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

Техническое предложение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения линейных статических и динамических сил и вызванных ими перемещений (деформаций).
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 ввиду 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 силы сжатия» по патенту России №2320968 от 27.03.2008 года, МПК G01L 1/16 - [3], 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.
Недостатками известного аналога [3] являются следующие.
- 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 в виду несимметричности последней будут работать неодинаково и вносить искажения в работу чувствительного элемента датчика.
- Устройство работает только на сжатие, что сужает его область применения.
Прототипом заявляемого технического решения является «Чувствительный элемент датчика линейных сил сжатия-растяжения» по патенту России №2401999 от 20.10.2010 года, МПК G01L 1/16 [4], содержащий трансформатор механических деформаций (ТМД), на консоли которого с двух сторон установлены первичные чувствительные элементы (ПЧЭ) в виде пьезокварцевых резонаторов, в качестве ТМД использована пластина из композитного материала с нанесенным слоем металла, консоль внутри пластины выполнена в виде плоской спирали, на которой симметрично с двух сторон установлены пайкой ПЧЭ, контактные площадки которых и проводники к ним выполнены травлением нанесенного слоя металла, причем ПЧЭ выполнены в виде пассивных пьезокварцевых резонаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Недостатком прототипа [4] является использование ТМД из композитного материала с нанесенным слоем металла, например текстолита, что обуславливает недолговечность чувствительного элемента датчика линейных сил сжатия-растяжения, так как текстолит не обладает долговременной стабильностью механических свойств в нагруженном состоянии. В результате этого с течением времени погрешности показаний датчика будут дрейфовать и увеличиваться. Кроме того, изготовление плоской пружины ТМД в виде консоли с одним свободным концом не обеспечивает равномерность ее деформации, в виду того, что при прикладывании осевого усилия к ТМД за счет противодействия консоли, распределение воздействующих сил будет происходить по трем пространственным осям ТМД. При этом усилия будут прилагаться не только в одном направлении, что будет приводить к дополнительным погрешностям показания датчика. Концентраторы напряжения на консоли (отверстия и боковые углубления) ослабляют механические свойства пружинного ТМД и в неполной мере решают задачи равномерного распределения напряжений по длине ПЧЭ (по его оси чувствительности).
Недостатки аналогов и прототипа ставят задачи повышения долговечности, надежности, точности измерения устройства.
Сущность предложенного технического решения состоит в том, что в заявляемом чувствительном элементе датчика линейных сил сжатия-растяжения трансформатор механических деформаций (ТМД) выполнен в виде плоского пружинного элемента, с двух сторон которого установлены первичные чувствительные элементы в виде пьезокварцевых резонаторов, плоский пружинный элемент выполнен из бронзы БрБ2, центрально-симметричным профилем, содержит два равномерно деформируемых участка, на которых при помощи жесткого низкотемпературного (например, галлиевого) припоя соответственно прикреплены ПЧЭ, от двух равномерно деформируемых участков внутрь ТМД отходят две изогнутые консоли, соединенные в центре ТМД с шайбой.
Введение плоского пружинного элемента, выполненного из бронзы БрБ2, необходимо для того, чтобы повысить долговременную стабильность механических свойств ТМД и уменьшить погрешность показаний датчика. Кроме того, коэффициенты линейного и объемного расширения бронзы БрБ2 и кварцевых ПЧЭ очень близки друг к другу, что обеспечит температурную стабильность показаний при работе датчика.
Ведение признака «плоский пружинный элемент выполнен центрально-симметричным профилем» и признака «от двух равномерно деформируемых участков внутрь ТМД отходят две изогнутые консоли, соединенные в центре ТМД с шайбой» необходимо для того, чтобы обеспечить равномерность деформации ТМД, сводя ее только к одному направлению, что позволит повысить точность измерений.
Ведение плоского пружинного элемента содержащего… два равномерно деформируемых участка, необходимо для того, чтобы обеспечить равномерную деформацию установленных на них ПЧЭ в виде пьезокварцевых резонаторов, например, на ПАВ. Данный признак позволит обеспечить высокую точность измерений и снижение их погрешности.
Введение признака «при помощи жесткого низкотемпературного галлиевого припоя соответственно прикреплены ПЧЭ» на двух центрально-симметричных равномерно деформируемых участках ТМД и с разных его сторон необходимо для того, чтобы при необходимой прочности крепления обеспечить минимальный температурный гистерезис при температурных расширениях соединения и тем самым уменьшить температурную погрешность показаний датчика. Кроме того, например, галлиевый низкотемпературный припой кристаллизуется при температуре около 120°С, что исключает температурное повреждение ПЧЭ при их креплении.
На фиг.1 представлен чертеж чувствительного элемента датчика линейных сил сжатия-растяжения; на фиг.2 - фотография заявляемого устройства; на фиг.3 - диаграмма распределения механических напряжений по поверхности ТМД; на фиг.4 - результаты (графики) оптимизации конструкции ТМД; на фиг.5 - градуировочная характеристика предложенного устройства.
Чувствительный элемент датчика линейных сил сжатия-растяжения содержит ТМД в виде плоского пружинного элемента 1 с центрально-симметричным профилем. ПЧЭ 2 и 3 установлены с двух сторон плоского пружинного элемента 1 ТМД соответственно на двух равномерно деформируемых участках 4 и 5 при помощи низкотемпературного галлиевого припоя. ТМД выполнен из бронзы Бр2Б. От двух равномерно деформируемых участков 4 и 5 внутрь плоского пружинного элемента 1 ТМД отходят соответственно две изогнутые консоли 6 и 7, соединенные в центре ТМД шайбой 8.
