ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
SENSITIVE ELEMENT

Изобретение относится к измерительной технике, в частности может быть использовано для надежного и точного измерения усилий большой величины в широком диапазоне.
Известен чувствительный элемент, содержащий упругий цилиндрический стержень, оба конца которого, снабжены рычагами одинаковой длины и расположенными перпендикулярно его оси. На боковой поверхности упругого стержня с сечением в виде прямоугольника со скругленными фасками, на которых выполнена нарезка в виде резьбы, и в ее пазах прижата, с помощью натяга тензорезисторная проволока тензорезисторов сжатия и растяжения [Пат. RU 2629918, МПК G01L 1/00, 04.09.2017].
Недостатком указанной конструкции является то, что при использовании ее для измерения больших нагрузок, значительно увеличиваются габариты чувствительного элемента (ее целесообразно использовать для измерения малых нагрузок). При этом возрастает величина изгибной деформации, как самого упругого стержня, так и рычагов, что снижает точность измерения нагрузок.
Наиболее близким является чувствительный элемент, содержащий упругий цилиндрический стержень, с нарезкой глубиной 1,5-2 диаметра тензорезисторной проволоки, оба конца которого снабжены силовоспринимающими элементами - рычагами одинаковой длины, расположенными перпендикулярно оси упругого стержня, и тензорезисторную проволоку сжатия и растяжения, разнонаправленно расположенную с натягом во впадинах нарезки [А.с. SU 1550339, МПК G01L 1/22; 15.03.1990].
Недостатком указанной, конструкции, является затруднительность размещения тензорезисторной проволоки в пазах нарезки, так чтобы проволока не касалась корпуса чувствительного элемента. Особенная сложность установки тензорезисторной проволоки наблюдается в верхних и нижних частях нарезки. Это объясняется тем, что направление нарезки изменяется, становится противоположным. Плавное изменение осуществляется по цилиндрической поверхности. Поэтому на этих участках тензорезисторная проволока испытывает как деформацию сжатия, так и растяжения, что уменьшает суммарную величину деформации сжатия. Это в конечном итоге уменьшает диапазон измерения нагрузок, особенно в начале диапазона, за счет снижения чувствительность измерения. Все это понижает точность измерения чувствительным элементом нагрузок.
В этой связи важнейшей задачей является создание новой технологичной конструкции чувствительного элемента, предназначенного для измерения динамические нагрузки большой величины в широком диапазоне, обладающей упрощенной установкой тензорезисторной проволоки на чувствительном элементе.
Техническим результатом изобретения является измерение динамических нагрузок в широком диапазоне с высокой точностью и надежностью, в том числе большой величины.
Поставленный технический результат достигается при использовании чувствительного элемента, предназначенного для измерения динамических нагрузок, содержащего упругий цилиндрический стержень с разнонаправленной двухзаходной нарезкой глубиной два диаметра тензорезисторной проволоки, оба конца которого снабжены силовоспринимающими элементами, и разнонаправлено расположенные с натягом во впадинах нарезки тензорезисторную проволоку сжатия и тензорезисторную проволоку растяжения, расположенную по цилиндрической поверхности стержня, при этом тензорезисторная проволока сжатия расположена вдоль упругого цилиндрического стержня над тензорезисторной проволокой растяжения, силовоспринимающие элементы выполнены в виде верхней и нижней крышек, с выполненными на их внутренних поверхностях коническими выборками заданной конусности, по которым крышки прижаты, соответственно, к верхней и нижней фаскам
заданной конусности, выполненным на упругом цилиндрическом стержне, плавно сопрягающимся с его цилиндрической и торцевыми сферическими поверхностями, причем нарезка под тензорезисторную проволоку сжатия выполнена по всей высоте фасок, вблизи заданной плоскости осевого сечения, а нарезка под тензорезисторную проволоку растяжения выполнена в средней части упругого цилиндрического стержня в местах наложения тензорезисторов сжатия.
