ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ

Полезная модель относится к весовой технике, в частности к тензорезисторным датчикам силы, предназначенным для точного измерений сил, в том числе в агрессивных средах.
Известен силоизмерительный датчик (А.С. 424025, МПК G01L 1/22, опубл. 17.09.74. Бюл. №14), содержащий упругий элемент в виде диска с силовоспринимающей частью и стойки для бесклеевых тензорезисторов растяжения сжатия расположенных по окружности с обоих торцов упругого диска, при этом отношение диаметра окружности стоек для тензорезисторов растяжения к диаметру окружности стоек для тензорезисторов сжатия выбрано в пределах 0,6-0,8.
Недостатком такого датчика является то, что необходим корпус, чтобы оградить тензорезисторы от внешней среды, так как они установлены на стойках. Соединение корпуса с упругим диском воспринимает часть приложенного усилия, которое передается деталям указанного соединения, что снижает точность измерения. Наличие корпуса, требует герметичного соединения его с упругим диском, и это соединение при воздействии агрессивной среды разрушается, что приводит к отказу датчика силы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является тензорезисторный датчик силы (А.С. 1035432, МПК G01L 1/22, опубл. 15.08.83. Бюл. №30), содержащий осесимметричную пластину, выполненную за одно целое со столбиками, расположенными по обе стороны пластины по концентрическим окружностям и соединенными с подрезисторными кольцами с размещенными на них винтовыми проволочными тензорезисторами, при этом в месте соединения столбиков и подрезисторных колец выполнены выборки материала, глубина которых равна высоте колец, а периметр образован цилиндрической поверхностью концентричной внешней поверхности подрезисторного кольца и двумя плоскими гранями, параллельными боковым граням соответствующего столбика,
Недостатком указанной конструкции, также как и выше, является то, что необходим корпус для защиты верхнего кольца с проволочными тензорезисторами от воздействия окружающей среды. Поэтому при приложении измеряемого усилия некоторая его часть воспринимается корпусом, что ухудшает показатели точности измерений.
В этой связи важнейшей задачей является создание новой конструкции тензорезисторного датчика силы, позволяющей с повышенной надежностью передавать деформацию тензорезисторам и измерять динамические нагрузки с высокой точностью.
Технический результат: повышение надежности и точности измерения динамических нагрузок, в том числе и в агрессивных средах.
Поставленный технический результат достигается тем, что в тензорезисторном датчике силы, содержащем осесимметричную пластину, выполненную за одно целое со столбиками, расположенными по концентрическим окружностям и соединенными с подрезисторными кольцами, с размещенными на них винтовыми проволочными тензорезисторами, с выполненными вертикальными выборками материала, глубина которых равна высоте подрезисторных колец, по обе стороны осесимметричной пластины расположены два жестких кольца меньшего и большего диаметров, имеющих соответственно оболочки меньшего и большего диаметров, выполненные за одно целое с осесимметричной пластиной, а выборки материала на подрезисторных кольцах выполнены в форме цилиндров с меньшими и большими диаметрами, при этом выборки материала с меньшим диаметром расположены над столбиками, между внутренней и внешней цилиндрическими поверхностями подрезисторных колец, выборки материала с большим диаметром расположены между столбиками и смещены к внутренней цилиндрической поверхности подрезиторных колец, пересекая ее, а ширина сечения столбиков в радиальном направлении увеличивается от подрезисторных колец к осесимметричной пластине.
Жесткие кольца и оболочки большего и меньшего диаметров позволяют расположить подрезисторные кольца во внутренней области тензорезисторного датчика силы, при этом жесткие кольца позволяют соединить их с изготовленными отдельно крышками. Таким образом, измеряемое усилие будет полностью передаваться тензорезисторному датчику силы, что способствует передаче более точных данных, и позволяют производить измерения динамических нагрузок в том числе и в агрессивных средах.
