ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ЛИНЕЙНЫХ СИЛ СЖАТИЯ-РАСТЯЖЕНИЯ
DETECTING ELEMENT OF LINEAR COMPRESSION-TENSION FORCE DETECTOR

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения линейных статических и динамических сил и вызванных ими перемещений.
Известен «Датчик перемещений» по патенту США №6810753 ВВ от 24.08.2001 года, МПК G01L 1/04 - [1], содержащий трансформатор механических деформаций (ТМД) в виде дугообразной пластины (подложки) с плоскими участками для приложения измеряемых усилий и прикрепленными к пластине двумя тензометрами, один измерительный - на дугообразном участке и второй опорный - на плоском. Датчик может измерять перемещения в положительную и отрицательную стороны.
Недостатком известного устройства [1] является то, что в нем первичным чувствительным элементом (ПЧЭ) является только один тензометр, который прикреплен на дугообразном участке. Из этого следует низкая чувствительность и точность всего датчика. Ввиду дугообразности пластины, то есть ее несимметричности, измерительный ПЧЭ будет работать по разному на растяжение и на сжатие, что дополнительно вводит погрешности в показания датчика. Кроме того, датчик имеет низкую термостабилизацию в виду разнесенности двух его ПЧЭ на значительное расстояние.
Известен «Резонансный датчик усилия с пьезоэлементами» по патенту Франции №2776065 А1 от 17.09.1999 года, МПК G01L 1/16 - [2], содержащий ТМД в виде вибрирующего тонкого круглого диска, который по периферии вставлен в жесткий неподвижный корпус, усилие к диску подводится при помощи полого цилиндра, коаксиального диску и соединенного с ним, на диске с противоположных его сторон симметрично расположены два ПЧЭ в виде пьезоэлектрических элементов. Причем первый ПЧЭ предназначен для создания вибраций в структуре, образованной диском и цилиндром, а второй ПЧЭ служит для считывания отклика датчика на приложенное к цилиндру усилие, а именно резонансной частоты.
Недостатком известного устройства [2] также является то, что в нем ПЧЭ является только один пьезоэлектрический элемент, что определяет низкую чувствительность и точность датчика. Кроме того, датчик может работать только на сжатие, что уменьшает область его применения, а также датчик обладает сложностью и дополнительными затратами энергии на создание вибраций во втором пьезоэлектрическом элементе.
Известно «Устройство для измерения усилий» по авторскому свидетельству СССР №514212 от 15.15.1976 года, МПК G01L 1/16 - [3], содержащее ТМД в виде П-образной пластины с прорезью в перекладине, образующей две параллельные перемычки, на которые с одной стороны установлены ПЧЭ в виде пьезокварцевых резонаторов.
Недостатком известного устройства [3] является то, что внутренние углы П-образной пластины являются концентраторами напряжений. Поэтому, ввиду хрупкости пластины из пьезоактивного материала, этот датчик может нагружаться только сравнительно небольшими силами сжатия или растяжения, в результате чего ограничивается область его использования ввиду малых деформаций П-образной пластины.
Прототипом заявляемого технического решения является «Устройство для измерения силы сжатия» по патенту России №2320968 от 27.03.2008 года, МПК G01L 1/16 - [4], содержащее корпус, упругодеформируемый элемент, выполненный в виде тарельчатой пружины с осевым толкателем, и чувствительный элемент датчика силы сжатия в виде ТМД - Г-образной консоли, закрепленная часть которой на внутренней и наружной поверхностях имеет прорези, обеспечивающие изгиб консоли по длине прорезей, в которых установлены ПЧЭ в виде пьезокварцевых резонаторов.
Недостатки прототипа [4] следующие.
- В качестве ТМД используется металлическая (стальная) Г-образная пластина, что создает трудности надежной установки на нее двух ПЧЭ, один из которых будет работать на сжатие, а другой на растяжение, особенно работающего на растяжение. Установка ПЧЭ на металле возможна, преимущественно, только клеевым способом, а это требует дополнительных затрат и ручного труда, а также ведет к уменьшению точности из-за демпфирования изгибающих усилий прослойкой клея.
- Большая разность в коэффициентах линейных расширений стальной пластины и ПЧЭ (кварцевого материала), что задает применение устройства в узких температурных диапазонах, снижает его функциональность и увеличивает погрешности измерений. При существенных изменениях температурных условий в высокую или низкую стороны нарастает напряженность клееной конструкции вплоть до ее разрушения.
- Установленные на стальной Г-образной пластине два ПЧЭ ввиду несимметричности последней будут работать неодинаково и вносить искажения в работу чувствительного элемента датчика.
- Наличие навесных контактных проводников к двум ПЧЭ дополнительно снижает надежность чувствительного элемента датчика.
- Устройство работает только на сжатие, что сужает его область применения.
Недостатки прототипа ставят задачи повышения функциональности, надежности, точности измерения устройства, а также упрощения его конструкции и снижения стоимости.
