СИЛОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
FORCE-SENSITIVE ELEMENT

Изобретение относится к весовой технике, в частности к силочувствительным элементам датчиков силы, предназначенным для точного измерения силы небольшой величины в широком диапазоне.
Известен чувствительный элемент датчика силы (А.с. 411331 СССР, МКИ G01L 1/22. Чувствительный элемент / Э.Н. Кривцова, Е.В. Штайгер (СССР). - 2 с.), который выполнен в виде кольцевого ребра с тензорезисторами, навитыми на его цилиндрическую поверхность у кромок, и кольцевой пластины с опорными буртами по наружному и внутреннему диаметрам, разрезанной между буртами на радиальные балочки, выполненные за одно целое с кольцевым ребром, расположенным по их серединам.
Недостатком указанной конструкции является достаточно высокая жесткость опорных буртов, что не позволяет измерять усилия малой величины в широком диапазоне. Кроме того, не удается добиться равномерного распределения деформации тензорезисторов в связи с тем, что деформируется только часть боковой поверхности кольцевого ребра, расположенная около радиальных балок, что снижает точность измерения и, как следствие, уменьшает диапазон измерения усилий. Кроме того, величина деформации тензорезисторов ограничена максимально возможным растяжением навитой тензорезисторной проволоки, что не позволяет измерять усилия в широком диапазоне.
Известна также конструкция датчика силы (А.с. 767575 СССР, МКИ G01L 1/22. Упругий чувствительный элемент / В.П. Дымковский, А.И. Кравченко, В.Ф. Семенюк (СССР). - 2 с.), упругий чувствительный элемент которого выполнен в виде втулки с тензорезисторами, закрепленными на ее боковой поверхности, и силопередающего элемента, изготовленного за одно целое с втулкой и выполненного в виде радиальных рычагов, одни свободные концы которых расположены вне втулки, а другие - внутри нее.
Недостатком указанной конструкции является неравномерность передачи изгибающего момента на втулку с тензорезисторами. Это объясняется тем, что близлежащее сечение к радиальным рычагам имеет больший поворот, чем сечения, удаленные от них, а это приводит к тому, что провод тензорезисторов деформируется не равномерно, следовательно, снижается значение выходного сигнала. Причем из-за неточности изготовления радиальных рычагов деформация тензорезисторов неодинаковая. Все это снижает полезный электрический сигнал. Кроме того, величина деформации тензорезисторов ограничена максимально возможным растяжением тензорезисторной проволоки. Поэтому точность измерения усилий не высока и, следовательно, уменьшается диапазон измерения малых усилий.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является силочувствительный элемент (А.с. 1439417, МПК G01L 1/22, опубл. 23.11.88. Бюл. №43), который содержит упругое кольцо с тензорезисторами, намотанными на его внешней боковой поверхности, и силопередающий элемент в виде радиальных рычагов, выполненных в виде трапеций с криволинейными основаниями, изготовленных за одно целое с упругим кольцом, в котором между радиальными рычагами выполнены радиальные отверстия с выпуклым контуром.
Недостатком указанной конструкции является то, что невозможно с одинаковой точностью измерять малые нагрузки в широком диапазоне. Это связано с тем, что величина деформации тензорезисторов ограничена максимально возможным растяжением навитой тензорезисторной проволоки. Поэтому такие чувствительные элементы применяются только для измерения малых усилий в узком диапазоне.
В этой связи важнейшей задачей является создание новой конструкции силочувствительного элемента, позволяющей измерять усилия меньшей величины, по сравнению с прототипом, и в широком диапазоне с высокой точностью.
Технический результат: повышение точности измерения усилий небольшой величины в широком диапазоне измерения в сторону малых нагрузок.
