Датчик усилия

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения усилия растяжения, и может быть использована, например, в системах защиты от перегрузок краноманипуляторных установок.
Уровень техники
Известны датчики усилия, содержащие герметичный корпус, в котором размещен измерительный орган, включающий в себя два силовоспринимающих элемента с резьбовыми наконечниками и расположенный между ними упругий элемент с тензорезисторами, замеряющими продольную деформацию упругого элемента. Силовоспринимающие элементы выполнены за одно целое с упругим элементом в виде трехступенчатого стержня. К резьбовым наконечникам присоединены проушины либо другие элементы для соединения датчика с тросовой подвеской или с другими силопередающими элементами грузоподъемного крана (RU 53774 U1, G01L 1/22, 27.05.2006, RU 79668 U1, G01L 1/22, 10.01.2009).
Однако данная конструкция датчика усилия имеет большую осевую длину, что уменьшает высоту подъема крюковой подвески при установке датчика усилия в место заделки «мертвого» конца грузового каната. Кроме того, для предотвращения падения груза при возможном разрушении стержня, на котором наклеены тензорезисторы, параллельно датчику необходима установка дополнительных предохранительных силовых элементов, что усложняет его конструкцию.
Известен также датчик усилия, содержащий два силовоспринимающих элемента и расположенный между ними упругий элемент с тензорезисторами. Силовоспринимающие элементы выполнены утолщенными за одно целое с упругим элементом, отделенным от силовоспринимающих элементов двумя встречными прорезями. Датчик выполнен из цельной заготовки материала с прямоугольным поперечным сечением. Прорези выполнены до оси симметрии датчика. Для формирования упругого элемента (чувствительной части датчика) на боковых поверхностях средней части датчика под углом 45° выполнены два паза. Силовоспринимающие элементы (концевые части датчика) имеют клиновидные законцовки с углом наклона поверхности клина 45°, а чувствительная часть выполнена в виде косонаправленной площадки, размещенной между клиновидными законцовками. Тензорезисторы закреплены с двух сторон косонаправленной площадки (SU 1696915, А1, G01L 1/22, 07.12.1991).
Данная конструкция, выбранная заявителем в качестве прототипа, не чувствительна к нецентренному и косому приложению внешней силы, так как при этом не возникают другие виды деформаций, кроме сдвиговых. Однако реализация в полной мере преимуществ выполнения чувствительной части датчика в виде косонаправленной площадки будет определяться точностью ее изготовления и существенно зависит от технологических возможностей изготовителя, в частности от наличия инструмента для формирования косонаправленной площадки, а размещение тензорезисторов на открытых поверхностях упругого элемента делает его уязвимым к механическому воздействию и воздействию внешней среды, что снижает надежность датчика при его эксплуатации. В описании данного изобретения приведен пример использования датчика для измерения усилия сжатия. При использовании этого датчика для измерения усилия растяжения, например усилия натяжения грузового каната в грузоподъемных механизмах, в конструкцию датчика должны быть введены дополнительные элементы в виде проушин с резьбовыми наконечниками, усложняющие конструкцию датчика и увеличивающие его осевую длину, что уменьшает высоту подъема крюковой подвески при установке датчика усилия в место заделки «мертвого» конца грузового каната. Кроме того, для предотвращения падения груза при возможном разрушении датчика параллельно датчику необходима установка дополнительных предохранительных силовых элементов, что также усложняет его конструкцию.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка эффективного и простого в эксплуатации датчика усилия, обеспечивающего достаточно высокую точность измерения при уменьшенных затратах на изготовление и установку, а также не требующего дополнительных предохранительных силовых элементов, препятствующих падению груза при разрушении датчика усилия при установке его в место заделки «мертвого» конца грузового каната.
Решение поставленных задач и достижение технического результата обеспечивается тем, что датчик усилия, содержащий два силовоспринимающих элемента и упругий элемент с тензорезисторами, согласно полезной модели снабжен дополнительным упругим элементом с тензорезисторами, а сам датчик выполнен в виде плоской удлиненной серьги, включающей в себя выполненные за одно целое внешний силовоспринимающий элемент, расположенный в нем внутренний цилиндрический силовоспринимающий элемент и связывающие их упругие элементы с закрепленными на их плоских поверхностях тензорезисторами, при этом упругие элементы расположены на продольной оси внешнего силовоспринимающего элемента оппозитно относительно внутреннего силовоспринимающего элемента, а внешний и внутренний силовоспринимающие элементы выполнены с отверстиями для соединения датчика с тросовой подвеской или с другими силопередающими элементами.
Решению поставленных задач служат также частные существенные признаки полезной модели.
Серьга имеет в плане форму вытянутого круга.
Серьга изготовлена из пластины, в которой выполнены два симметрично расположенных относительно продольной оси пластины и смещенных от ее центра встречно направленных дугообразных выреза с образованием внешнего и внутреннего силовоспринимающих элементов, связанных между собой с помощью двух упругих элементов в виде идентичных плоских утоненных перемычек между дугообразными вырезами, тензорезисторы расположены на плоских поверхностях упругих элементов, а на плоской части боковой поверхности внешнего силовоспринимающего элемента выполнен выходящий в один из дугообразных вырезов герметизированный канал для электропроводки к тензорезисторам.
Дугообразные вырезы закрыты с двух сторон съемными крышками.