Увеличение ширины сечения столбиков в радиальном направлении от подрезисторных колец к осесимметричной пластине и наличие выборок в подрезисторных кольцах создают условия при которых в оболочке меньшего диаметра снижается уровень максимальных напряжений, следовательно, тензорезисторы получают большую деформацию, что значительно увеличивает точность и надежность измерения динамических нагрузок.
На фиг. 1 изображено осевое сечение тензорезисторного датчика силы и показано осевое сечение; на фиг.2 показан вид сверху.
Тензорезисторный датчик силы представленный на фиг. 1, фиг. 2, состоит из осесимметричной пластины 1, выполненной за одно целое со столбиками 2 и 3, расположенными по концентрическим окружностям и соединенными с подрезисторными кольцами 4 и 5 с размещенными на них винтовыми проволочными тензорезисторами 6 и 7, показанными условно, с выполненными вертикальными выборками материала, отмеченными позициями 8 и 9, глубина которых равна высоте подрезисторных колец 4 и 5. По обе стороны осесимметричной пластины 1 расположены два жестких кольца меньшего 10 и большего 11 диаметров, имеющих соответственно оболочки меньшего 12 и большего 13 диаметров, выполненных за одно целое с осесимметричной пластиной 1. На подрезисторных кольцах 4 и 5 выполнены выборки материала в форме цилиндров с меньшими 8 и большими диаметрами 9, при этом выборки материала с меньшим диаметром 8 расположены над столбиками 2 и 3, между внутренней 14 и внешней 15 цилиндрическими поверхностями подрезисторных колец 4 и 5, а выборки материала с большим диаметром 9 расположены между столбиками 2 и 3 и смещены к внутренней цилиндрической поверхности 14 подрезиторных колец 4 и 5, пересекая ее. Ширина сечения столбиков 2 и 3 в радиальном направлении увеличивается от подрезисторных колец 4 и 5 к осесимметричной пластине 1.
Предлагаемый тнзорезисторный датчик силы работает следующим образом (фиг. 1).Осевая нагрузка P, приложена вдоль оси и действует со стороны жесткого кольца меньшего диаметра 10, а в качестве реакции опоры выступает жесткое кольцо большего диаметра 11. В результате оболочка меньшего диаметра 12 сжимается и влечет изгиб осесимметричной пластины 1. Так как она опирается на оболочку большего диаметра 13, то столбики 2 сжимают верхнее подрезисторное кольцо 4 с тензорезисторами 6, а столбики 3 растягивают нижнее подрезисторное кольцо 5 с тензорезисторами 7. Таким образом, верхние тезорезисторы 6 уменьшают свою длину, а нижние 7 увеличивают, и включенные в электрическую схему мостика Уинстона вырабатывают электрический сигнал пропорциональный приложенному усилию P.
Предлагаемый тензорезисторный датчик силы отличается от прототипа тем, что подрезисторные кольца 4 и 5 с тензорезисторами 6 и 7, расположены во внутренней полости тензорезисторного датчика силы. А жесткие кольца меньшего диаметра 10 и большего 11 не позволяют участвовать в передаче измеряемого усилия корпусным деталям с ними соединенными, например жесткими крышками, которые на фиг. 1 не показаны.
Отметим также существенное отличие от прототипа, заключающееся в том, что столбики 2 и 3 соединены в средней части осесимметричной пластины 1 и ширина сечения каждого столбика 2, 3 в радиальном направлении увеличивается от подрезисторных колец 4 и 5 к осесимметричной пластине 1, и соединены с внутренней стороны, что снижает в оболочке меньшего диаметра 12 уровень максимальных напряжений.
Поэтому в отличие от прототипа деформация передается тензорезисторам с повышенной точностью и надежностью. Все это способствует увеличению точности и надежности измерения динамических нагрузок.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно увеличить точность и надежность измерения динамических нагрузок, в том числе и для измерения в агрессивных средах.