к поперечной части. Крепление сапфировой пластины 5 на поверхности силовоспринимающего элемента из титанового сплава может быть выполнено при помощи высокотемпературной пайки серебросодержащим припоем.
например ПСР-72, при этом достаточпо высокий предел пластической деформации и малая толщина слоя припоя обеспечивают высокие метрологические характеристики устройства.
На фиг.З и фиг.4 показан вариант выполнения устройства для измерения силы прямоугольной формы. В этом варианте имеется два отверстия 7 для крепления устройства, дополнительная жесткая перемычка 8 со стороны центрального выступа 3 и выступ 16 с отверстием 17, сформированный в виде дополнительного элемента, соединяемого с центральным выступом 3 силовоспринимающего элемента посредством контактной сварки или любым другим способом, и предназначенный для крепления ленточной тяги. Использование данного варианта устройства обеспечивает легкость его замены.
На фиг.З и фиг.6 показан вариант выполнения устройства для измерения силы с выступом 16 и отверстием 17 на конце центрального выступа 3 силовоспринимающего элемента, сформированными в виде унитарной конструкции с центральным выступом силовоспринимающего элемента, и предназначенными для крепления ленточной тяги. Отверстие 17 может быть выполнено с резьбой при достаточной толщине выступа. Изготовление данного варианта устройства не требует дополнительной операции контактной сварки или другой для формирования выступа.
На фиг.7 показан вариант выполнения устройства для измерения силы, в котором отсутствует часть основания 2, не имеющая элементов крепления, что уменьшает расход материала, вес и размеры устройства при полном сохранении метрологических характеристик.
На фиг. 8 показан вариант выполнения устройства для измерения силы, в котором имеется коллектор 18 из диэлектрического материала с металлизированными проводниками.
Устройство для измерения силы работает следующим образом.
Устройство (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) жестко закрепляется на плоском участке другого устройства (не показано) путем прижатия опорного элемента крепления 1 основания по нижней опорной поверхности 15, например, с помощью винтового соединения через отверстия 7. Измеряемая сила, приложенная вдоль оси отверстия 13 в направлении, перпендику.11ярном плоскости центрального выступа 3 силовоспринимающего элемента, изгибает центральный выступ 3 и жестко за1феш1енную на его поверхности диэлектричес1дао подлож 5 с тензорезисторами 6. При этом тензорезисторы, включенные в мостовую или дифференциальную измерительную схему (не ноказано), изменят свои начальные сопротивления, вследствие чего на выходе измерительной схемы появится сигнал, пропорциональный величине измеряемой силы.
Одновременно с изгибом центрального выступа 3 силовоспринимающего элемента под действием измеряемой силы происходит небольшое скручивание поперечного участка 4, концы которого непосредственно соединены с основанием. При этом изгибные напряжения на поверхности диэлектрической подложки 5 вблизи сопряжения центрального выступа с поперечной частью и в зоне расположения тензорезисторов 6, будут иметь плавный экстремум. Это повышает перегрузочную способность устройства для измерения силы, увеличршает его эксплуатационную надежность, долговременную стабильность и работоспособность.
Таким образом, как видно из описания устройства и его принципа действия, получено новое техническое решение, при котором обеспечивается высокая точность измерений (0,05 - 0,15%), высокая чувствительность выходного сигнала (30mV на 1 вольт напряжения питания), отсутствие влияния закрепления и различия температурных коэффициентов линейного расширения материалов устройства для измерения силы и преобразователя, в который оно установлено, на начальный выходной сигнал, высокая перегрузочная способность, долговременная стабильность измерений, надежность работы в шрфоком интервале температур (от минус 50 до плюс 120°С и более), компактность и простота конструкции. Устройство для измерения силы, выполненное согласно полезной модели, целесообразно использовать для верхних пределов измерений 1 - 5 N в малогабаритных приборах давления, разрежения, разности давлений, расхода, уровня и других устройствах, измерительные узлы которых первоначально преобразуют измеряемую физическую величину в силу.
Авторы/  Лучко В.Е.