ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ УСИЛИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в устройствах для защиты грузоподъемных машин и механизмов от перегрузок (например, контроль веса грузового автомобиля, контроль нагрузки в строительных машинах, контроль нагрузки в полотне и опорах мостов и т.д.).
Известен датчик для измерения продольных усилий, содержащий концевые силовоспринимающие части, выполненные за одно целое со средней чувствительной частью, имеющей форму прямоугольного параллепипеда. Боковые грани параллепипеда имеют форму квадрата. В параллелепипеде по центру квадрата выполнено сквозное цилиндрическое отверстие. Внутри сквозного отверстия расположено тензорезисторное устройство, включающее в себя упругую измерительную балочку с тензорезисторами и две опоры для крепления измерительной балочки и передачи на нее деформации чувствительной части датчика. Коаксиально со сквозным отверстием в плоскости продольной симметрии датчика расположен кольцевой упругий элемент, жестко соединенный с чувствительной частью двумя перемычками, расположенными симметрично вдоль поперечной оси кольцевого упругого элемента. Ширина и толщина перемычек равна ширине упругого кольца. 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 (патент РФ 2404415 на изобретение «ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ УСИЛИЙ», МПК G01L 1/22, опубл. 20.11.2010). Недостатком известного датчика является высокая сложность изготовления и низкая устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.
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, тензорезисторное устройство для измерения деформации чувствительной части. Чувствительная часть выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда, боковые грани которого, примыкающие к поперечным прорезям, имеют форму квадрата ABCD. В параллелепипеде по центру квадрата выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, перпендикулярное продольной оси датчика. Тензорезисторное устройство расположено внутри сквозного отверстия и включает в себя упругую измерительную балочку с тензорезисторами, установленную перпендикулярно продольной оси датчика и симметрично относительно ее, и две опоры. Опоры соединяют концы измерительной балочки с внутренней стенкой цилиндрического отверстия в зонах, прилегающих к точкам Е, F пересечения диагонали квадратной боковой грани со стенкой указанного отверстия (патент РФ № 2175117 на изобретение «ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ УСИЛИЙ», МПК G01L 1/22, опубл. 20.10.2001 Недостатками известного датчика также являются высокая сложность и низкая устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.
Известен датчик для измерения усилий, содержащий чувствительный элемент в виде бруса, к которому с двух сторон присоединены силовоспринимающие части. В брусе выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, ось которого перпендикулярна продольной оси бруса и направлению измеряемого усилия. Цилиндрическое отверстие имеет кольцевую перегородку, симметрично расположенную относительно продольной оси груза. Тензорезисторы размещены на внутренней цилиндрической поверхности перегородки на площадках, смещенных на 45° относительно продольной оси бруса (авторское свидетельство СССР N 451928 A1, G01L 1/22, 30.11.1974). Погрешность при измерении усилия существенным образом зависит от размеров тензорезистора, точности его закрепления относительно зоны максимальных напряжений растяжения и сжатия и качества приклеивания тензорезистора к стенке отверстия. Упругие свойства клеевого соединения существенным образом зависят от температуры и со временем ухудшаются, что также увеличивает погрешность измерения усилия.
1
1
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является датчик для измерения продольных усилий, содержащий: а) упругий чувствительный элемент (Элементом называется деталь, часть какого-либо сооружения, устройства. Элемент - Составная часть какого-либо сложного целого. Большая советская энциклопедия Источник: https://gufo.me/dict/ozhegov/%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82), включающий: среднюю чувствительную часть и концевые силовоспринимающие части, и б) тензорезисторное устройство. Концевые силовоспринимающие части отделены от чувствительной части двумя встречными поперечными прорезями. Прорези выполнены до оси симметрии чувствительного элемента, а чувствительная часть расположена под углом 45° к оси симметрии. (см. авторское свидетельство СССР N 1696915, МПК G 01 L 1/22, опубл. 09.01.1991). Недостатком прототипа является недостаточно высокая чувствительность датчика и погрешность измерений вследствие низкого эксплуатационного ресурса датчика при переменных нагрузках из-за деформации «на срез».
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание высокоэффективного измерительного устройства.
Технический результат, достигаемый в результате решения поставленной задачи, заключается в повышении чувствительности датчика и снижении погрешности измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что датчик для измерения продольных усилий содержит: а) упругий элемент, включающий среднюю чувствительную часть и концевые силовоспринимающие части, и б) тензорезисторное устройство. Чувствительная часть упругого элемента выполнена криволинейной и имеет форму фрагмента цилиндрической оболочки, а тензорезисторное устройство установлено на внутренней поверхности чувствительной части.
