ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ УСИЛИЙ
SENSOR FOR MEASURING LONGITUDINAL FORCES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для защиты грузоподъемных машин и механизмов от перегрузок, в высокоточных тензометрических весах, а также в качестве преобразователя механических величин (давления, перемещения, деформации, усилия) в электрический сигнал в различных отраслях промышленности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание датчика для измерения продольных усилий с повышенной точностью измерения при одновременном воздействии продольного усилия и крутящего момента вокруг продольной оси.
Известен датчик для измерения продольных усилий, содержащий концевые силовоспринимающие части, выполненные за одно целое со средней чувствительной частью, отделенной от силовоспринимающих частей двумя встречными поперечными прорезями, и тензорезисторное устройство для измерения деформации чувствительной части. Прорези выполнены до оси симметрии датчика. Для формирования чувствительной части на боковых поверхностях средней части датчика под углом 45° выполнены два паза. Силовоспринимающие концевые части 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 (см. авторское свидетельство СССР №1696915 A1, G01L 1/22, 09.01.1991).
Наличие косонаправленной площадки обеспечивает равные деформации по всему сечению чувствительной части и одинаковую поперечную жесткость по ее длине, что позволяет уменьшить погрешности измерения усилия при смещении точки приложения внешнего усилия относительно оси симметрии датчика, а также обеспечивает независимость результатов измерений от размеров тензорезистора и конкретного места приклеивания его на косонаправленной площадке чувствительной части.
Однако реализация в полной мере преимуществ косонаправленной площадки определяется точностью ее изготовления и существенно зависит от технологических возможностей изготовителя, в частности от наличия инструмента для формирования косонаправленной площадки. В данном изобретении на точность измерения усилия упругих характеристик влияет наличие клеевого соединения, что увеличивает погрешность измерения усилия при изменении температуры и при длительном сроке эксплуатации датчика. Наиболее существенное изменение характеристик клеевого соединения происходит при циклических изменениях температуры в диапазоне от -50 до +50°С, что ограничивает использование данного изобретения в устройствах, эксплуатирующихся вне помещений (на улице).
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является датчик для измерения продольных усилий, содержащий концевые силовоспринимающие части, выполненные за одно целое со средней чувствительной частью, отделенной от силовоспринимающих частей двумя встречными поперечными прорезями, и тензорезисторное устройство для измерения деформации чувствительной части, чувствительная часть выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда, боковые грани которого, примыкающие к поперечным прорезям, имеют форму квадрата, в параллелепипеде по центру квадрата выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, перпендикулярное продольной оси датчика, а тензорезисторное устройство расположено внутри сквозного отверстия в плоскости продольной симметрии датчика и включает в себя упругую измерительную балочку с тензорезисторами, установленную перпендикулярно продольной оси датчика и симметрично относительно ее, и две опоры, соединяющие концы измерительной балочки с внутренней стенкой цилиндрического отверстия в зонах, прилегающих к точкам пересечения диагонали квадратной боковой грани со стенкой указанного отверстия.
Кроме того, первая опора выполнена в виде выступа на внутренней стенке цилиндрического отверстия в зоне, прилегающей к точке пересечения ее диагональю квадратной боковой грани, и первый конец измерительной балочки закреплен непосредственно на указанном выступе, а вторая опора выполнена в виде выступа на внутренней стенке цилиндрического отверстия в зоне, прилегающей к диаметрально противоположной точке пересечения диагонали квадратной боковой грани с внутренней стенкой отверстия, и силопередающего устройства, соединяющего указанный выступ со вторым концом измерительной балочки.
Силопередающее устройство выполнено в виде платформы и двух ленточных тяг, соединяющих платформу с выступом.
Кроме того, на внутренней поверхности стенки цилиндрического отверстия выполнен дополнительный выступ для крепления монтажной платы выводов тензорезисторов, а в прилегающей к указанному выступу стенке цилиндрического отверстия выполнено сквозное отверстие для гермовыводов проводки монтажной платы, при этом в противоположной стенке цилиндрического отверстия выполнено компенсирующее отверстие, закрытое герметизирующей заглушкой.
