ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ
RESISTIVE STRAIN-GAUGE FORCE TRANSDUCER

Изобретение относится к весовой технике, в частности к тензорезисторным датчикам силы, предназначенным для точного измерений сил, в том числе в агрессивных средах.
Известен датчик растяжения сжатия (А.С. 1744523, МПК G01L 1/22, опубл. 30.06.92. Бюл. №24), содержащий два силовоспринимающих кольца, две силовводящие оболочки разного диаметра и упругий элемент с тензорезисторами, расположенными между силовводящими оболочками, при этом кольца, силовводящие оболочки и упругий элемент выполнены за одно целое и соединены между собой плавно, причем силовводящая оболочка меньшего диаметра выполнена вогнутой, а большего - выпуклой, при этом величина вогнутости и выпуклости оболочек не меньше толщины соответствующих оболочек.
Недостатком такого датчика растяжения сжатия является то, что необходим корпус, чтобы оградить тензорезисторы от внешней среды, так как они установлены на внешней боковой поверхности упругого элемента, а деформация обратно пропорциональна радиусу этой поверхности, что снижает точность измерения. Кроме того, соединение корпуса с упругим элементом воспринимает часть приложенного усилия, которое передается деталям указанного соединения, что также снижает точность измерения. Наличие корпуса требует герметичного соединения его с упругим элементом, и это соединение при воздействии агрессивной среды разрушается, что приводит к отказу датчика силы.
Запрессовка отдельно изготовленной тонкой цилиндрической оболочки с тензорезисторами по внутренней цилиндрической поверхности упругого элемента, как это выполнено в работе (Сергеев С.Т., Дащенко А.Ф., Голованов В.К. К вопросу расчета и проектирования бескорпусных датчиков силы // АН УССР. Прикладная механика. - 1991. том XXYII №11. - С.97-102), позволяет обойтись без корпуса. Однако в результате воздействия сжимающего усилия упругий элемент повернется на некоторый угол, что приведет к повороту запрессованной оболочки. При дальнейшем возрастании усилия наступит такой момент, когда давление на нижнюю часть оболочки будет отсутствовать. Поэтому давление упругого элемента на запрессованную оболочку вызовет усилия, направленные в осевом направлении, что снижает точность измерения и надежность передачи деформации тензорезисторам. Кроме того, при перегрузке кольцо с тензорезисторами может сдвинуться из места запрессовки в осевом направлении, что также снижает надежность передачи деформации тензорезисторам.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является бескорпусный датчик силы (Сергеев С.Т., Дащенко А.Ф., Голованов В.К. Метод расчета бескорпусных датчиков силы. // Вестник машиностроения, - 1992. №1. - С.24-26). Упругий элемент этого датчика состоит из жесткого центра, силовводящей оболочки, кольцевого силопреобразователя, опорной оболочки большего диаметра, опорного кольца, соединенных между собой последовательно и выполненных за одно целое, верхнее подрезисторное кольцо с тензорезисторами по своему наружному диаметру запрессовано со стороны силовводяшей оболочки, а нижнее подрезисторное кольцо с тензорезисторами по своему внутреннему диаметру запрессовано со стороны опорной оболочки. При этом функции корпуса в части защиты его внутренней полости с тензорезисторами от воздействия окружающей среды выполняют жесткий центр, силовводящая оболочка, кольцевой силопреобразователь, опорная оболочка, опорное кольцо, соединенные между собой последовательно и выполненные за одно целое, и дополнительная крышка, установленная жестко в опорном кольце.
Недостатком указанной конструкции, также как и выше, является то, что запрессовка колец с тензорезисторами осуществляется по цилиндрическим поверхностям, ось которых совпадает с осью кольцевого силопреобразователя. Поэтому при приложении измеряемого усилия сжатия или растяжения в кольцах с тензорезисторами изменяется величина сил запрессовки, это изменение вызывает осевые силы, стремящиеся сдвинуть кольца в осевом направлении, что также ухудшает показатели точности измерений. Отметим, что величина запрессовки колец соизмерима с величиной измеряемой деформации, поэтому при допустимой для датчика 10% перегрузке кольца могут сдвинуться в осевом направлении. Следовательно, снижается надежность передачи деформации тензорезисторам. Кроме того, при измерении усилий сжатия верхнее кольцо с тензорезисторами будет сжиматься, что увеличивает напряжение в месте соединения силовводящей оболочки и кольцевого силопреобразователя, а это уменьшает диапазон измерения и, как следствие, уменьшает точность измерения.
В этой связи важнейшей задачей является создание новой конструкции тензорезисторного датчика силы, позволяющей с повышенной надежностью передавать деформацию тензорезисторам и измерять динамические нагрузки с высокой точностью.
Технический результат: измерение динамических нагрузок с повышенной надежностью и с высокой точностью, в том числе и в агрессивных средах.
