Чувствительный элемент
SENSITIVE ELEMENT

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, может быть использовано для надежного и точного измерения усилий в широком диапазоне, в том числе и малой величины.
Известен тензорезисторный датчик силы, который содержит корпус в виде параллелограмма, образованного верхней и нижней гранями и двумя сквозными поперечными отверстиями с перемычкой - чувствительным элементом между ними и тензорезисторы, размещенные в зонах максимальных деформаций на прилегающих поверхностях отверстий выше и ниже нейтральной оси корпуса [Пат. RU 2437070, МПК G01L 1/22; 20.12.2011].
Недостатком указанной конструкции является то, что измеряемое усилие, воздействуя на верхнюю грань корпуса, перемещается в направлении силы и происходит поворот перемычки и деформация тензорезисторов, что уменьшает плечо приложения силы. Поэтому оказывается нелинейной зависимость деформации тензорезисторов от измеряемого усилия, что уменьшает точность измерения. Кроме того, для измерения усилий малой величины необходимо увеличить длину корпуса, что увеличивает массу подвижной части, а это уменьшает точность измерения. При этом надежность работы, приклеенных тензорезисторов невысока. Это объясняется тем, что воздействия вибрационных нагрузок с кратковременным увеличением амплитуды разрушают клеевую прослойку. Поэтому указанный тензорезисторный датчик силы не получил применения для измерения динамических нагрузок.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является чувствительный элемент, содержащий упругий цилиндрический стержень, оба конца которого снабжены рычагами одинаковой длины и расположены перпендикулярно оси. Упругий стержень имеет на боковой поверхности нарезку, и в ее пазах прижата с помощью натяга тензорезисторная проволока, тензорезисторов сжатия и растяжения [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. Кроме того, чувствительный элемент под воздействием измеряемой нагрузки испытывает деформацию кручения и изгиба. Причем при изгибе длина тензорезисторной проволоки, расположенной в верхней части, увеличивается, а в нижней - уменьшается и в сумме - измеряется только деформация кручения. Однако увеличение деформации части тензорезисторной проволоки снижает верхний предел измеряемого усилия.
Задачей изобретения является создание новой технологичной конструкции чувствительного элемента, позволяющего измерять динамические нагрузки в широком диапазоне с высокой точностью и надежностью, в том числе нагрузок малой величины.
Достигаемый технический результат заключается в повышении точности измерений динамических нагрузок в широком диапазоне, в том числе нагрузок малой величины.
Поставленный технический результат достигается тем, что чувствительный элемент, содержащий упругий стержень с нарезкой глубиной 1,5-2 диаметра тензорезисторной проволоки, оба конца которого снабжены рычагами одинаковой длины и расположены перпендикулярно оси упругого стержня, и тензорезисторную проволоку сжатия и растяжения, разнонаправлено расположенную с натягом во впадинах нарезки, при этом поперечное сечение упругого стержня выполнено в виде прямоугольника с криволинейными сторонами, выпуклыми наружу, с фасками круглой формы, а нарезка выполнена на фасках упругого стержня с шагом, большим диаметра тензорезисторной проволоки, при этом рычаги установлены на большей криволинейной стороне упругого стержня, а на меньшей криволинейной стороне закреплены анкерные концы тензорезисторной проволоки.
Предлагаемый чувствительный элемент отличается от прототипа тем, что поперечное сечение упругого стержня выполнено в виде прямоугольника с криволинейными сторонами, выпуклыми наружу, с нарезкой, выполненной только на малой части упругого цилиндрического стержня, а именно на фасках, круглой формы. Это позволяет упростить технологичность конструкции, значительно уменьшая общую трудоемкость по ее производству, так как нет необходимости располагать тензорезисторную проволоку во впадинах нарезки по всей поверхности, достаточно зафиксировать ее на фасках.
Расположение в конструкции рычагов к одной большей криволинейной стороне упругого стержня позволяет уменьшить деформацию изгиба упругого стержня, поэтому тензорезисторная проволока, расположенная на меньших сторонах сечения будет растягиваться на малую величину пропорционально шагу нарезки. А так как шаг мал и сравним с диаметром тензорезисторной проволоки, то и деформация тензорезисторной проволоки, будет незначительной. Поэтому расширяется предел измерения нагрузок, в том числе и малой величины.
На фиг. 1 изображен чувствительный элемент – вид спереди, на фиг. 2 изображен чувствительный элемент, вид сверху, на фиг. 3 изображен чувствительный элемент, в поперечном разрезе, на фиг. 4 показано расположение тензорезисторной проволоки растяжения в нарезке вид А и на фиг. 5 - разрез Б-Б, поясняющий фаску с нарезкой.