Снабжение датчика усилия дополнительным упругим элементом с тензорезисторами и выполнение самого датчика в виде плоской удлиненной серьги, включающей в себя выполненные за одно целое внешний силовоспринимающий элемент, расположенный в нем внутренний цилиндрический силовоспринимающий элемент и связывающие их упругие элементы с закрепленными на их плоских поверхностях тензорезисторами, при этом упругие элементы расположены на продольной оси внешнего силовоспринимающего элемента оппозитно относительно внутреннего силовоспринимающего элемента, а внешний и внутренний силовоспринимающие элементы выполнены с отверстиями для соединения датчика с тросовой подвеской или с другими силопередающими элементами, повышает точность измерения усилий растяжения за счет увеличения уровня сигнала с тензометрического моста из тензорезисторов, наклеенных на растягиваемом и сжимаемом упругом элементе, при этом нет необходимости обеспечивать дополнительный запас прочности упругим элементам, так как запас прочности датчика обеспечивается внешним силовоспринимающим элементом.
Предлагаемая форма серьги в плане в виде вытянутого круга допускает угловое смещение датчика относительно элементов его подвески.
Выполнение серьги из листового материала упрощает его изготовление и эксплуатацию, так как предлагаемый датчик содержит минимальное количество деталей и может быть изготовлен из одной удлиненной пластины с использованием высокоточной лазерной резки и современных компьютерных технологий, что повышает технологичность данной конструкции и уменьшает стоимость ее изготовления.
Съемные крышки, закрывающие с двух сторон дугообразные вырезы в серьге, защищают тензорезисторы от случайных внешних воздействий и воздействия внешней среды, что повышает надежность датчика при его эксплуатации в составе грузоподъемной техники.
Технический результат от использования полезной модели - повышение точности измерений и эксплуатационной надежности датчика усилия.
Приведенные далее описание и сопровождающие чертежи предназначены только для иллюстрации полезной модели и ни в коем случае не ограничивают объема формулы полезной модели.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан датчик усилия, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - пример использования датчика для измерения усилия натяжения грузового каната краноманипуляторной установки; на фиг. 4 - место Б на фиг. 3; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 4. На приведенных чертежах одни и те же детали обозначены одинаковыми позициями.
Осуществление полезной модели
Датчик 1 усилия выполнен в виде плоской удлиненной серьги, имеющей в плане форму вытянутого круга и включающей в себя выполненные за одно целое внешний силовоспринимающий элемент 2, расположенный в нем внутренний цилиндрический силовоспринимающий элемент 3 и связывающие их упругие элементы 4 и 5 с закрепленными на их плоских поверхностях 6 тензорезисторами 7. Упругие элементы 4 и 5 расположены на продольной оси внешнего силовоспринимающего элемента 2 оппозитно относительно внутреннего силовоспринимающего элемента 3. Силовоспринимающие элементы 2 и 3 выполнены с отверстиями 8 для соединения датчика с тросовой подвеской или с другими силопередающими элементами.
Серьга изготовлена из пластины, в которой выполнены два симметрично расположенных относительно продольной оси пластины и смещенных от ее центра встречно направленных дугообразных выреза 9 с образованием внешнего 2 и внутреннего 3 силовоспринимающих элементов, связанных между собой с помощью упругих элементов 4 и 5 в виде идентичных плоских утоненных перемычек между дугообразными вырезами 9. На плоской части боковой поверхности внешнего силовоспринимающего элемента 2 выполнен выходящий в один из дугообразных вырезов герметизированный канал 10 для электропроводки к тензорезисторам 7. Дугообразные вырезы 9 закрыты с двух сторон съемными крышками 11 для защиты тензорезисторов 7 от неблагоприятных факторов внешней среды, например от влаги.
Выводы тензорезисторов 7 соединены в электрический мост с токоподводящими и измерительными выводами. Датчик подключается с помощью кабеля 12, пропущенного через герметизированный канал 10, к блоку 13 обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста, располагаемому, например, на оголовке 14 телескопической стрелы краноманипуляторной установки, как это показано на фиг. 3. Блок 13 обработки сигналов может быть выполнен в виде печатной платы, на которой смонтированы усилитель сигналов, микроконтроллер с энергонезависимым запоминающим устройством, снабженный встроенным или внешним аналого-цифровым преобразователем, к входу которого подключен выход электрического моста, и схема согласования с линией связи, преобразующая цифровые сигналы микроконтроллера в цифровой код последовательного интерфейса. Выход блока 13 обработки сигналов подключается к регистрирующему устройству с помощью проводной или беспроводной линии связи.
Датчик усилия изготавливается из высококачественной листовой стали, обладающей высокими механическими свойствами (36НХТЮ, 30ХГСА, 40X13 и др.) и обработанной с целью получения специальных свойств, необходимых для использования в качестве упругого элемента (температурная стабильность, повторяемость, малый гистерезис и т.д.).
В датчике могут быть использованы тензорезисторы фирмы "ZEMIC" (КНР) или другие тензорезисторы подобного типа, например тензорезисторы, выпускаемые ЗАО "Весоизмерительная компания "Тензо-М" (РФ).
Заявляемый датчик усилия работает следующим образом.
Измеряемое усилие Ρ прикладывается к силовоспринимающим элементам 2 и 3 и передается на упругие элементы 4 и 5, которые под действием усилия деформируются.
При отсутствии груза датчик 1 воспринимает только нагрузку от веса крюковой обоймы. Электрический мост в этом случае может быть сбалансирован (обнулен аппаратными средствами, например, с помощью микроконтроллера), и выходной сигнал на выходе датчика отсутствует.
При наличии груза увеличение действующего усилия приводит к изменению деформации упругих элементов 4 и 5 и тензорезисторы 7 изменяют свое сопротивление. При изменении сопротивления тензорезисторов изменяется выходной сигнал с электрического моста, величина которого соответствует массе груза.
Промышленная применимость
Предлагаемый датчик усилия может быть изготовлен промышленным способом на приборостроительном заводе с использованием известных материалов и технологий.