Поставленный технический результат достигается тем, что тензорезисторный датчик силы, содержащий жесткий центр, силовводяшую оболочку, кольцевой силопреобразователь, ограниченный изнутри цилиндрической поверхностью, имеющий в своей нижней части кольцевой выступ, ограниченный изнутри той же цилиндрической поверхностью, опорную оболочку большего диаметра и опорное кольцо, соединенные между собой последовательно и выполненные за одно целое, верхнее подрезисторное кольцо с тензорезисторами по своему наружному диаметру, запрессованное со стороны силовводяшей оболочки, а нижнее подрезисторное кольцо с тензорезисторами по своему внутреннему диаметру, запрессованное со стороны опорной оболочки, при этом силовводящая оболочка выполнена вогнутой и в средней части ограничена снаружи и изнутри цилиндрическими поверхностями, при этом внутренняя цилиндрическая поверхность вверху и внизу плавно сопрягается с участками конических поверхностей одинаковой конусности, причем сужающиеся части конусов направлены к средней части симметрично, а по их большим основаниям конуса плавно сопрягаются с вогнутой частью силовводящей оболочки, а верхнее подрезисторное кольцо ограничено изнутри и снаружи цилиндрическими поверхностями и снаружи имеет два выступа, расположенных симметрично середине и ограниченных коническими поверхностями одинаковой конусности, при этом сужающиеся части конусов направлены к середине симметрично, запрессовано по этим поверхностям в среднюю часть силовводящей оболочки, а кольцевой выступ кольцевого силопреобразователя ограничен снаружи конической поверхностью одинаковой конусности, причем сужающаяся часть конуса направлена к кольцевому силопреобразователю, а нижнее подрезисторное кольцо, запрессованное по конической поверхности одинаковой конусности, ограничивающей изнутри это кольцо, и его верхняя часть меньшим основанием конуса упирается в кольцевой силопреобразователь.
Кроме того, достижению технического результата способствует и то, что запрессовка отдельно изготовленных подрезисторных колец с тензорезисторами по коническим поверхностям одинаковой конусности исключает возможность их смещения в осевом направлении и позволяет надежно и точно передавать деформацию поверхности упругого элемента тезорезисторам. Это обеспечивается еще и тем, что для верхнего подрезисторного кольца запрессовка осуществляется по двум коническим поверхностям, причем сужающиеся части конусов направлены к средней части симметрично, а нижнее подрезисторное кольцо упирается в кольцевой силопреобразователь.
На фиг.1 изображен тензорезисторный датчик силы и показано осевое сечение, плоскостью проходящей через его ось; на фиг.2 показан выносной элемент А - увеличенное изображение средней части силовводящей оболочки с верхним подрезисторным кольцом; на фиг.3 показан выносной элемент Б - увеличенное изображение кольцевого выступа кольцевого силопреобразователя с нижним подрезисторным кольцом.
Тензорезисторный датчик силы, представленный на фиг.1, фиг.2 и фиг.3, состоит из жесткого центра 1, силовводящей оболочи 2, кольцевого силопреобразователя 3, ограниченного изнутри цилиндрической поверхностью, имеющего в своей нижней части кольцевой выступ 4, ограниченный той же внутренней цилиндрической поверхностью, опорной оболочки 5 большего диаметра и опорного кольца 6, соединенных между собой последовательно и выполненных за одно целое, и запрессованных верхнего 7 и нижнего 8 подрезисторных колец. Причем силовводящая оболочка 2 выполнена вогнутой и в средней части ограничена снаружи и изнутри цилиндрическими поверхностями, при этом внутренняя цилиндрическая поверхность вверху и внизу плавно сопрягается с участками конических поверхностей одинаковой конусности, при этом сужающиеся части конусов направлены к середине симметрично средней части, а по их большим основаниям конусы плавно сопрягаются с вогнутой частью силовводящей оболочки 2. Верхнее подрезисторное кольцо 7 ограничено изнутри и снаружи цилиндрической поверхностью и снаружи имеет два выступа, обозначенных позицией 9, и расположенных симметрично середине и ограниченных коническими поверхностями одинаковой конусности, при этом сужающиеся части конусов направлены к середине симметрично, и верхнее подрезисторное кольцо 7 запрессовано по этим поверхностям в среднюю часть силовводящей оболочки 2. Кольцевой выступ 4 кольцевого силопреобразователя 3 ограничен снаружи конической поверхностью одинаковой конусности, причем сужающаяся часть конуса направлена к кольцевому силопреобразователю 3. Нижнее подрезисторное кольцо 8 запрессовано по конической поверхности одинаковой конусности, ограничивающей его изнутри, и его верхняя часть своим меньшим основанием конуса упирается в кольцевой силопреобразователь 3. Величина одинаковой конусности показана с помощью угла между образующей конуса и осью датчика и равна α. Величина вогнутости силовводящей оболочки равна b, а ее толщина равна а. Тензорезисторы показаны условно и обозначены позициями 10 для верхнего подрезисторного кольца 7 и позицией 11 для нижнего подрезисторного кольца 8. Вогнутость силовводящей оболочки 2 показана с помощью радиусов r, R поверхностей ее ограничивающих, изнутри и снаружи соответственно.
