УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И СИЛ Российский патент 1994 года по МПК G01B7/18 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к технике натурной тензометрии, и может быть использовано при измерении сил и перемещений в различных системах, подвергающихся воздействию механических нагрузок.

Известны устройства [1] для измерения деформаций и сил (тензообразователи), в которых чувствительным элементом является упругий элемент (в дальнейшем - тензоэлемент) с установленными на нем тензорезисторами. В этих устройствах изменение механического сигнала создает соответствующую деформацию упругого элемента и тензорезисторов (преобразователи сила-деформация, сила-перемещение, давление -деформация, давление-перемещение и др. ).

К преобразователям силы, например, относятся упругие элементы в виде сплошных или полых стержней, балок равного сечения и равного сопротивления, колец постоянного и переменного сечения и др.

Недостатком стержневых упругих элементов является малая величина перемещения и невозможность выполнить одинаковые условия для установки тензорезисторов, воспринимающих деформации разного знака (из-за изгиба стержней), ограниченная чувствительность.

Недостатками изгибаемых упругих элементов (балок) являются значительные трудности при фиксации точек и направления приложения силы, трудности жесткой заделки второго конца балки (при консоли), перемещение по дуге точки приложения силы и конца балки и др.

Известно устройство [2] , содержащее тензорезисторный преобразователь в виде сплошного упругого кольца с установленными на нем тензорезисторами, опорные резьбовые стержни для соединения с испытуемым объектом и электронный регистратор (вторичная аппаратура) выходных сигналов тензорезисторов.

Однако кольцевые упругие элементы имеют следующие недостатки. Они выполнены сплошными, т. е. резьбовые опорные стержни выполнены заодно с кольцом, что является нетехнологичным. Кроме того, резьбовые опорные стержни не обеспечивают достаточно соосного приложения нагрузки сжатия. В кольце не предусмотрена регулировка предварительного натяжения и отсутствует арретир для предотврщения поломки кольца или для предохранения от слишком большой нагрузки, при которой материал кольца переходит в пластическое состояние, а тензорезисторы получают недопустимо большую деформацию, которая может привести к их разрушению, что приводит к снижению точности измерения деформаций и сил.

Целью изобретения является повышение точности изменения и упрощение технологичности изготовления устройства.

Это достигается тем, что в устройстве для измерения деформаций и сил, содержащем чувствительный элемент в виде упругого кольца с тензорезисторами, опорные стержни и регистратор выходных сигналов, обеспечена регулировка предварительного натяжения чувствительного элемента с помощью рамы с двумя отверстиями - с микрометрической резьбой и гладким, расположенными каждое в прямопротивоположных перемычках рамы.

Посредством этих отверстий рама взаимодействует с двумя съемными опорными стержнями с шариковыми наконечниками, жестко связанными с упругим кольцом в прямопротивоположных местах, при этом соединительные элементы выполнены у одного стержня в виде микрометрического винта, а у другого - головки винта.

На фиг. 1 схематично показано предлагаемое устройство; на фиг. 2 и 3 - сечения А-А и Б-Б соответственно на фиг. 1.

Устройство содержит чувствительный элемент в виде упругого кольца 1, на котором установлены тензорезисторы 2, связанные с упругим кольцом съемные опорные стержни 3 и 4, устройство для регулировки предварительного натяжения чувствительного элемента, выполненное в виде рамы 5.

Рама имеет два отверстия в прямопротивоположных перемычках, одно - с микрометрической резьбой, другое - гладкое. Рама взаимодействует с опорными стержнями 3 и 4 с возможностью свободного углового перемещения через соединительные элементы, выполненные в виде шайб 6 и сегментов 7. Одна из поверхностей сегмента 7, та, которая прикасается к внутренней поверхности кольца, имеет форму окружности, радиус которой равен внутреннему радиусу кольца. Для надежной фиксации опорных стержней 3 и 4 сегменты 7 выполнены с буртиками 8 (см. сечение Б-Б), расстояние между которыми равно ширине кольца. С целью уменьшения чувствительности устройства к отклонению направления действия силы Р от заданного (несоосности действия силы Р) опорные стержни 3 и 4 снабжены шариковыми наконечниками 9. Один из соединительных элементов рамы имеет винтовую микрометрическую резьбу и связан с опорным стержнем 3, а другой - гладкую цилиндрическую головку 10 и связан с опорным стержнем 4.