Упругий цилиндрический стержень чувствительного элемента выполнен с разнонаправленной нарезкой прямоугольного профиля на части поверхности стержня.
Силовоспринимающие элементы выполнены в виде верхней и нижней крышек, имеющих коническую выборку, заданной конусностью, по которым крышки прижаты соответственно к верхней и нижней фаскам заданной конусности, выполненной на упругом цилиндрическом стержне. Фаски заданной конусности, соответствующей конусности выборок на крышках, выполненные на упругом цилиндрическом стержне плавно сопрягаются с цилиндрической боковой и сферической торцевой поверхностями стержня.
Верхняя крышка сверху ограничена сферической поверхностью, а нижняя снизу имеет кольцевой выступ.
Для тензорезисторов сжатия по всей высоте фасок, вблизи заданной плоскости осевого сечения, выполнена по винтовой линии двухзаходная нарезка, которая плавно сопрягается с поверхностями упругого стержня. Для тензорезисторов растяжения, в средней части упругого цилиндрического стержня в местах наложения тензорезисторов сжатия (места, где тензорезисторная проволока сжатия проходит над тензорезисторной проволокой растяжения), с противоположных сторон цилиндрического стержня, выполнена двухзаходная нарезка, плавно сопрягающаяся с цилиндрической поверхностью стержня.
Глубина впадины нарезки составляет два диаметра тензорезисторной проволоки, расположенной с натягом во впадинах нарезки, образуя тензорезисторы сжатия, а над ними - тензорезисторы растяжения. Тензорезисторная проволока расположена в двухзаходной нарезке, что приводит к одинаковой величине деформации расположенных рядом тензорезисторов.
Изготовление новой конструкции с нарезкой выполненной только на малой части упругого цилиндрического стержня, именно на верхней и нижней фасках, и на части цилиндрической поверхности, значительно снижают трудоемкость установки тензорезисторной проволоки. Выполнение нарезки прямоугольного профиля, плавно сопрягающегося с поверхностью упругого цилиндра обеспечивает одинаковую установку каждого участка тензорезисторной проволоки.
Применение в конструкции двух крышек цилиндрической формы позволяет не только упростить формирование тензорезисторов сжатия, но и без значительного изменения формы упругого элемента, увеличить зону измерения деформации, так как тензорезисторная проволока, расположена дополнительно и на сферических торцевых поверхностях упругого цилиндрического стержня.
Усилие, приложенное по конической поверхности фасок, раскладывается на три взаимно ортогональные направления: осевое, по касательной и по нормали к параллели конической поверхности фасок. Последние два направления вызывают деформацию сжатия сферической поверхности, что передается тензорезисторам сжатия. Поэтому расширяется предел измерения усилий, в том числе и большой величины.
На фиг. 1 изображен чувствительный элемент, на фиг. 2 изображен вид сверху - «А», на фиг. 3 показано расположение тензорезисторной проволоки сжатия на упругом стержне - выносной элемент «Б», на фиг. 4 показано сопряжение нарезки и расположение тензорезисторной проволоки сжатия на сферической торцевой поверхности упругого стержня - выносной элемент «В», на фиг. 5 показано взаимное расположение тензорезисторных проволок сжатия над тензорезисторными проволоками растяжения - выносной элемент «Г».
Чувствительный элемент состоит из упругого цилиндрического стержня 1 и силовоспринимающих элементов, выполненных в виде верхней 2 и нижней 3 крышек, расположенных по концам упругого цилиндрического стержня 1. На внутренних поверхностях верхней 2 и нижней 3 крышек выполнены конические выборки заданной конусности «1:К», по которым крышки 2 и 3 прижаты, соответственно, к верхней и нижней фаскам заданной конусности «1:К» (величина конусности зависит от измеряемого диапазона), выполненным на упругом цилиндрическом стержне 1 и соответствующим конусности конических выборок на крышках 2 и 3. При этом верхняя крышка 2 сверху ограничена сферической поверхностью, а нижняя 3 снизу имеет кольцевой выступ.