Предпочтительно, чтобы толщина чувствительной части упругого элемента составляла диапазон 1…5 мм, а радиус кривизны составлял диапазон 15…40 мм.
Предпочтительно также, чтобы толщина чувствительной части упругого элемента составляла 3 мм, а радиус кривизны составлял 19,5 мм.
Предпочтительно, чтобы сопряжение чувствительной части упругого элемента с его силовоспринимающими частями было выполнено в виде галтелей.
Предпочтительно также, чтобы чувствительная часть упругого элемента имела вырезы.
Предпочтительно, чтобы деформация, прикладываемая к датчику, была направлена на изгиб и сжатие чувствительной части упругого элемента.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели с прототипом показал, что она отличается от известного, наиболее близкого технического решения:
выполнением чувствительной части упругого элемента криволинейной, имеющей форму фрагмента цилиндрической оболочки;
выполнением тензорезисторного устройства, установленным на внутренней поверхности чувствительной части.
В предпочтительных случаях исполнения полезная модель отличается от известного, наиболее близкого технического решения:
толщиной чувствительной части упругого элемента, составляющей диапазон 1…5 мм;
толщиной чувствительной части упругого элемента, составляющей 3 мм;
радиусом кривизны чувствительной части упругого элемента, составляющим диапазон 15…40 мм;
радиусом кривизны чувствительной части упругого элемента, составляющим диапазон 19,5 мм.
выполнением сопряжения чувствительной части упругого элемента с его силовоспринимающими частями в виде галтелей;
выполнением деформация, прикладываемой к датчику, направленной на изгиб и сжатие чувствительной части упругого элемента.
Выполнение чувствительной части упругого элемента криволинейной, имеющей форму фрагмента цилиндрической оболочки, и установка тензорезисторного устройства на внутренней поверхности криволинейной части увеличивает чувствительность датчика за счет механического усиления величины деформации, поскольку внутренняя поверхность криволинейного чувствительного элемента деформируется больше, чем поверхность плоского чувствительного элемента, работающего на сжатие или растяжение. В результате достигается более высокая чувствительность датчика. Тензорезистор, размещенный на внутренней поверхности криволинейного чувствительного элемента, находится в полости, образованной силовоспринимающими частями и криволинейным упругим элементом, что позволяет защищает его от внешних воздействий в процессе эксплуатации и снижает погрешность измерения. Вырезы на криволинейном чувствительном элементе повышают его чувствительность к приложенной силе за счет снижения поперечного сечения элемента с сохранением величины деформации тензорезистора. Деформацию криволинейной части упругого элемента можно разделить на несколько составляющие частей:
изменение длины средней линии криволинейной части упругого элемента (сжатие по средней линии);
изменение радиуса кривизны средней линии криволинейной части упругого элемента (изгиб средней линии);
геометрическое изменение длины внутренней поверхности криволинейной части упругого элемента за счет изменение радиуса кривизны;
геометрическое изменение длины внешней поверхности криволинейной части упругого элемента за счет изменение радиуса кривизны.