Сущность предложенного технического решения состоит в том, что в заявляемом чувствительном элементе датчика линейных сил сжатия-растяжения, содержащем ТМД, на консоли которого с двух сторон установлены ПЧЭ в виде пьезокварцевых резонаторов, в качестве ТМД использована пластина из композитного материала с нанесенным тонким слоем металла, внутри пластины выполнена плоская спиральная консоль, на которой симметрично с двух сторон установлены пайкой ПЧЭ в виде пьезокварцевых резонаторов, контактные площадки которых и проводники к ним выполнены травлением нанесенного тонкого слоя металла. Плоская спиральная консоль в плане выполнена сужающейся от места закрепления к месту приложения измеряемых усилий, а в местах установки ПЧЭ плоская спиральная консоль содержит боковые углубления или сквозные отверстия. На недеформируемом участке пластина ТМД может содержать первичную печатную электрическую схему возбуждения и обработки сигналов ПЧЭ и разъем подключения внешних устройств. ПЧЭ могут быть выполнены в виде пассивных пьезокварцевых резонаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ), а вытравленные печатные проводники пластины ТМД при этом выполнены в виде плоской электромагнитной антенны, подключенной к контактным площадкам пассивных ПЧЭ на ПАВ.
Введение ТМД в виде пластины, внутри которой выполнена плоская спиральная консоль, необходимо для того, чтобы существенно увеличить ход конца консоли в точке приложения измеряемых усилий и сделать одинаковой, симметричной, одновременной работу двух ПЧЭ на сжатие и растяжение. Так, возможность многовариантной установки (по длине консоли) парных, симметрично расположенных по обе стороны ПЧЭ, позволяет унифицировать ТМД для измерений (вызванных измеряемыми усилиями) абсолютных деформаций в широких пределах от ±100 мкм до±10 мм.
Введение пластины из композитного материала с тонким нанесенным слоем металла необходимо для того, чтобы выровнять коэффициенты (сделать одинаковыми) линейных расширений материалов ТМД и ПЧЭ. Тем самим свести к минимуму влияния температурных нагрузок при различных условиях окружающей среды. Известно, что нанесенному на композитный материал тонкому слою металла как бы «навязываются» свойства основания, то есть стеклотекстолита или углепластика. Коэффициенты линейного расширения стеклотекстолита и углепластика приближаются к коэффициенту линейного расширения пьезокварцевых резонаторов. Коэффициент упругости углепластика выше, чем у некоторых металлов, и это значительно повышает надежность заявляемого устройства и точность его измерений.
Введение контактных площадок и проводников, выполненных травлением нанесенного тонкого слоя металла (при стандартной технологии травления) необходимо для того, чтобы исключить навесные проводники, являющиеся дополнительными концентраторами механических напряжений и снижающие надежность устройства в целом, а также унифицировать конструктивно ТМД, повысить его технологичность и снизить стоимость при производмтве. Нанесенный (и частично вытравленный) на композитном материале (стеклотекстолите или углепластике) тонкий слой металла служит печатными проводниками.
Введение закрепления на контактных площадках плоской спиральной консоли пьезокварцевых резонаторов в виде пайки необходимо для того, чтобы существенно повысить качество и надежность крепления ПЧЭ к ТМД, а также создать возможность автоматизации сборки устройства. Так, паяное соединение (по сравнению с клевым) дает существенное повышение точности передачи деформации на резонатор.
Введение сужения плоской спиральной консоли от места ее закрепления к месту приложения измеряемых усилий необходимо для того, чтобы повысить функциональность консоли и увеличить ее допустимый ход.
Введение в местах установки пьезокварцевых резонаторов боковых углублений плоской спиральной консоли или сквозных отверстий в ней необходимо для управления механическими свойствами консоли непосредственно под установленными ПЧЭ (для дополнительного регулирования локальной величины изгиба) и тем самим существенного повышения чувствительности устройства.
Введение расположенной на недеформируемом участке пластины ТМД первичной печатной электрической схемы возбуждения и обработки сигналов пьезокварцевых резонаторов и разъема подключения внешних устройств необходимо для того, чтобы упростить устройство, повысить его надежность и снизить стоимость. Другими словами, для унификации конструкции и интеграции всех ее элементов в одно устройство.
Введение ПЧЭ, выполненных в виде пассивных пьезокварцевых резонаторов на поверхностных акустических волнах, и вытравленных печатных проводников пластины ТМД, выполненных в виде плоской электромагнитной антенны, подключенной к контактным площадкам пассивных пьезокварцевых резонаторов на поверхностных акустических волнах, необходимо для того, чтобы создать возможность беспроводного опроса устройства (беспроводного считывания его показаний по радиоканалу в диапазоне частот 434 МГц), что также позволяет дополнительно упростить заявляемое устройство, повысить его надежность и снизить стоимость.
На фиг.1 представлен чертеж чувствительного элемента датчика линейных сил сжатия-растяжения (вид сверху); на фиг.2 - чертеж заявляемого устройства (вид снизу); на фиг.3 - общий вид чувствительного элемента датчика линейных сил сжатия-растяжения (без первичной печатной электрической схемы обработки и выдачи сигнала датчика, разъема и плоской электромагнитной антенны 10); на фиг.4 - чертеж заявляемого устройства по фиг.3 (вид сверху); на фиг.5 - чертеж заявляемого устройства по фиг.3 (вид снизу).
