Тензометрический датчик измерения нагрузки на ось грузового транспортного средства и система для измерения нагрузки на ось грузового транспортного средства
STRAIN GAUGE FOR MEASURING LOAD ON AXIS OF CARGO VEHICLE AND SYSTEM FOR MEASURING LOAD ON AXIS OF CARGO VEHICLE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения веса груза и нагрузки на ось грузовых транспортных средств.
Тензометрические датчики нашли широкое применение в различных весоизмерительных системах, испытательных стендах для измерения статических и динамических нагрузок, системах мониторинга зданий и сооружений.
Известен мультиплексный тензометрический мост, описанный в патенте США 4155263 А, опубл. 22.05.1979, в котором система измерения нагрузки тензометрическим датчиком включает в себя пару тензодатчиков, установленных на каждой из одной или нескольких опор груза, таких как оси транспортного средства. Тензодатчики соединяются в мостовой цепи постоянного тока. Мультиплексор содержит пару аналоговых переключателей, которые поочередно подают напряжение от соответствующих выходных клемм моста на усилитель, связанный с переменным током, в виде прямоугольного напряжения амплитуды, равного разности напряжений на выходных клеммах моста. Усиленное прямоугольное напряжение подается на метр как усиленный сигнал постоянного тока, пропорциональный выходному сигналу моста постоянного тока, демультиплексором, включающий дополнительную пару аналоговых переключателей, взаимодействующих с элементами фильтра нижних частот. Демультиплексированный сигнал постоянного тока через измеритель сравнивается операционным усилителем, имеющим положительную обратную связь для гистерезиса, с напряжением на делителе переменного напряжения, чтобы определить, когда было достигнуто пороговое значение нагрузки.
Известен датчик контактного давления, описанный в патенте РФ 2144177 С1 опубл. 10.01.2000 г., который содержит корпус с круглой мембраной, выполненной из металла, прочностные параметры которого повышаются при термообработке. Мембрана жестко соединена по всему периметру с корпусом. В центре мембраны со стороны прилагаемых нагрузок выполнена впадина, имеющая криволинейную форму, соответствующую форме поверхности, контактирующей с датчиком, и имеющая такую площадь, при которой при максимальной нагрузке на датчик напряжения изгиба и среза мембраны не выше допускаемых. С плоской стороны мембраны на ней расположена мостовая схема тензорезисторов. Датчик снабжен защитной лентой, приклеенной к корпусу с плоской стороны мембраны. Способ изготовления датчика заключается в том, что незакаленную мембрану устанавливают на плоскую поверхность и выполняют на одной ее стороне впадину криволинейной формы с заданными глубиной и площадью. Затем мембрану закаливают, закрепляют ее в корпусе и приклеивают на нее мостовую измерительную схему тензорезисторов. Такое выполнение датчика позволяет повысить точность измерений, уменьшить габариты датчика и упростить технологию его изготовления.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является датчик веса с тензодатчиками описанный в патенте РФ 2369845 С2 опубл. 10.10.2009 г., в котором тензодатчики нанесены толстым слоем на подложку из электроизоляционного материала, которая предварительно нанесена на металлическое рабочее тело, подвергающееся изгибу. Подложка сформирована в виде пластинки или листа и является плоской и достаточно жесткой, чтобы ее можно было брать в руки и производить манипуляции для ее переноса на рабочее тело, и нанесена на рабочее тело путем наклеивания. Подложка выполнена из керамического материала с модулем Юнга, равным или меньшим модуля Юнга металлического рабочего тела.
Недостатком перечисленных тензометрических датчиков является их чувствительность к перепадам температур, температурные погрешности при измерениях ограничивают их применение в измерительной технике.
Техническим задачей настоящего изобретения является решение этой проблемы. Технический результат изобретения - увеличение срока службы датчика, сохранение упругих характеристик в условиях постоянных динамических нагрузок и критических температур.