Чувствительный элемент содержит упругий стержень 1, оба конца которого снабжены рычагами 2 и 3 одинаковой длины и установленными на большей криволинейной стороне упругого стержня 1. Поперечное сечение упругого стержня 1 выполнено в виде прямоугольника с криволинейными сторонами, выпуклыми наружу, и с фасками круглой формы. Нарезка 4 выполнена на фасках, глубина нарезки составляет 1,5-2 диаметра тензорезисторной проволоки, и поэтому деформация ее растяжения не зависит от глубины нарезки. Тензорезисторные проволоки растяжения 5, 6 и сжатия 7, 8 с натягом размещены на поверхности упругого стержня 1 и зафиксированы с помощью клея 9 (фиг. 5) во впадинах нарезки 4, выполненной на фасках круглой формы упругого стержня 1. Шаг нарезки 4, выполненный больше диаметра тензорезисторной проволоки, позволяет расположить отдельно каждый ее виток на боковой поверхности упругого элемента 1 (фиг. 4). Анкерные концы 9 тензорезисторной проволоки 5-8 расположены на меньшей боковой поверхности упругого стержня 1.
Предлагаемый чувствительный элемент (фиг. 1) работает следующим образом.
Измеряемая нагрузка P приложена к рычагам 2 и 3. При этом место приложения на рычаге 2 и закрепления на рычаге 3 показано на фиг 1 условно закрашенной окружностью малой величины, а на фиг. 2 закрепление показано штриховкой, примыкающей к рычагу 2.
В результате упругий цилиндрический стержень будет испытывать деформацию кручения и изгиба. Поэтому тензорезисторная проволока тензорезисторов 5 и 6 будет растягиваться, а тензорезисторов 7 и 8 - сжиматься.
Следовательно, их включение по схеме полного электрического дифференциального моста на выходе даст электрическое напряжение, которое пропорционально деформации, что и является мерой измеряемого усилия.
Расположение в конструкции чувствительного элемента рычагов к одной большей криволинейной стороне упругого стержня позволяет уменьшить деформацию изгиба упругого стержня. Поэтому деформация от изгиба для предлагаемой конструкции будет определяться по известной формуле, которую запишем в виде:
где P - величина измеряемой нагрузки,  - длина упругого стержня, b - ширина сечения стержня h - высота сечения стержня, Е- модуль упругости материала стержня (фиг. 1, фиг. 2). Деформация изгиба для прототипа будет определяться также по известной формуле, в наших обозначениях она будет иметь вид:
Здесь c - геометрическая длина рычага и D - диаметр упругого стержня в прототипе (фиг. 1). Полагая b=D и  а высоту сечения стержня, равной h=1,25×D, получаем, что деформация изгиба стержня предлагаемой конструкции составляет 77% деформации изгиба упругого стержня в прототипе. Поэтому предлагаемую конструкцию можно использовать для измерения больших нагрузок, по сравнению с прототипом, что расширяет диапазон измерения нагрузок.
Отметим также, что в предлагаемом чувствительном элементе длина участка проволоки, расположенная на короткой стороне сечения, будет пропорциональна шагу нарезке и равна 0,003×b, а в прототипе тензорезисторная проволока расположена под углом 45° к оси упругого стержня, поэтому длина участка растяжения будет приблизительно равна 0,7×b (фиг. 3). Следовательно, величина деформации изгиба в предлагаемой конструкции значительно меньше, чем в прототипе, что также расширяет диапазон измерения нагрузок в сторону увеличения их значений.
Отметим, что величина деформации тензорезисторной проволоки тензорезисторов растяжения 5, 6, и тензорезисторов сжатия 7 и 8 пропорциональна длине рычага. Поэтому, если расположить рычаг 3 с противоположной стороны упругого стержня 1, то величина деформации тензорезисторов растяжения 5, 6 и сжатия 7 и 8 будет такой же, как и для варианта, представленного на фиг. 1, 2 и 3.
Таким образом, упругий стержень чувствительного элемента с сечением в виде прямоугольника с криволинейными выпуклыми сторонами и фасками круглой формы, с выполненной на них нарезкой для размещения тензорезисторной проволоки, а также расположения на его большей криволинейной поверхности рычагов чувствительного элемента, обеспечивают повышение точности измерений динамических нагрузок в широком диапазоне, в том числе нагрузок малой величины.