Тензорезисторы 2 соединены монтажными электропроводами в мостовую схему и подключены к регистратору выходных сигналов - информационно-измерительной системе, например, СИИТ-3.

Прогиб кольца f_х и деформацию ε кольца и тензорезисторов определяют по формулам:
f_x= 0.149Pr³/EI; ε= PD/11·E·W где Р - измеряемая сила сжатия; r - радиус кольца; Е - модуль упругости материала кольца; I, W - соответственно момент инерции и момент сопротивления сечения кольца; D - диаметр кольца.

Устройство работает следующим образом.

Тензорезисторы подключают к регистрирующему устройству и отмечают показания их в ненагруженном состоянии кольца. Поворотом рамы 5 по часовой стрелке производят предварительное натяжение кольца, величина которого контролируется по показаниям регистрирующего устройства. Натяжение осуществляется за счет того, что рама 5 при повороте свободно перемещается в угловом направлении относительно цилиндрической головки 10 соединительного элемента, связанного с опорным стержнем 4. При этом на головку действует определенная осевая нагрузка, которая передается на противоположную перемычку рамы, в результате чего опорный стержень завертывается в перемычку рамы , в результате чего опорный стержень завертывается в перемычку рамы, создавая натяжение кольца.

После создания необходимого предварительного натяжения устройство устанавливают на испытуемый объект таким образом, что шариковые опоры соприкасаются с измерительной поверхностью - опорными плитами объекта (на чертеже не показаны). Отмечают показания ε_oтензорезисторов в этом начальном положении.

При воздействии нагрузки сжатия на измеряемый объект расстояние между его опорными плитами уменьшается, что привод к уменьшению базы l_o(см. чертеж). При этом тензорезисторы получают линейную деформацию по направлению своих главных осей. Изменение выходного сигнала тензорезисторов регистрируется информационно-измерительной системой. По этому изменению сигнала можно определить изменение базы l_o исследуемого объекта.

Таким образом, предлагаемое устройство для изменения деформаций и сил по сравнению с известным обеспечивает повышение точности измерения, обусловленное возможностью установки нуля при измерениях деформаций, а также уменьшением чувствительности устройства к отклонению направления действия силы Р от заданного. Возможность надежной фиксации нулевого отсчета и устранение люфтов обеспечивают повышение точности измерения примерно в 1,5 раза.

Выполнение опорных стержней съемными с резьбой на одном конце обеспечивает упрощение технологичности изготовления устройства. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 868336, кл. G 01 B 7/18, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР N 1474450, кл. G 01 B 7/18, 1986.

Использование: при измерении сил и перемещений в различных системах, подвергающихся воздействию механических нагрузок. Сущность: устройство включает чувствительный элемент в виде упругого кольца с тензорезисторами, опорные стержни и регистратор выходных сигналов. Отличие заключается в том, что введено устройство для регулировки предварительного натяжения чувствительного элемента, выполненное в виде рамы с двумя отверстиями - с микрометрической резьбой и гладким, расположенными в прямопротивоположных перемычках рамы. Посредством этих отверстий рама воздействует с двумя съемными опорными стержнями с шариковыми наконечниками, жестко связанными с упругим кольцом в прямопротивоположных местах. При этом соединительные элементы выполнены у одного стержня в виде микрометрического винта, а у другого - головки винта. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И СИЛ , содеpжащее чувствительный элемент в виде упpугого дефоpмационного кольца с тензоpезистоpами, опоpные стеpжни, жестко связанные с упpугим дефоpмационным кольцом в его диаметpально пpотивоположных точках, и pегистpатоp выходных сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено механизмом pегулиpования пpедваpительного натяжения чувствительного элемента, выполненным в виде замкнутой pамы с отвеpстиями на пpотивоположных полках, одно из отвеpстий выполнено с микpометpической pезьбой, а дpугое - гладкое, опоpные стеpжни одними концами установлены в этих отвеpстиях с возможностью пеpемещения вдоль оси отвеpстий и выполнены с ответными частями соответственно: один - с микpометpической pезьбой, а дpугой - гладкий с огpаничителем, pасположенным с внутpенней стоpоны замкнутой pамы, дpугие свободные концы опоpных стеpжней выполнены с шаpиковыми наконечниками.