Выступы на внутренней поверхности цилиндрического отверстия и силопередающее устройство выполнены за одно целое со средней чувствительной частью.
Цилиндрическое сквозное отверстие в чувствительной части датчика закрыто с двух сторон герметизирующими заглушками.
Измерительная балочка может быть выполнена из монокристаллического кремния (см. патент РФ №2175117, G01L 1/22, опубл. 20.10.2001). Устройство принято за прототип.
Недостатком известного датчика является снижение точности измерения продольных усилий и уменьшение срока эксплуатации датчика при одновременном воздействии продольного усилия и крутящего момента вокруг продольной оси датчика, вызывающего скручивание сквозного отверстия внутри датчика и, как следствие, деформацию измерительной балочки перпендикулярно ее продольной оси, приводящее к появлению паразитного выходного сигнала и в отдельных случаях к разрушению балки.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерения продольных усилий при одновременном воздействии продольного усилия и крутящего момента вокруг продольной оси.
Технический результат достигается тем, что в известном датчике для измерения продольных усилий, содержащем концевые силовоспринимающие части, выполненные за одно целое со средней чувствительной частью, отделенной от силовоспринимающих частей двумя встречными поперечными прорезями и имеющей форму прямоугольного параллелепипеда, боковые грани которого, примыкающие к поперечным прорезям, имеют форму квадрата, в параллелепипеде по центру квадрата выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, перпендикулярное продольной оси датчика, внутри сквозного отверстия расположено тензорезисторное устройство, включающее в себя упругую измерительную балочку с тензорезисторами, установленную перпендикулярно продольной оси датчика и симметрично относительно ее, и две опоры, на которых закреплена балочка, согласно изобретению коаксиально со сквозным отверстием в плоскости продольной симметрии датчика расположен кольцевой упругий элемент, жестко соединенный с чувствительной частью двумя узкими перемычками, расположенными симметрично вдоль поперечной оси кольцевого упругого элемента, ширина и толщина которых равна ширине упругого кольца, при этом опоры для крепления балочки жестко закреплены на внутренней поверхности кольцевого упругого элемента в зонах пересечения диагонали квадратной боковой грани с внутренней стенкой указанного кольцевого упругого элемента и выполнены за одно целое с ним.
Сущность изобретения заключается в том, что размещение коаксиально со сквозным отверстием в плоскости продольной симметрии датчика кольцевого упругого элемента, жестко соединенного с чувствительной частью двумя перемычками, расположенными симметрично вдоль поперечной оси кольцевого упругого элемента, на внутреннем стенке которого закреплены две опоры, соединяющие концы измерительной балочки с кольцевым упругим элементом в зонах, прилегающих к точкам пересечения диагонали квадратной боковой грани с внутренней стенкой кольцевого упругого элемента, позволяют резко снизить деформацию измерительной балочки в направлении перпендикулярной ее продольной оси при приложении вместе с продольным усилием крутящего момента вокруг продольной оси датчика. Это обеспечивается тем, что при воздействии крутящего момента кольцевой упругий элемент с расположенным внутри него тензорезисторным устройством поворачивается на жестких перемычках вместе со средней чувствительной частью датчика, при этом положение тензорезистивного устройства относительно кольцевого упругого элемента остается практически неизменным. При ширине и толщине перемычек, равных ширине упругого элемента, при продольном нагружении датчика происходит сдвиговая деформация упругого кольца, которая приводит к относительному смещению опор и деформации измерительной балочки.
На фиг.1 изображен предлагаемый датчик без герметизирующих заглушек, общий вид, на фиг.2 - разрез по I-I.