Работает чувствительный элемент датчика линейных сил сжатия-растяжения следующим образом. При воздействии осевой силы (перпендикулярной плоскости плоского пружинного элемента 1 ТМД) в одну или противоположную сторону к месту приложения усилий - соединительной шайбе 8 консоли 6 и 7 изгибаются, увлекая за собой равномерно деформируемые участки 4 и 5, на которых с разных сторон при помощи низкотемпературного галлиевого припоя прикреплены ПЧЭ 2 и 3. В результате этого один из ПЧЭ, например 2, сжимается, а другой 3 растягивается (или наоборот), а их сигналы откликов по навесным проводам (не показаны) поступают на внешнюю схему цепей согласования из пассивных компонентов, а затем в антенну датчика или внешний коаксиальный кабель, вторым концом подключенным к опрашивающему устройству, где суммируется и обрабатывается. Плоский пружинный элемент 1 ТМД неподвижно закреплен в корпусе датчика (не показан) и обеспечивает изгиб двух равномерно деформируемых участков 4 и 5, и, следовательно, равномерную деформацию ПЧЭ 2 и 3, чем достигается сведение к минимуму погрешности измерений всего устройства и повышение его точности.
В случае применения ПЧЭ в виде пассивных пьезокварцевых резонаторов на ПАВ 2 и 3 последние подсоединены друг к другу параллельно и непосредственно к антенне передачи данных по радиоканалу. При этом одним из двух проводников является плоский пружинный элемент 1 ТМД, к которому подпаяны одним контактом ПЧЭ, и подключенный к экранирующему проводу антенны. При этом считыватель своей антенной подает сигнал, который принимается антенной резонаторов на ПАВ (датчика), от полученного сигнала они резонируют со смещением, и в зависимости от их деформации и выдают ответный сигнал в антенну датчика, из которой сигнал принимается той же антенной считывателя.
Заявляемое техническое решение - чувствительный элемент датчика линейных сил сжатия-растяжения - разработан, изготовлен и испытан в ОАО «Авангард». Плоский пружинный элемент - ТМД чувствительного элемента датчика линейных сил сжатия-растяжения представляет собой круглую пластину из бронзы БрБ2 (фиг.1 и фиг.2) толщиной 1 мм и диаметром 30 мм. Оптимальный ход шайбы ±1000 мкм. Устройство удовлетворяет поставленным задачам, погрешность выходных характеристик датчиков не превышает 5%, а надежность подтверждена расчетно-экспериментальным методом.
Диаграмма распределения механических напряжений по поверхности ТМД, представленная на фиг.3, доказывает правильность выбранной его конструкции, а результаты (графики) оптимизации конструкции ТМД по фиг.4 позволили найти его оптимальную толщину. Градуировочная характеристика предложенного устройства представлена на фиг.5. Технические характеристики заявляемого устройства представлены в таблице 1. Характеристики заявляемого устройства к внешним воздействующим факторам и по надежности представлены в таблице 2. Сравнение характеристик заявляемого устройства с датчиками других производителей представлено в таблице 3.
Таблица 1
Технические характеристики заявляемого устройства
№ п/п
Параметр, ед. изм.
Значение
1
Диапазон рабочих частот, МГц
433,05-434,79
2
Максимальная измеряемая деформация сжатия/растяжения, мкм
±1000
3
Длина измерительной базы, мм, не менее
150…600
4
Порог чувствительности, мкм
20
5
Относительная приведенная погрешность, %
±5,0
6
Диапазон рабочих температур, °С
-30 -+70
Таблица 2
Характеристики заявляемого устройства к внешним воздействующим факторам и по надежности
№ п/п
Параметр, ед. изм.
Значение
1.
Синусоидальная вибрация, Гц
1-1000
2.
Механический удар многократного действия, g
10
3.
Повышенная влажность, %
95
4.
Средняя наработка до отказа, ч, не менее
25000
5.
Средний срок службы, лет
15
Таблица 3
Сравнение характеристик заявляемого устройства с датчиками других производителей
Показатель, ед. изм.
Заявляемое устройство
ПЛДС-125 (ВНИИФ-ТРИ)
BS-8FT (Kyowa)
Вывод
Диапазон измеряемой деформации, мкм
±1000
±1000
±1000
На уровне
Порог чувствительности, мкм
20 (10)
15
10
На уровне
Относительная приведенная погрешность, %
±5
±10
±1
На уровне
Диапазон рабочих температур, °С
-30…+70
-20…+40
-30…+70
На уровне
Тип чувствительного элемента
Пассивный (ПАВ резонатор)
Активный (струна)
Активный (тензо-резонатор)
Лучше
Метод опроса датчика
Радиоканальный (по коаксиалу)
Проводной
Проводной
Лучше
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".
Источники информации
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. Патент РФ №2320968 от 27.03.2008 года, МПК G01L 1/16, «Устройство для измерения силы сжатия».
4. Патент РФ №2401999 от 20.10.2010 года, МПК G01L 1/16, «Чувствительный элемент датчика линейных сил сжатия-растяжения», прототип.