СОСТАВНОЙ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СИЛЫ

Полезная модель касается конструкции тензометрического датчика силы консольного балочного типа.
Традиционная конструкция балочного консольного тензометрического датчика имеет цельный корпус в форме параллелепипеда. На боковых сторонах датчика выполнены два соосных глухих отверстия, разделенных тонкой перегородкой с приклеенными на ней терморезисторами. В корпусе имеются также два отверстия для закрепления датчика одним концом на опоре и отверстие для установки на свободном конце датчика узла, воспринимающего измеряемую силу. В теле датчика предусмотрен канал для вывода кабеля от тензорезисторов (см., например. рекламные проспекты 2005 г. фирм, производящих аналогичные датчики,: SUN SCALE INC.; Precision Transducers Ltd.; прилагаются). Таким образом, корпус датчика имеет три функциональные зоны. Центральная зона является измерительной, в ней размещена тонкая перегородка с тензорезисторами, Одна из концевых зон служит для монтажа, а вторая служит силовоспринимающей, нагружаемой.
В зависимости от диапазонов измеряемых сил датчики унифицированы по габаритам и присоединительным размерам.
Корпус изготавливается из специальных дорогостоящих материалов с высоким модулем упругости в рабочем диапазоне температур и нагрузок, минимальным гистерезисом деформаций цикла нагружения - разгружения и стабильностью показателей во время всего срока службы. Подобные материалы имеют как высокую упругость, так и твердость, которая затрудняет и усложняет механическую обработку с требуемой для обеспечения рабочих параметров датчиков высокой точностью и чистотой поверхностей. Так для изготовления корпуса датчика традиционной конструкции требуется минимум 9 фрезерных операций и 4 сверлильных, одна из которых на большую глубину и малым диаметром.
Для использования традиционных унифицированных датчиков в специфических силоизмерительных устройствах приходится изготавливать дополнительные переходные узлы как для крепления, так и для нагружения, что усложняет и удорожает устройства в целом, либо разрабатывать датчики, адаптированные к устройствам.
При этом калибровка уникальных датчиков не может быть выполнена на традиционных установках и требует применения либо переходных узлов, либо изготовления адаптированных под уникальные датчики специальных установок калибровки.
В патенте США №6555767 от 29.04.2003 г., МПК: G01L 1/04 предлагается конструкция составного датчика, в котором измерительная часть из материала со специальными свойствами состоит из двух расположенных друг над другом пластин с приклеенными тензорезисторами, а фая пластин находятся с одной стороны в нагружаемой части, а с другой стороны в монтажной. При этом нагружаемая, измерительная и монтажная части образуют монолитную неразборную конструкцию, выполненную путем запрессовки минимум двух пар пластин в пластик и применяются в узкоспециальной конструкции весов.
Другая конструкция составного датчика, состоящего из измерительной, монтажной и нагружаемой частей, изготовленных из разных материалов с разными модулями упругости, предложена в патенте США №5604336 от 18.02.1997 г., МПК: G01G 3/08. Подобная конструкция является наиболее близкой предлагаемому решению. В указанном патенте предлагается изготавливать концевые части датчика из материала с модулем упругости, который минимум на 50% больше, чем у материала средней измерительной части. В качестве наиболее предпочтительного варианта предложено изготовление концевых частей из стали, а измерительной части из алюминия, при этом модули упругости концевых частей должны быть в 3 раза больше модуля упругости измерительной части. Недостатком предложенного в патенте датчика является узкая область применения только для строго определенных изделий, а также большая по сравнению с традиционным датчиком трудоемкость конструкции, так как концевые части предлагается выполнять по форме и профилю сечения как продолжения центральной части способом фрезерования.
Задача предлагаемого решения - уменьшение трудоемкости изготовления консольных тензометрических датчиков, а также унификация датчиков за счет использования одного измерительного узла для различных вариантов крепления и нагружения датчика.
Для решения поставленной задачи в составном тензометрическом датчике силы, имеющем соединенные между собой измерительную, нагружаемую и монтажную части, внесены конструктивные изменения. Измерительная часть снабжена двумя боковыми соединительными выступами цилиндрической формы, а нагружающая и монтажная части - цилиндрическими отверстиями, которые выполнены с возможностью взаимодействия с соединительными выступами измерительной части.
Кроме того, из высокотвердого материала выполнена только измерительная часть, а нагружаемая и монтажная части из обычного конструкционного материала, или все его части могут быть выполнены из стали.
Все части соединены путем установки концевых частей в нагретом состоянии на выступы измерительной части.
Для защиты измерительной части 1 датчика от напряжений натяга от частей 8 и 11, между элементами 1 и 2, а также 1 и 3 выполнены боковые канавки 17. Грани 18 вместе с перегородкой 6 формируют профиль сечения А-А в виде двутавра.
Размеры элементов конструкции подобраны так, что упрощается токарная обработка поверхностей.
Возможны различные варианты выполнения деталей конструкции. Диаметры отверстий 10 и 12 могут быть равны. Паз 15 и грани 18 могут отсутствовать.
Предлагаемое конструктивное решение сборного датчика позволяет изготавливать из высокотвердого специального материала только измерительную часть 1. Остальные части можно изготавливать из обычных конструкционных материалов, более легких в обработке. Также сложные операции фрезерования заменены на более простые и менее трудоемкие операции токарной обработки. Суммарная площадь фрезерованных поверхностей у такого датчика на порядок меньше, чем у традиционного датчика.
На фиг.2 показан разрез общего вида собранного датчика. Предлагаемая конструкция датчика позволяет использовать его для широкого спектра измерений. Для этого достаточно изменить нагружаемую часть 8 или монтажную часть 11, оставив неизменной измерительную часть 1.
На фиг.3 показан вариант датчика, монтажная часть 11 которого снабжена фланцем 19, что позволяет крепить датчик на вертикальную плоскость.
На фиг.4 показан вариант датчика для измерения нагрузки на ось вращения, нагружаемая часть с подшипником качения, закрепленным гайкой с шайбой, а монтажная часть имеет конусный вылет и закреплена в ответном конусном отверстии гайкой с шайбой, что обеспечивает легкую и точную установку или замену;
На фиг.5 показана установка датчика в платформенных весах. Для этого нагружаемая часть 8 снабжена опорой.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет:
- уменьшить трудоемкость изготовления датчика за счет замены специального высокотвердого трудно обрабатываемого материала на обычный конструкционный в нагружаемой и монтажной частях и заменой операций фрезерования на операции токарной обработки;
- упростить технологию производства датчиков за счет изменения формы узлов датчика с прямоугольной на цилиндрическую, что позволило упростить обработку деталей;
- унифицировать датчики путем использования единых измерительных частей и замены нагружающих и монтажных частей в зависимости от задач измерения.
Подобное решение задачи способствует снижению трудоемкости при производстве датчиков, снижению их стоимости и повышению конкурентоспособности.