ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 1994 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к силоизмерительной технике, в частности для измерения сил в электронных весах.

Известны конструкции виброчастотных датчиков силы для весов, содержащие вибропреобразователь в виде тонкой перемычки, укрепленной в корпусе, и систему возбуждения колебаний перемычки.

Недостатком данной конструкции является существенно нелинейная характеристика преобразования.

Наиболее близким по достигаемому результату и технической сущности является тензорезисторный датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма, в полости боковой поверхности которого размещена чувствительная балка с закрепленными на ее поверхности тензодатчиками. При приложении усилия чувствительный элемент - балка работает на изгиб, сред или растяжение - сжатие /2/.

Недостатком этого датчика является то, что выходной сигнал, получаемый в результате измерений, неудобен (он получается в виде напряжения или тока), поэтому для его преобразования требуется дополнительное цифровое кодирование, воспринимаемое микроЭВМ, что вносит дополнительную погрешность. Кроме этого, каждый тензодатчик требует индивидуальной компенсации температурной погрешности коэффициента преобразования.

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности.

Это достигается тем, что в датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, в которой размещена упругая балка прямоугольного сечения, на поверхности которой установлены чувствительные элементы, в него введен генератор, в упругой балке выполнено сквозное отверстие, чувствительные элементы выполнены в виде двух пьезопластин прямоугольной формы, закрепленных на боковых поверхностях упругой балки, при этом электроды пьезопластин соединены с генератором, оси пьезопластин взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45^о к продольной оси упругой балки, а точка пересечения этих осей совпадает с центром сквозного отверстия
На чертеже изображен датчик силы, общий вид.

Устройство содержит упругий параллелограмм 1, деформируемую балку - чувствительный элемент (пьезоэлемент) 2 прямоугольного сечения, пьезоэлементы 3 в виде пластин прямоугольной формы. С одного края датчик жестко закреплен, а к свободному концу прикладывается сила F.

Устройство работает следующим образом.

Под действием измеряемой силы F на упругий параллелограмм 1 на боковых поверхностях деформируемой балки 2 возникают напряжения растяжения и сжатия, ориентированные вдоль соответствующих диагоналей балки.

Пьезоэлементы 3 воспринимают напряжения: один - растяжения, другой - сжатия. При этом изменяются их резонансные частоты с разными знаками.

Функции преобразования имеют вид
= KF ; = KF,
где Δ f_1,2(F) - изменение резонансной частоты первого и второго пьезоэлементов соответственно;
f_1,2(0) - резонансные частоты пьезоэлементов (при F=0);
K, K - коэффициенты силочувствительности пьезоэлементов с учетом коэффициента передачи упругого элемента.

При изменении резонансных частот пьезоэлементов соответственно изменяются частоты, генерируемые возбуждающими пьезоэлементы генераторами и далее блок вычитания частот (не показан) выдает разностную частоту, являющуюся функцией измеряемого усилия
Δf_Σ(F)=(K+ K)·F+f₁(O)-f₂(O)
Нелинейность преобразования составляет величину, не превышающую 0,02%. При использовании устройства в серийном производстве будет обеспечена высокая линейность преобразования (≅ 0,02%), а коэффициенты преобразования пьезоэлементов К_F практически не изменяются от температуры в диапазоне (+5- +40)^оС ≅ ≅ 0,03%, что исключает необходимость температурной компенсации каждого датчика.

Поскольку пьезоэлементы обладают высокой жесткостью вдоль оси чувствительности, к материалам для изготовления упругих элементов не предъявляют высоких требований. Поэтому для изготовления может применяться сравнительно дешевая, легко поддающаяся обработка, например, конструкционная сталь, что ведет к общему снижению затрат на изготовление.

Использование: для измерения сил в электронных весах. Сущность изобретения: датчик содержит параллелограмм с полостью в боковой стенке, в которой размещена упругая балка со сквозным отверстием. Чувствительные элементы, размещенные на упругой балке, выполнены в виде прямоугольных пьезопластин, оси которых взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45° к продольной оси упругой балки. Точка пересечения осей пьезопластин совпадает с центром сквозного отверстия в упругой балке, а электроды пьезопластин соединены с генератором. 1 ил.

ДАТЧИК СИЛЫ, содержащий корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, в которой размещена упругая балка прямоугольного сечения, на поверхности которой установлены чувствительные элементы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, в него введен генератор, в упругой балке выполнено сквозное отверстие, чувствительные элементы выполнены в виде двух пьезопластин прямоугольной формы, закрепленных на боковых поверхностях упругой балки, при этом электроды пьезопластин соединены с генератором, оси пьезопластин взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45^o к продольной оси упругой балки, а точка пересечения этих осей совпадает с центром сквозного отверстия.