Поставленный технический результат достигается тем, что силочувствительный элемент содержит упругое кольцо с тензорезисторами, намотанными на его внешней боковой поверхности, и силопередающий элемент в виде радиальных рычагов, выполненных в виде трапеций с криволинейными основаниями, изготовленных за одно целое с упругим кольцом, в котором выполнены радиальные отверстия с выпуклым контуром, при этом дополнительно содержит два жестких кольца меньшего и большего диаметров, относительно диаметра упругого кольца, и разнесенных в осевом направлении, а радиальные рычаги снабжены балками равной толщины и длины, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями, и по меньшим криволинейным основаниям в верхней части радиальные рычаги соединены с большими криволинейными основаниями верхних балок, а по большим криволинейным основаниям в нижней части радиальные рычаги соединены с меньшими криволинейными основаниями нижних балок, при этом для каждого радиального рычага ширина меньшего криволинейного основания каждой нижней балки равна половине ширины также меньшего криволинейного основания верхней балки, причем жесткое кольцо меньшего диаметра с внешней стороны соединено с верхними балками каждого радиального рычага, расположенного внутри упругого кольца по их меньшим криволинейным основаниям, при этом нижние балки каждого радиального рычага, расположенного внутри упругого кольца, по своим большим криволинейным основаниям соединены с верхней частью внутренней стороны упругого кольца, которое по своей нижней части с внешней стороны соединено с верхними балками каждого радиального рычага, расположенного с внешней стороны упругого кольца, по их меньшим криволинейным основаниям, а нижние балки каждого радиального рычага, расположенного с внешней стороны упругого кольца, по своим большим криволинейным основаниям соединены с внутренней стороной жесткого кольца большего диаметра, при этом балки, соединенные с упругим кольцом по ширине меньших криволинейных оснований, равны друг другу, а радиальные отверстия выполнены между балками в его средней части, при этом все три кольца, балки и радиальные рычаги изготовлены за одно целое.
Технический результат достигается и тем, что в чувствительном элементе деформируется только две небольшие части упругого кольца с тензорезисторами, и нижние и верхние балки, соединенные с жесткими рычагами, то есть деформируется непосредственно необходимая часть чувствительного элемента. Расположение радиальных рычагов, разнесенных в осевом направлении, позволяет при приложении одного направления измеряемой силы деформировать две небольшие части упругого кольца вначале в одном направлении, а затем в другом. Введение жестких колец позволяет усилить направление измеряемой деформации. Поэтому тензозорезисторы, включенные в электрический мостик Уинстона, получат деформацию, способствующую увеличению электрического сигнала при воздействии усилий небольшой величины, что позволяет расширять диапазон измерения в сторону малых нагрузок.
В конструкции предлагаемого чувствительного элемента задача расширения диапазона измерения усилий в сторону малых нагрузок достигается тем, что силопередающие элементы разнесены в осевом направлении и снабжены балками, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями, выполняющими функции упругих шарниров. Кроме того, в средней части упругого кольца имеются радиальные отверстия, выполненные между балками. Измеряемая сила P приложена к жестким кольцам и вызывает деформацию упругого кольца, только той его части, где размешены тензоризисторы, то есть деформируется только его минимальная необходимая часть, а деформация упругих шарниров направлена на увеличение деформации упругого кольца, что, по сравнению с прототипом, увеличит точность измерения усилий в широком диапазоне.
На фиг.1 изображен чувствительный элемент - главный вид, совмещенный с разрезом плоскостью, проходящей через ось упругого кольца, - разрез А-А; на фиг.2 - вид сверху, а на фиг.3 и фиг.4 показаны в увеличенном виде фрагменты чувствительного элемента разреза и вида сверху.
a
a
a
a
Устройство чувствительного элемента представлено на фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4 и состоит из упругого кольца 1 с тензорезисторами, 2 показанными условно, силопередающими элементами в виде радиальных рычагов 3 и 4, которые разнесены в осевом направлении и выполнены в виде трапеций с криволинейными основаниями. В средней части упругого кольца 1 с выпуклым контуром выполнены отверстия. Расположение их центров следует из изображений, показанных на главном виде и совмещенном разрезе. Дополнительные жесткие кольца меньшего и большего диаметров относительно диаметра упругого кольца 1 разнесены в осевом направлении и обозначены позициями 5 и 6 соответственно. Радиальные рычаги 3, расположенные внутри упругого кольца 1, снабжены балками 7, 8 равной толщины h и длины b, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями. По