Предлагаемый тензорезисторный датчик силы работает следуюшим образом (фиг.1). Осевая нагрузка P, приложена к жесткому центру 1 и действует со стороны опорного кольца 6, в качестве реакции опоры. В результате средняя вогнутая часть силовводящей оболочки 3 сжимается и влечет сжатие верхнего подрезисторного кольца 7 с тензорезисторами 10. Это обеспечивается тем, что силовводящая оболочка 3 является вогнутой и величина ее вогнутости больше ее толщины, то есть b>a. Нижняя часть силовводящей оболочки 2 и опорная оболочка 5 воздействуют на кольцевой силопреобразователь 3, поворачивают его сечение совместно с кольцевым выступом 4 на некоторый угол, что влечет растяжение нижнего подрезисторного кольца 8 с тензорезисторами 11. Таким образом, верхние тезорезисторы 10 уменьшают свою длину, а нижние 11 увеличивают, и включенные в электрическую схему мостика Уинстона вырабатывают электрический сигнал, пропорциональный приложенной нагрузке P.
Предлагаемый тензорезисторный датчик силы отличается от прототипа тем, что силовводящая оболочка 2 меньшего диаметра выполнена вогнутой и в средней части ограничена снаружи и изнутри цилиндрическими поверхностями, при этом внутренняя цилиндрическая поверхность вверху и внизу плавно сопрягается с участками конических поверхностей одинаковой конусности, при этом сужающреся части конусов направлены к середине симметрично, которые вблизи больших оснований плавно сопрягаются с вогнутой частью силовводящей оболочки. На фиг.1 и фиг.2 показаны радиусы сопряжений R1 и R2 и величина конусности α. Кроме того, верхнее подрезисторное кольцо 7 ограничено изнутри и снаружи цилиндрической поверхностью и снаружи имеет два выступа, отмеченных позицией 9 и расположенных симметрично середине, и ограниченных коническими поверхностями одинаковой конусности, и запрессовано по этим поверхностям в среднюю часть силовводящей оболочки 2. а кольцевой выступ 4 кольцевого силопреобразователя 3 ограничен снаружи конической поверхностью одинаковой конусности, причем сужающаяся часть конуса направлена к кольцевому силопреобразователю 3, а нижнее подрезисторное кольцо 7 запрессовано по конической поверхности одинаковой конусности, ограничивает изнутри это подрезисторное кольцо 7 и его верхняя часть упирается в кольцевой силопреобразователь.
Отметим также существенное отличие от прототипа, заключающееся в использовании вогнутой силовводящей оболочки 2, что позволяет снизить уровень напряжений в месте ее соединения с кольцевым силопреобразователем 3, при этом запрессовка тензорезиторного кольца 7 осуществляется в ее средней части, где радиальная деформация имеет большую величину. Кроме того, в отличие от прототипа выполнение в предлагаемой конструкции конических поверхностей одинаковой конусности обеспечивает постоянный уровень напряжений в месте запрессовки. Следовательно, распределение деформации вдоль образующей конуса оказывается равномерным, что способствует увеличению точности измерения динамических нагрузок. Этот эффект усиливается еще и тем, что благодаря одинаковой конусности силы, действующие на верхнее подрезисторное кольцо 7, направлены к друг другу и имеют одинаковую величину, то есть взаимно уничтожаются. Осевые силы, действующие на нижнее подрезисторное кольцо 8, стремятся его сдвинуть в направлении кольцевого силопреобразователя 3, то есть прижимают нижнее подрезисторное кольцо 8 к кольцевому силопреобразователю 3. Поэтому в отличие от прототипа деформация передается тензорезисторам с повышенной точностью и надежностью. Все это способствует увеличению точности и надежности измерения динамических нагрузок.
Таким образом, изложенное выше, свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий.
Разработанное устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, за счет введения конических поверхностей одинаковой конусности и вогнутой силовводящей оболочки обеспечивает точность и надежность передачи деформации подрезисторным кольцам и поэтому позволяет значительно увеличить, по сравнению с прототипом, точность и надежность измерения динамических нагрузок, в том числе и для измерения в агрессивных средах.
Увеличена точность и надежность измерений за счет снижения напряжений в местах соединения силовводящей оболочки с кольцевым силопреобразователем, что способствует передаче более точных данных и позволяет производить измерения динамических нагрузок, в том числе и в агрессивных средах.