ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 1996 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерений с высокой точностью сил.

Известен тензорезисторный датчик силы, принятый в качестве аналога, в котором упругий элемент выполнен в форме тела вращения с несущим изгибаемым кольцом Z-образного меридионального сечения, на торцах которого выполнены подрезисторные выступы с размещенными на них тензорезисторами, а само кольцо сопрягается с силовводящей и опорной цилиндрическими оболочками (а.с. СССР N 1352256, 1987, G 01 L 1/22). К недостаткам аналога следует отнести значительную геометрическую нелинейность упругого элемента.

Известен тензорезисторный датчик силы, принятый в качестве прототипа, в упругом элементе которого моменты инерции кольца в его меридиональном сечении относительно центральных осей равны, чем обеспечивается высокая линейность характеристики датчика (а. с. СССР N 1631319, G 01 L 1/22, опубл. 28.02.91; бюл. N 8). К недостаткам прототипа следует отнести то, что для обеспечения равенства моментов инерции относительно центральных осей меридионального сечения изгибаемого кольца, в ряде случаев подpезисторные выступы требуется выполнять со значительным разносом по диаметру, что ухудшает технологичность конструкции упругого элемента и значительно повышает температурную погрешность измерения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений за счет снижения температурной составляющей погрешности.

Эта цель достигается тем, что в датчике силы, содержащем мембрану, корпус, соединенный с упругим элементом в форме тела вращения с изгибаемым кольцом, с цилиндрическими силовводящей и опорной оболочками, на торцах которого выполнены подрезисторные выступы, и тензорезисторы, плоскости сопряжения изгибаемого кольца с силовводящей и опорной цилиндрическими оболочками относительно смещены вдоль линии действия силы на величину Δ,, определяемую зависимостью

где S коэффициент тензочувствительности материала тензорезисторов; К_н номинальное значение коэффициента передачи датчика; C и ΔC - соответственно изгибная жесткость кольца и величина ее изменения при деформации упругого элемента номинальной нагрузкой; h_т и R_т - соответственно средние значения высоты размещения тензорезисторов, измеренное от срединной плоскости изгибаемого кольца, и радиус цилиндрических поверхностей подрезисторных выступов; R₂ и R₄ соответственно средние значения радиусов силовводящей и опорной цилиндрических оболочек упругого элемента.

Конструкция датчика представлена на фиг. 1. Упругий элемент датчика, выполненный цельным в форме тела вращения включает силовоспринимающую часть 1, сопряженную через силовводящую тонкостенную цилиндрическую оболочку 2 с изгибаемым кольцом 3, которое через опорную тонкостенную цилиндрическую оболочку 4 сопряжено с корпусом 5. На нижнем торце кольца 3 выполнен подрезисторный выступ 6, на цилиндрической поверхности радиуса R_тн которого размещены тензорезисторы 7 на расстоянии h_тн от плоскости, проходящей через центр тяжести меридионального сечения кольца 3, а на верхнем торце кольца 3 выполнен подрезисторный выступ 8, на цилиндрической поверхности радиуса R_тв которого размещены тензорезисторы 9 на расстоянии h_тв от той же плоскости. От внешней среды рабочая зона тензорезисторов герметизируется мембраной 10.

Работает датчик следующим образом. Под действием измеряемой силы F кольцо 3 изгибается, что обуславливает поворот его меридионального сечения на угол Φ и приращение деформаций растяжения для тензорезисторов 9. Ввиду того, что в процессе изгиба кольца 3, его жесткость С изменяется на величину DC,, для обеспечения линейности характеристики датчика необходимо обеспечить изменение плеча изгибающих кольцо сил на величину ΔR, определяемую зависимостью
(1)
Приращение плеча изгибающих кольцо сил обеспечивается за счет смещения точек его сопряжения с цилиндрическими оболочками 2 и 4 на величину Δ:
(2)
где v угол поворота меридионального сечения, связанный с номинальным значением коэффициента передачи датчика (К_н), коэффициентом тензочувствительности материала тензорезисторов (S), со средним радиусом подрезисторных выступов
R_т (R_тв + R_тн/2,
со средним значением их расстояний от плоскости, проходящей через центры меридионального сечения кольца
h_т (h_тв + h_тн)/2 зависимостью

На основании зависимостей (1), (2), (3) получим зависимость для определения требуемой величины смещения плоскостей сопряжений силовводящей и опорной цилиндрических оболочек с кольцом 3.

Новым в предлагаемой конструкции датчика является относительное смещение вдоль линии действия измеряемой силы плоскостей сопряжения изгибаемого кольца с силовводящей и опорной оболочками, обеспечивающее высокую точность измерения за счет пропорциональности изменения плеча изгибающих кольцо сил изменению его жесткости.

Сущность изобретения: датчик силы содержит мембрану, корпус, соединенный с упругим элементом в форме тела вращения с изгибаемым кольцом с цилиндрическими силовводящей и опорной оболочками. На торцах упругого элемента выполнены подрезисторные выступы с тензорезисторами. Плоскости сопряжения изгибаемого кольца с упомянутыми оболочками относительно смещены вдоль линии действия силы на заданную величину, определяемую математической зависимостью, учитывающей геометрические размеры элементов датчика, физические параметры материала тензорезисторов и элементов датчика, а также коэффициент передачи датчика. 1 ил.

Датчик силы, содержащий мембрану, корпус, соединенный с упругим элементом в форме тела вращения с изгибаемым кольцом с цилиндрическими силовводящей и опорной оболочками, на торцах которого выполнены подрезисторные выступы, и тензорезисторы, отличающийся тем, что плоскости сопряжения изгибаемого кольца с силовводящей и опорной цилиндрическими оболочками относительно смещены вдоль линий действия силы на величину Δ, определяемую зависимость:

где S коэффициент тензочувствительности материала тензорезисторов;
К_н номинальное значение коэффициента передачи датчика;
C и ΔC соответственно изгибаемая жесткость кольца и величина ее изменения при деформации упругого элемента номинальной нагрузкой;
h_т и R_т соответственно средние значения высоты размещения тензорезисторов, измеренные от срединной плоскости изгибаемого кольца, и радиуса цилиндрических поверхностей подрезисторных выступов;
R₂ и R₄ соответственно средние значения радиусов силовводящей и опорной цилиндрических оболочек упругого элемента.