Технический результат достигается тем, что тензометрический датчик измерения нагрузки на ось грузового транспортного средства, состоит из сборки, содержащей две пары перпендикулярно направленных тензорезисторов фольгового типа на основе константана, представляющих собой полномостовую схему Уитсона, наклеенную в геометрическом центре дугообразной, предварительно отполированной ручным или полумеханическим способом до уровня не менее 7 класса чистоты и, затем, обезжиренной, поверхности металлического элемента конструкции датчика, содержащей интегрированный во внутрь корпуса датчика электронный модуль обработки сигналов тензорезисторной сборки, включающий 32-битный процессор на основе ядра Cortex-M0, высокоточный цифровой датчик температуры для осуществления процесса температурной компенсации, NFC модуль, позволяющий идентифицировать датчик и передавать служебную информацию беспроводным способом на внешнее беспроводное считывающее устройство и CAN интерфейс для проводной передачи данных на монитор системы для дальнейшей обработки и индикации, при этом, металлическая часть корпуса датчика выполнена из легированной стали марки 40CrNiMoA и имеет геометрическую форму и пропорции, сохраняющие стабильность динамических характеристик датчика в течение периода не менее 5 лет, а пластиковая часть корпуса выполнена из ударопрочного и масло-бензостойкого стеклонаполненного полиамида и все внутренние элементы конструкции защищены демпфирующим влагостойким компаундом марки "Этал-1480ТГ" для общей защиты конструкции датчика от воздействия окружающей среды.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1а представлена схема тензометрического модуля;
На фиг. 1б - схема тензометрического модуля, вид сбоку;
На фиг. 2а - общий вид тензометрического датчика, вид сбоку и
На фиг. 2б - общий вид тензометрического датчика, вид сверху.
Тензометрический датчик измерения нагрузки на ось грузового транспортного средства, схематически представленный на фиг. 1а и 1б, содержит внутри тензорезисторную сборку из четырех тензорезисторов фольгового типа (2), представляющую собой полномостовую схему Уитсона и наклеенную, на, предварительно отшлифованную и обезжиренную, нижнюю дугообразную поверхность металлического элемента (4) конструкции датчика, непосредственно, в геометрическом центре.
8
Тензорезисторная сборка состоит из двух пар перпендикулярно направленных тензорезисторов фольгового типа на основе константана, обеспечивающего стабильную работу датчика в диапазоне температур от -75 до +175°С, в условиях динамических нагрузок не менее 10 циклов.
Металлическая часть корпуса датчика выполнена из легированной стали марки 40CrNiMoA, которая обладает достаточной надежностью и позволяет сохранить упругие характеристики датчика на протяжении 5-7 лет в условиях постоянных динамических нагрузок.
Конструкция и геометрические пропорции металлической части датчика допускают процессы растяжения и сжатия до уровня деформации ±1500 мкм/м.
Пластиковая часть корпуса (1) выполнена из ударопрочного и масло-бензостойкого стеклонаполненного полиамида и содержит, интегрированный во внутрь датчика, электронный модуль обработки сигналов тензорезисторной сборки, представляющий собой печатную плату с электронными компонентами, содержащую 32-битный процессор на основе ядра Cortex-М0 для обработки данных, температурный датчик для корректировки полученных измерений в зависимости от температуры металлического элемента датчика, NFC модуль для беспроводной передачи данных и CAN интерфейс для проводной передачи данных на монитор системы для дальнейшей обработки и индикации (на чертежах не показан).
NFC модуль представляет собой встроенный в корпус датчика компонент для осуществления коммуникации с внешним считывающим устройством на частоте 13.56 МГц на расстояние до 10 см для целей беспроводной передачи данных со скоростью не менее 212 Кбит/с об идентификационном номере датчика и другой служебной информации (номер партии, дата изготовления, наименование, производитель и др).
Все внутренние элементы конструкции заполнены, для защиты от воздействия внешних факторов в процессе эксплуатации, компаундом марки "Этал-1480ТГ", что обеспечивает рабочее функционирования датчика в условиях критических температур в диапазоне от -40 до +85°С. Также компаунд обладает необходимыми демпфирующими свойствами, что позволяет конструкции датчика выдерживать продолжительные динамические нагрузки до 20g.
Для осуществления процесса измерений уровня деформации оси, корпус датчика оснащен четырьмя крепежными отверстиями (3) и закрепляется при помощи четырех винтов к двум металлическим кронштейнам, предварительно приваренным к верхней поверхности оси транспортного средства с помощью электро-дуговой сварки. Закручивание датчика осуществляется динамометрическим ключом с усилием не более 25 Н/м.
Для обеспечения необходимой точности измерений предусмотрено, что на ось транспортного средства, в зависимости от ее типа, можно установить от 1 до 3 датчиков.