Верхняя и нижняя фаски, выполненные на упругом цилиндрическом стержне, плавно сопрягаются с его цилиндрической и торцевыми сферическими поверхностями. На поверхности упругого цилиндрического стержня по винтовой линии выполнена разнонаправленная двухзаходная нарезка 4 и 5 с глубиной впадины соответствующей двум диаметрам тензорезисторной проволоки. Нарезка 4 и 5 выполнена прямоугольного профиля и ограничена поверхностями, плавно сопрягающимися с поверхностями упругого стержня 1. При этом нарезка 4 выполнена по всей высоте фасок упругого цилиндрического стержня 1 под углом к его оси. Нарезка 5 выполнена поперек упругого стержня 1 на части его цилиндрической поверхности, в средней части упругого цилиндрического стержня 1 в местах потенциального «наложения» тензорезисторов сжатия 6, 7.
Во впадинах нарезки разнонаправлено расположены с натягом тензорезисторная проволока растяжения 8, 9 - расположенная поперек цилиндрической поверхности стержня 1, и тензорезисторная проволока сжатия 6, 7 - расположенная вдоль упругого цилиндрического стержня 1 (под углом к его оси) над тензорезисторной проволокой растяжения 8, 9.
Тензорезисторная проволока 6, 7, 8, 9 расположена в двухзаходной нарезке, что приводит к одинаковой величине деформации рядом расположенных тензорезисторов. Это способствует повышению точности измерения приложенной нагрузки.
Предлагаемый чувствительный элемент работает следующим образом. Измеряемая нагрузка Р приложена к верхней крышке 2 и опирается на нижнюю 3, воздействует на упругий цилиндрический стержень 1 по конической поверхности фасок. Это усилие раскладывается на три взаимно ортогональные направления: осевое, по касательной и по нормали к параллели конической поверхности фасок. Эти усилия вызывают деформацию сжатия сферической и цилиндрической поверхностей упругого цилиндрического стержня 1, что передается тензорезисторам сжатия 6 и 7. Осевое сжатие цилиндрической поверхности упругого цилиндрического стержня 1 вызывает расширение цилиндрической поверхности, что передается тензорезисторам растяжения 8 и 9.
Поэтому электрическое сопротивление тензорезисторов 8 и 9 увеличивается, а тензорезисторов 6 и 7 уменьшается. Следовательно, тензорезисторы 8, 9 и 6, 7 включенные в соответствующие плечи электрического моста Уинстона, на выходе дают электрическое напряжение. Поэтому электрический разбаланс моста Уинстона будет являться мерой измеряемого усилия.
Применение в конструкции двух крышек ограниченных изнутри коническими поверхностями, прижатыми к фаскам упругого цилиндрического стержня, позволяет в нем равномерно распределить поле напряжений. Поэтому тензорезисторам передается деформация значительной величины.
Таким образом, при использовании чувствительного элемента, содержащего упругий цилиндрический стержень, оба конца которого снабжены силовоспринимающими элементами, в виде верхней и нижней крышек, с выполненными на их внутренних поверхностях коническими выборками заданной конусности, по которым крышки прижаты, соответственно, к верхней и нижней фаскам заданной конусности, выполненным на упругом цилиндрическом стержне, плавно сопрягающимся с его цилиндрической и торцевыми сферическими поверхностями, в котором нарезка под тензорезисторную проволоку сжатия выполнена по всей высоте фасок, вблизи заданной плоскости осевого сечения, а нарезка под тензорезисторную проволоку растяжения выполнена в средней части упругого цилиндрического стержня в местах наложения тензорезисторов сжатия, и разнонаправлено расположенные с натягом во впадинах нарезки тензорезисторную проволоку сжатия и тензорезисторную проволоку растяжения, обеспечивается измерение динамических нагрузок в широком диапазоне с высокой точностью и надежностью, в том числе большой величины.