меньшим криволинейным основаниям в верхней части радиальные рычаги 3 соединены с большими криволинейными основаниями верхних балок 7, ширина меньшего криволинейното основания которых равна . А по большим криволинейным основаниям в нижней части радиальные рычаги 3 соединены с меньшими криволинейными основаниями нижних балок 8. При этом ширина меньшего криволинейного основания каждой нижней балки 8 равна /2 - половине ширины также меньшего криволинейного основания верхней балки 7. Радиальные рычаги 4 снабжены балками 9, 10 равной толщины h и длины b, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями. По меньшим криволинейным основаниям в верхней части радиальные рычаги 4 соединены с большими криволинейными основаниями верхних балок 9. А по большим криволинейным основаниям в нижней части радиальные рычаги 4 соединены с меньшими криволинейными основаниями нижних балок 10. При этом ширина меньшего криволинейного основания нижней балки 8 равна /2 и равна ширине меньшего криволинейного основания верхней балки 9. Причем ширина меньшего криволинейного основания каждой нижней балки 10 равна /4, то есть равна половине ширины также меньшего криволинейного основания верхней балки 9. При этом для каждого радиального рычага 3 жесткое кольцо 5 меньшего диаметра с внешней стороны соединено с верхними балками 7 по их меньшим криволинейным основаниям. А нижние балки 8, по своим большим криволинейным основаниям соединены с верхней частью внутренней стороны упругого кольца 1. И для каждого радиального рычага 4 упругое кольцо 1 по своей нижней части с внешней стороны соединено с верхними балками 9 по их меньшим криволинейным основаниям. Нижние балки 10 по своим большим криволинейным основаниям соединены с внутренней стороной жесткого кольца 6 большего диаметра. Радиальные отверстия выполнены в средней части упругого кольца. При этом все три кольца 1, 5, 6, балки 7, 8, 9, 10 и радиальные рычаги 3, 4, соединенные как указано на чертежах, в указанной выше последовательности, изготовлены за одно целое. Введенные балки 7, 8, 9 и 10 выполняют функцию упругих шарниров, и их геометрическая середина отмечена точками и является центром поворота. На чертеже показан угол между верхней гранью радиальных рычагов 3, 4 и линией, соединяющей центры поворота упругих шарниров, равный γ.
Предлагаемый чувствительный элемент работает следующим образом (фиг.1). К верхнему жесткому кольцу 5 приложено усилие P, действующие вдоль оси упругого кольца 1, при этом жесткое кольцо 6 опирается и не имеет возможности перемещаться в осевом направлении. Поэтому силопередающие элементы 3, 4 поворачиваются на упругих шарнирах, выполненных в виде балок 7, 8 и 9, 10, что влечет поворот упругого кольца 1. Рассмотрим этот поворот кольца более подробно в зависимости от величины измеряемого усилия.
Под действием усилия P радиальные рычаги 3, 4 повернутся на упругих шарнирах, выполненных в виде балок 7, 8, 9 и 10, поэтому увеличатся расстояния от жесткого кольца 5 до верхней части упругого кольца 1, и от нижней его части до жесткого кольца 6. Поэтому упругое кольцо 1 с тензорезисторами 2 будет поворачиваться, и верхние тензорезисторы будут растягиваться, а нижние сжиматься, а угол γ будет уменьшаться, и при определенном усилии P он будет равен нулю.
При дальнейшем увеличении усилия P балки 7, 8, 9, и 10 будут изгибаться в том же направлении, но силопередающие элементы - рычаги 3 и 4 - потянут упругое кольцо 1 внутрь. Это объясняется тем, что будут уменьшаться расстояния от жесткого кольца 5 до верхней части упругого кольца 1 и от нижней его части до жесткого кольца 6. Поэтому упругое кольцо будет поворачиваться в противоположном направлении. При определенном значении усилия P угол γ примет свое первоначальное значение с обратным знаком, а упругое кольцо 1 займет первоначальное положение.
Дальнейшее увеличение усилия P приведет к изгибу в том же направлении балок 7, 8, 9,и 10, и силопередающие элементы - рычаги 3 и 4 - потянут упругое кольцо также внутрь, так как будут уменьшаться расстояния от жесткого кольца 5 до верхней части упругого кольца 1 и от нижней его части до жесткого кольца 6. Поэтому упругое кольцо будет поворачиваться внутрь. При определенном значении усилия P угол γ примет свое удвоенное значение, но с обратным знаком, а упругое кольцо 1 повернется в другую сторону так, что верхние тензорезисторы 2 будут сжиматься, а нижние растягиваться.
При всем многообразии конструкций аналогичного назначения конструкция в данном виде предложена впервые. Но именно такая конструкция силочувствительного элемента с разнесенными в осевом направлении радиальными рычагами, снабженными балками, выполняющими функции упругих шарниров, выполненных за одно целое и совместно с жесткими кольцами, позволяет эффективно решить задачи его использования для измерения с высокой точностью усилий небольшой величины, что позволяет увеличить в три раза диапазон измерения, в том числе и для малых нагрузок.