Датчик линейных сил сжатия-растяжения содержит ТМД в виде пластины 1 из композитного материала с тонким нанесенным слоем металла 2, внутри пластины выполнена плоская спиральная консоль 3, на которой симметрично с двух сторон установлены пайкой ПЧЭ в виде пьезокварцевых резонаторов 4 и 5, контактные площадки которых и проводники к ним выполнены травлением нанесенного тонкого слоя металла 2. Плоская спиральная консоль 3 в плане выполнена сужающейся от места образования (закрепления) на пластине 1 к месту приложения измеряемых усилий 6, а в местах установки пьезокварцевых резонаторов плоская спиральная консоль в плане содержит боковые углубления 7 или сквозные отверстия. На недеформируемом участке пластина ТМД может содержать первичную печатную электрическую схему 8 обработки и выдачи сигнала датчика и разъем 9 для подключения внешнего устройства. Следует заметить, что по разъему 9 по постоянному току может происходить питание первичной печатной электрической схемы 8 обработки и выдачи сигнала чувствительного элемента датчика, а по переменному - считывание информации для внешнего устройства. Разъем 9 также может содержать контакты как для питания, так и для считывания информации.
При применении ПЧЭ в виде пассивных пьезокварцевых резонаторов на поверхностных акустических волнах вытравленные печатные проводники пластины трансформатора механических деформаций могут быть выполнены в виде плоской электромагнитной антенны 10, подключенной к контактным площадкам пассивных пьезокварцевых резонаторов на поверхностных акустических волнах (напрямую или через схему согласования, как на фиг.1 и фиг.2).
Работает чувствительный элемент датчика линейных сил сжатия-растяжения следующим образом. При воздействии осевой силы (перпендикулярной плоскости пластины 1) в одну или противоположную сторону к месту приложения усилий 6 плоская спиральная консоль 3 изгибается. При этом в местах расположения пьезокварцевых резонаторов 4 и 5, под которыми находятся боковые углубления 7 (или сквозные отверстия), достигается максимальный перегиб и максимальная концентрация сил изгиба плоской спиральной консоли 3. В результате этого один из пьезокварцевых резонаторов, например 4, сжимается, а другой 5 растягивается (или наоборот), и из них сигнал по печатным вытравленным металлическим проводникам 2 поступает по (подпаянным) проводам во внешнюю первичную электрическую схему обработки и выдачи сигнала датчика (не показана), где суммируется и обрабатывается. Пластина 1 датчика неподвижно закреплена в корпусе (не показан), место перехода из пластины 1 в плоскую спиральную консоль 3 практически мало деформируется. ПЧЭ 4 и 5 работают при изгибе плоской спиральной консоли 3 в одну и другую стороны практически одинаково, чем достигается сведение к минимуму погрешности измерений всего устройства.
В случае размещения первичной печатной электрической схемы 8 обработки и выдачи сигнала датчика и разъема подключения внешних устройств 9 на недеформируемом участке пластины 1 ТМД сигнал из пьезокварцевых резонаторов 4 и 5 суммируется и обрабатывается в первичной печатной электрической схеме 8 и поступает через разъем 9 к внешнему устройству.
В случае применения ПЧЭ в виде пассивных пьезокварцевых резонаторов на поверхностных акустических волнах 4 и 5, а также вытравленной в печатных проводниках пластины ТМД плоской электромагнитной антенны 10, заявляемое устройство работает бесконтактно по радиоканалу. При этом считыватель своей антенной подает сигнал, который принимается антенной 10 и передается на ПЧЭ 4 и 5, от полученного сигнала они резонируют со смещением частоты, и в зависимости от их деформации и выдают ответный сигнал в антенну 10, из которой сигнал принимается той же антенной считывателя. Таким образом, достигается беспроводное, мобильное и удобное считывание информации из чувствительного элемента датчика линейных сил сжатия-растяжения.
В результате испытаний опытного образца чувствительного элемента датчика линейных сил сжатия-растяжения, изготовленного в соответствии с предлагаемым техническим решением, получены положительные результаты, подтверждающие повышенную точность измерений сил сжатия и растяжения по сравнению с прототипом.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями изобретения, так как:
- чувствительный элемент датчика линейных сил сжатия-растяжения в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию "новизна";
- совокупность признаков формулы изобретения устройства не известна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам конструирования чувствительных элементов датчика линейных сил сжатия-растяжения, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень";
- конструктивная реализация чувствительного элемента датчика линейных сил сжатия-растяжения не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература
1. Патент США №6810753 ВВ от 24.08.2001 года, МПК G01L 1/04, «Датчик перемещений».
2. Патент Франции №2776065 А1 от 17.09.1999 года, МПК G01L 1/16, «Резонансный датчик усилия с пьезоэлементами».
3. Авторское свидетельство СССР №514212 от 15.15.1976 года, МПК G01L 1/16, «Устройство для измерения усилий».
4. Патент РФ №2320968 от 27.03.2008 года, МПК G01L 1/16, «Устройство для измерения силы сжатия» - прототип.