ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИЛЫ
TENSORESISTOR FORCE TRANSDUCER

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тензорезисторным преобразователям силы, и может быть использовано в разработке и изготовлении датчиков для измерения диапазонов малых давлений.
Известен преобразователь силы, содержащий упругий элемент, плоскую балку, с установленными на нем тензорезисторами [1]. Плоская балка имеет прямоугольное поперечное сечение. Тензорезисторы установлены в зонах возникновения максимальных напряжений, в зоне деформации сжатия и зоне деформации растяжения.
Недостатком известного преобразователя силы является растянутость зон деформации при измерении давлений, низкая чувствительность, нелинейность распределения напряжений по плоскости упругого элемента, низкая чувствительность и динамические свойства.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению (прототипом) [2] является тензорезисторный преобразователь силы, содержащий упругий элемент, балку прямоугольного сечения с четырьмя сквозными отверстиями и пропилами нижней стороны, измеряемое усилие передается через силопередающий элемент, расположенный посередине между парами отверстий, и установленными на него тензорезисторами. Тензорезисторы установлены (например, методами вакуумного напыления) на верхнюю поверхность упругого элемента над отверстиями.
Недостатком конструкции упругого элемента является низкая жесткость упругого элемента, что снижает чувствительность в диапазоне малых давлений, уменьшает теплоустойчивость и приводит к ухудшению функциональных возможностей.
Целью данного изобретения является повышение стабильности параметров и максимальной чувствительности тензорезисторного преобразователя силы при минимальном силовом воздействии на упругий элемент, повышение теплоустойчивости, функциональности.
Поставленная цель достигается тем, что в тензорезисторном преобразователе силы, содержащем упругий элемент, выполненный с четырьмя сквозными отверстиями с поперечными прорезями в боковой грани и размещенными над ними тензорезисторами, силопередающий элемент, расположенный посередине между парами отверстий, согласно изобретению упругий элемент выполнен за одно целое с опорным кольцом, имеющим две площадки, выполненные в одной плоскости с плоскостью упругого элемента и имеющие таврообразный профиль, на которые установлены термокомпенсационные резисторы, при этом упругий элемент выступает над плоскостью опорного кольца на высоту, определяемую следующим математическими выражением Н≥d+h, где d - диаметр сквозных отверстий, h - наименьшее расстояние между плоской поверхностью упругого элемента и сквозным отверстием.
Изготовление упругого элемента и опорного кольца за одно целое исключает возможность влияния разнородности материала на термокомпенсационные резисторы, их взаимодействие с тензорезисторами, снижает влияние колебания температуры на показания тензорезисторов, а выполнение площадок тензорезисторного преобразователя силы таврообразного профиля способствует равномерному и быстрому прогреву их за счет увеличения площади, подвергаемой температурному воздействию. Независимость зон деформации от возможного смещения балки, повышение жесткости конструкции преобразователя силы за счет увеличения жесткости заделки упругого элемента на опорном кольце позволяет повысить чувствительность тензорезисторного преобразователя силы. Совокупность указанных технических решений приводит к повышению чувствительности в диапазонах малых давлений и повышению теплоустойчивости.
В то же время выполнение упругого элемента за одно целое с опорным кольцом, имеющим две площадки таврообразного профиля, расположенные в одной плоскости с плоскостью упругого элемента, с установленными термокомпенсационными резисторами, и расположение его над плоскостью опорного кольца на высоту, достаточную для профилирования его по толщине, позволяет повысить функциональность устройства.
На фиг.1 изображен тензорезисторный преобразователь силы, который содержит основные конструктивные элементы: упругий элемент 1, опорное кольцо 2, площадки 3 с установленными на них термокомпенсационными резисторами 4. Упругий элемент 1 содержит плоскую поверхность 5 с четырьмя установленными тензорезисторами 6, четыре сквозных отверстия 7 и присоединительное отверстие 8.
На фиг.2 изображен график распределения напряжений по длине упругого элемента, где В - плоская поверхность упругого элемента, d - диаметр отверстий, Рcж - напряжение сжатия, Рраст - напряжение растяжения, L - длина упругого элемента.
Присоединительное отверстие для силопередающего элемента (штока) выполнено на плоской поверхности перпендикулярно поверхности упругого элемента и расположено посередине между парами сквозных отверстий в боковой поверхности и пропилами нижней стороны отверстий, полученными, например, технологией электроэрозионной вырезки, и сформированы инструментом, который имеет свободный доступ к обрабатываемой поверхности. Форма и размеры сквозных отверстий, толщина между верхней поверхностью отверстий и плоской поверхностью могут быть варьированы для получения максимальной чувствительности при минимальном силовом воздействии на упругий элемент.
Плоская поверхность подготовлена известными методами, как, например, абразивная доводка и полировка, а опорное кольцо имеет две площадки с установленными на них термокомпенсационными резисторами. Площадки расположены в одной плоскости с плоскостью упругого элемента, на которую установлены тензорезисторы. Термокомпенсационные резистры установлены на выступающую часть площадок, имеющих таврообразный профиль. Площадки изготовлены за одно целое с упругим элементом и опорным кольцом. Высота, на которую выступает упругий элемент над опорным кольцом, определена следующим математическими выражением Н≥d+h, где d - диаметр сквозных отверстий, h - наименьшее расстояние между плоской поверхностью упругого элемента и сквозными отверстиями.
Принцип работы заключается в следующем. Измеряемое усилие, воздействуя на упругий элемент через силопередающий элемент (шток), изменяет напряжения растяжения и сжатия на плоской поверхности над сквозными отверстиями, величина и изменение напряжений фиксируется тензорезисторами, расположенными непосредственно над сквозными отверстиями.
Независимость зон деформации от возможного смещения балки при неточном ее изготовлении, повторяемость, линейность распределения напряжений в поперечном направлении упругого элемента позволяет повысить надежность и точность тензорезисторного преобразователя силы.
Техническим результатом изобретения является стабильность параметров и максимальная чувствительность тензорезисторного преобразователя силы при минимальном силовом воздействии на упругий элемент, а также повышение функциональности конструкции в целом.
Источники информации
1. Авт. св. СССР №930004.
2. Авт. св. СССР №243565.