Датчик для измерения продольных усилий содержит корпус 1 в форме прямоугольного параллелепипеда, имеющего концевые силовоспринимающие части 2, 3, выполненные за одно целое со средней чувствительной частью 4, отделенной от силовоспринимающих частей 2, 3 двумя встречными поперечными прорезями 5 и 6. Чувствительная часть 4 также выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда, боковые грани 7 и 8 которого, примыкающие к поперечным прорезям 5 и 6, имеют форму квадрата ABCD. В чувствительной части 4 по центру квадрата выполнено сквозное цилиндрическое отверстие 9, перпендикулярное продольной оси датчика, внутри которого коаксиально с отверстием и симметрично относительно передней 7 и задней 8 граней прямоугольного параллелепипеда расположен кольцевой упругий элемент 10, жестко соединенный с чувствительной частью 4 двумя перемычками 11 и 12, расположенными симметрично вдоль поперечной оси кольцевого упругого элемента, ширина и толщина перемычек равна ширине упругого кольцевого элемента. Внутри кольцевого упругого элемента 10 расположено тензорезисторное устройство, включающее в себя упругую измерительную балочку 13 с тензорезисторами 14, установленную перпендикулярно продольной оси датчика и симметрично относительно ее, и две опоры 15 и 16, соединяющие концы измерительной балочки 13 с внутренней стенкой кольцевого упругого элемента 10 в зонах, прилегающих к точкам Е и F пересечения диагоналей квадратной боковой грани с внутренней стенкой кольцевого упругого элемента 10.
Первая опора 15 представляет собой консольный выступ на внутренней стенке кольцевого упругого элемента 10 в зоне, прилегающей к точке E, имеющий прямоугольную площадку для крепления монтажной колодки 17, и платформу 18 для крепления первого конца измерительной балочки 13. Вторая опора 16 имеет выступ на внутренней стенке кольцевого упругого элемента в зоне, прилегающей к диаметрально противоположной точке F, и силопередающее устройство 19, включающее в себя платформу 20 для крепления второго конца измерительной балочки и две ленточные тяги 21, соединяющие платформу с выступом. Крепление измерительной балочки к платформам 18 и 20 может осуществляться с помощью клея. Измерительная балочка 13 изготовлена из монокристаллического кремния со сформированными на ней диффузионными тензорезисторами 14, объединенными в схему четырехплечего активного моста.
В силовоспринимающих частях 2 и 3 выполнены резьбовые отверстия 22 для крепления к датчику элементов, передающих измеряемое усилие.
Опоры 15, 16 на внутренней поверхности кольцевого упругого элемента, силопередающее устройство 19, кольцевой упругий элемент 10 и перемычки 11, 12 изготовлены за одно целое со средней чувствительной частью 4.
Предлагаемый датчик работает следующим образом.
При нагружении датчика 1 измеряемым усилием Р силовоспринимающие части 2, 3 передают указанное усилие на среднюю чувствительную часть 4, которая деформируется под действием указанного усилия и через жесткие перемычки 11, 12 вызывает сдвиговую деформацию кольцевого упругого элемента 10. Деформация кольцевого упругого элемента 10 приводит к смещению относительно друг друга точек Е и F пересечения диагонали АС с внутренней стенкой кольцевого упругого элемента 10. Смещение точек Е и F передается на измерительную балочку 13, вызывая деформацию тензорезисторов 14, сформированных на балке. Тензорезисторы 14 изменяют свое сопротивление, мост разбалансируется, и на его измерительной диагонали возникает напряжение, величина которого пропорциональна приложенному усилию.
При наложении на продольное усилие крутящего момента относительно продольной оси датчика кольцевой упругий элемент 10 с расположенным внутри него тензорезисторным устройством поворачивается на жестких перемычках 11, 12 вместе со средней чувствительной частью датчика 4, при этом положение тензорезистивного устройства относительно кольцевого упругого элемента 10 остается практически неизменным, благодаря чему воздействие крутящего момента не приводит к появлению в измерительной диагонали паразитного выходного сигнала.
Заявленное изобретение может быть изготовлено промышленным способом с использованием современных материалов и технологий, что подтверждает его промышленную применимость.