ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 1997 года по МПК G01L1/18 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках силы, основанных на применении пьезоэлементов для измерений усилий, в частности, при проведении балансировок изделий. Измерение сил дисбаланса важно в балансировочных станках, работающих в дорезонансном режиме.

Известны датчики усилия для измерения по одной или нескольким составляющим силы /1/.

Пьезоэлектрическим датчикам усилия свойственны продольный, поперечный пьезоэффекты и пьезоэффект при скалывающей нагрузке. Кварцевые пластинки могут быть вырезаны таким образом, чтобы они были чувствительны только к сжатию или скалывающему усилию, действующему в одном направлении.

Поперечный пьезоэффект используется преимущественно в датчиках давления и высокочувствительных датчиках усилия, т.к. это свойство пьезоэффекта является единственным, при котором путем выбора соответствующей формы кварцевого элемента можно оказывать влияние на чувствительность датчика. Поэтому к основному недостатку таких датчиков можно отнести специальный подбор соответствующей формы кварцевого элемента, что удорожает их производство.

Известны датчики давления, в которых вместо кристаллов кварца используют сегнетоэлектрики, представляющие собой искусственно изготовленные керамические материалы, приобретающие пьезоэлектрические свойства в результате искусственной поляризации, что позволяет изготавливать датчики любых форм /2/.

Датчики силы на основе пьезокерамики имеют на два порядка выше чувствительность по заряду по сравнению с кварцевыми и предназначаются для балансировки деталей с малыми дисбалансами. Но проблема чувствительности к поперечным колебаниям остается, что является основным недостатком этих датчиков.

Наиболее близким по технической сущности является датчик силы, содержащий корпус, пьезоэлемент с токосъемниками, изоляторами и опорными основаниями, и пружину /3/.

Основным недостатком прототипа датчика силы является также чувствительность к поперечным колебаниям, что снижает точность измерения силы дисбаланса.

Экспериментально установлено, что установка датчика силы враспор обусловливает его наибольшую поперечную чувствительность при возбуждении колебаний в осевом направлении на резонансных частотах. При этом коэффициент передачи осевой силы на датчик на резонансных частотах достигает значения десяти единиц и более, что подтверждается установкой датчика на плоскости с одной стороны и шаровую опору с другой стороны в качестве связи с узлом - жестким упором станка.

Основной задачей изобретения является создание датчика силы такой конструкции, в которой в наименьшей степени проявлялось влияние поперечных колебаний.

Цель изобретения повышение точности измерения и надежности. Поставленная задача и указанная цель изобретения достигаются за счет того, что в датчике силы, содержащем корпус, пьезоэлемент с токосъемниками, изоляторами и опорными основаниями и пружину, одно опорное основание пьезоэлемента снабжено жестко соединенным с ним толкателем, выполненным в виде упруго-гибкого стержня с упруго-гибкой шейкой на его конце со стороны этого опорного основания, закрепленного в корпусе пружиной, а другое - упруго-податливыми растяжками, соединенными с корпусом, причем корпус выполнен с фланцем и центрирующим выступом для фиксации датчика.

На фиг.1 дан общий вид датчика силы с осевым сечением, на фиг.2 сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 вид по стрелке А на фиг.1.

Датчик силы содержит корпус 1, пьезоэлемент 2 с токосъемниками 3 и 4, изоляторами 5 и 6, опорными основаниями 7 и 8, толкатель 9, закрепленный в корпусе 1 пружиной 10. Толкатель 9 выполнен в виде упруго-гибкого стержня с упруго-гибкой шейкой 11 на его конце, жестко соединенной с опорным основанием 7.

Опорное основание 8 соединено с корпусом 1 равномерно расположенным по его периметру упруго-податливыми растяжками 12. Корпус 1 выполнен с фланцем 13 и центрирующим выступом 14 для фиксации датчика. Датчик силы снабжен крышкой 15, закрепленной на корпусе 1, имеющей выводные отверстия под кабельную проводку с токосъемников 3 и 4 пьезоэлемента 2 (условно не показано). Пьезоэлемент 2 с токосъемниками 3 и 4, изоляторами 5 и 6 и опорными основаниями 7 и 8 снабжены общим для них посадочным штифтом 16.

Функционирование датчика силы заключается в следующем. Датчик силы фиксируется на балансировочном станке посредством центрирующего выступа 13 так, что колебательные усилия воспринимаются им от упруго-гибкого стержневого толкателя 9 на опорное основание 7. При снятой крышке 15 посредством затяжки упруго-податливых растяжек 12 производится тарировка пьезоэлемента 2. При включении датчика силы в работу осевые усилия передаются на опорное основание 7, изолятор 5, токосъемник 3, на пьезоэлемент 2, опертый через токосъемник 4 и изолятор 6 на опорное основание 8, скрепленное упруго-податливыми растяжками 12 с корпусом 1 датчика, поперечные колебания расходуются на преодоление энергии изгиба упруго-гибкого стержневого толкателя 9 и его упруго-гибкой шейки 11, упругой податливости растяжек 12 и упругой податливости пружин 10. Кроме того, длина стержневого толкателя 9, выбранная в пределах обеспечения упруго-гибкого изгиба без остаточных деформаций, также уменьшает как на плече рычага влияние поперечных колебаний на пьезоэлемент 2. В процессе нагружения датчика силы пьезоэлемент 2 выдает показания, характерно выраженные для сжимающих усилий.

Опытный образец датчика силы, изготовленный с использованием нового технического решения, в условиях экспериментальных исследований при балансировке показал положительные результаты и достоверность показаний.

Использование: для измерения усилий, в частности, возникающих при балансировках изделий. Сущность изобретения: датчик силы содержит корпус 1, пьезоэлемент 2 с токосъемниками 3 и 4, изоляторами 5 и 6, опорными основаниями 7 и 8, толкатель 9, выполненный в виде упруго-гибкого стержня с упруго-гибкой шейкой 11 на его конце, жестко скрепленной с нагрузочным опорным основанием 7. Конус 1 имеет фланец 13 с центрирующим выступом 14 для его фиксации. Опорное основание 8 соединено с корпусом 1 упруго-податливыми растяжками 12. 3 ил.

Датчик силы, содержащий корпус, пьезоэлемент с токосъемниками, изоляторами и опорными основаниями и пружину, отличающийся тем, что одно опорное основание пьезоэлемента снабжено жестко соединенным с ним толкателем, выполненным в виде упругогибкого стержня с упругогибкой шейкой на его конце со стороны этого опорного основания, закрепленного в корпусе пружиной, а другое
упругоподатливыми растяжками, соединенными с корпусом, причем корпус выполнен с фланцем и центрирующим выступом для фиксации датчика.