Изменение длины внутренней поверхности криволинейной части упругого элемента вызываются совместным изменением длины средней линии и геометрическим изменением длины поверхностного участка криволинейной части упругого элемента, направленными в одну сторону, и в результате приводит к механическому усилению величины деформации (мультипликации). Изменение длины внешней поверхности криволинейной части упругого элемента вызываются совместным изменением длины средней линии и геометрическим изменением длины поверхностного участка. Увеличение радиуса кривизны криволинейной части упругого элемента уменьшает составляющую деформации, связанную с изгибом, и увеличивает составляющую деформации, связанную с изменением длины общей линии криволинейной части упругого элемента, что в результате приводит к уменьшению общей величины деформации внутренней поверхности криволинейной части упругого элемента, направленными в разные стороны, и в результате приводит к механическому ослаблению величины деформации (редукции). Уменьшение радиуса кривизны криволинейной части упругого элемента увеличивает составляющую деформации, связанную с изгибом, и уменьшает составляющую деформации, связанную с изменением длины общей линии криволинейной части упругого элемента, что в результате приводит к увеличению общей величины деформации внутренней поверхности. В то же время напряжение в материале на внутренней поверхности криволинейной части упругого элемента возрастает. Толщина криволинейной части упругого элемента также оказывает влияние на работу последнего. Уменьшение толщины снижает эффект мультипликации за счет уменьшения геометрического изменения длины поверхности по отношению к длине средней линии и уменьшения величины изменения длины средней линии, однако снижает величину измеряемого усилия при заданной величине деформации. Увеличение толщины криволинейной части упругого элемента увеличивает эффект мультипликации, однако повышает величину измеряемого усилия при заданной величине деформации. Компромиссом для достижения высокой чувствительности по усилию при сохранении высокой чувствительности по величине деформации является уменьшение ширины криволинейной части упругого элемента. В то же время ширина должна быть достаточна для устойчивой работы тензорезисторного устройства и для обеспечения технологически выполнимых приемов установки тензорезисторного устройства на измерительный элемент. Эти параметры ограничивают минимальные ширину и радиус кривизны внутренней поверхности криволинейного упругого элемента. Опытным путем установлено, что оптимальным является выполнение чувствительной части упругого элемента с толщиной, составляющей диапазон 1…5 мм, предпочтительно 3 мм, и с радиусом кривизны, составляющим диапазон 15…40 мм, предпочтительно 19, 5 мм.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется схемными чертежами, представленными на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 представлен схемный чертеж датчика для измерения продольных усилий, вид сбоку.
На фиг. 2 представлен схемный чертеж датчика для измерения продольных усилий, вид сверху.
В предпочтительном варианте датчик для измерения продольных усилий содержит: а) упругий элемент 1, включающий среднюю чувствительную часть 2 и концевые силовоспринимающие части 3, 4, и б) тензорезисторное устройство 5. Средняя чувствительная часть 2 упругого элемента 1 выполнена криволинейной и имеет форму фрагмента цилиндрической оболочки. Тензорезисторное устройство 5 установлено на внутренней криволинейной поверхности чувствительной части 2 упругого элемента 1. Стрелки F указывают направление прикладываемой деформации (на сжатие и изгиб чувствительной части 2 упругого элемента 1). Толщина S криволинейной части 2 упругого элемента 1 составляет диапазон 1…5 мм, предпочтительно, 3 мм, а радиус кривизны R составляет диапазон 15…40 мм, предпочтительно, 19,5 мм. Сопряжение силовоспринимающих частей 3, 4 с криволинейной чувствительной частью 2 выполнено в виде галтелей 6. Криволинейная чувствительная часть 2 может иметь вырезы 7 для повышения чувствительности к приложенной силе путем снижения поперечного сечения чувствительной части 2 с сохранением величины деформации тензорезистора 5. Через вырезы 7 могут быть пропущены проводники (на чертеже не показаны) от тензорезистора 5 к плате аналого-цифровой обработки сигнала (на чертеже не показаны), и крепежные элементы для соединения датчика, платы обработки и защитного корпуса (на чертеже не показаны), в единую конструкцию. В силовоспринимающих частях могут быть выполнены отверстия 8 для крепления к измеряемому объекту и передачи усилий от последнего на датчик.
Полезная модель работает следующим образом.
При нагружении датчика измеряемым сжимающим и изгибающим усилием F силовоспринимающие части 3 и 4 передают указанное усилие на чувствительную часть 2, которая деформируется под действием указанного усилия. Деформация средней части 2 передается на тензорезистор 5.
Заявленное изобретение может быть изготовлено промышленным способом с использованием современных материалов и технологий, что подтверждает его промышленную применимость. Промышленную применимость подтверждают проведенные ресурсные испытания датчика под нагрузкой, в 2,5 раза превышающей эксплуатационную, при количестве циклов нагружения более 100000 циклов.
3
Заявляемое устройство разрабатывалось для измерения силы в пределах линейной величины деформации до 40мкм на плече 20мм при общих габаритных размерах не более 40*60*10 мм.
Перечень конструктивных элементов
1. упругий элемент
2. чувствительная часть
3. концевая силовоспринимающая часть
4. концевая силовоспринимающая часть
5. тензорезисторное устройство
6. галтели
7. вырезы на чувствительной части
8. отверстия для крепления к измеряемому объекту
S - Толщина криволинейной части упругого элемента
R - радиус кривизны криволинейной части упругого элемента
Стрелки F указывают направление прикладываемой деформации