УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ Российский патент 1997 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к области измерительной техники, может быть использовано для измерения силы в взвешивающих устройствах, позволяет повысить точность измерений, обеспечить возможность работы при воздействии силы на сжатие и на растяжение, увеличить предельно допустимые нагрузки и улучшить эксплуатационную надежность конструкции.

Известно устройство для измерения силы, включающее параллелограмм Роберваля, содержащий две платформы, неподвижную и подвижную, соединенные между собой двумя или более силовыми балками. На верхней и нижней силовых балках в местах их заделки в платформы приклеены тензорезисторы. При приложении силы к подвижной платформе происходит деформация силовых балок, которую измеряют с помощью тензорезисторов [1]
Недостатками устройства являются отсутствие защиты от перегрузок и, как следствие, ограничения по прилагаемым нагрузкам и большие погрешности из-за влияния крутящего момента, возникающего при нецентровом нагружении.

Известно устройство (прототип) для измерения силы, включающее два параллелограмма Роберваля, размещенные один внутри другого с параллельным расположением осей симметрии. Наружный и внутренний параллелограммы содержат подвижные и неподвижные платформы, соединенные между собой силовыми упругими балками. Наружный и внутренний параллелограммы выполнены в виде единого целого. Наружный параллелограмм дополнительно содержит жестко связанную с неподвижной платформой консоль, тензорезисторы, объединенные в схему четырехплечевого активного моста, приклеенные к силовым балкам внутреннего параллелограмма. Между консолью и подвижной платформой внутреннего параллелограмма установлен шток, на концах штока размещены точечные опоры в виде игл конусообразной формы. Передачу усилий с наружного параллелограмма на внутренний осуществляют с помощью штока. Один конец штока через точечную опору в виде иглы связан со свободным концом консоли и через нее с подвижной платформой наружного параллелограмма, другой конец штока через другую точечную опору в виде иглы связан с подвижной платформой внутреннего параллелограмма, а усилия измеряются тензорезисторами [2]
Недостатками устройства являются отсутствие защиты от перегрузок и, как следствие, ограничение по прилагаемым нагрузкам. Кроме того, устройство работает при одном расположении сил только на сжатие. Точность измерения определяется расположением точечных опор строго по вертикали, и любое отклонение, связанное с прилагаемыми нагрузками, приводит к появлению дополнительных погрешностей.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности измерения, расширение функциональных возможностей за счет работы при воздействии силы как на сжатие, так и на растяжение, увеличение предельно допустимых нагрузок и повышение эксплуатационной надежности конструкции.

Это достигается тем, что в устройстве для измерения силы, включающем два параллелограмма Роберваля, размещенных один внутри другого с параллельным расположением вертикальных и горизонтальных осей симметрии, выполненных в виде единого целого и содержащих неподвижную и подвижную платформы, соединенные между собой упругими силовыми балками, и тензорезисторы, объединенные в схему четырехплечевого активного моста, согласно изобретению между упругими силовыми балками внутреннего параллелограмма установлена измерительная балка, а тензорезисторы расположены на концах измерительной балки;
платформы внутреннего параллелограмма снабжены расположенными по одной горизонтальной оси выступами прямоугольной формы, один выступ жестко связан с неподвижной платформой внешнего параллелограмма, второй выступ с подвижной платформой внешнего параллелограмма через упругий элемент в виде тонкого стержня, один конец которого в свою очередь жестко связан с выступом на подвижной платформе внутреннего параллелограмма, а другой с подвижной платформой внешнего параллелограмма через промежуточную тягу Г-образной формы, жестко связанную коротким концом с подвижной платформой внешнего параллелограмма, а длинным концом с упругим стержнем;
подвижная и неподвижная платформы внешнего параллелограмма совмещены друг с другом через подвижное замковое соединение с калиброванным зазором между совмещаемыми поверхностями;
количество упругих силовых балок между платформами внешнего параллелограмма кратно двум;
платформы внутреннего параллелограмма, упругие силовые балки между ними, упругий стержень и Г-образная тяга выполнены в виде единого целого из одного материала, например из монокристаллического кремния;
измерительная балка выполнена также из монокристаллического кремния, а тензорезисторы на концах сформированы диффузией;
при приложении силы в направлении неподвижной платформы внешнего параллелограмма или в противоположном направление упругого стержня от выступа к тяге совпадает с направлением силы, и упругий стержень работает на растяжение.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для измерения силы при работе на сжатие и на растяжение (фиг. 2).

Устройство содержит два параллелограмма Роберваля, которые размещены один внутри другого и выполнены в виде единого целого. Наружный параллелограмм состоит из неподвижной платформы 1 и подвижной платформы 2. Платформы 1 и 2 соединены между собой упругими силовыми балками 3, 4. Внутренний параллелограмм состоит из неподвижной платформы 5 и подвижной платформы 6. Платформы 5 и 6 соединены между собой упругими силовыми балками 7 и 8. Между балками 7 и 8 параллельно им установлена измерительная балка 9 со сформированными на ней диффузионными тензорезисторами 10, объединенными в схему четырехплечевого активного моста. Платформы 5 и 6 внутреннего параллелограмма выполнены с выступами 11, 12 прямоугольной формы. Выступ 11 на платформе 5 жестко связан с платформой 2. Выступ 12 на платформе 6 через упругий тонкий стержень 13 и промежуточную Г-образной формы тягу 14 связан с платформой 1 так, что один конец тонкого упругого стержня 13 жестко связан с выступом 12, другой конец стержня 13 связан с длинным концом Г-образной тяги 14, а короткий конец тяги 14 соединен с платформой 1.

Платформы 5, 6, упругие силовые балки 7, 8 внутреннего параллелограмма, тонкий упругий стержень 13 и Г-образная тяга 14 выполнены из одного материала в виде единого целого. Платформы 1, 2 внешнего параллелограмма выполнены совмещенными друг с другом через подвижное замковое соединение с калиброванным зазором (δ) между совмещаемыми поверхностями. Платформы 1, 2 содержат кратное двум количество упругих силовых балок. Выступы 11, 12 расположены на одной горизонтальной оси, а наружный и внутренний параллелограммы могут быть выполнены из материалов, характеризующихся разными коэффициентами линейного растяжения, причем практически отсутствует увеличение дополнительной температурной погрешности. Это позволяет не накладывать дополнительных ограничений на конструкционный материал для изготовления внешнего параллелограмма. В результате наблюдается существенное расширение диапазона значений прикладываемых нагрузок и рабочего диапазона температур. В этом случае при любых значениях нагрузок внутренний параллелограмм не требует габаритных изменений, сохраняет свои размеры, конструкционный материал и соотношение размеров элементов, а при изменении величины измеряемых нагрузок изменяют только размеры и/или конструкционный материал внешнего параллелограмма, увеличивая количество упругих силовых балок и их толщину.

Устройство работает следующим образом.

При приложении сжимающих усилий к подвижной платформе 1 наружного параллелограмма происходит ее перемещение в направлении действия силы. Это перемещение через тягу 14 и тонкий упругий стержень 13 передается на платформу 4 внутреннего параллелограмма, вызывает ее перемещение и соответственно деформацию измерительной балки 9. Величина деформации измерительной балки 9 пропорциональна величине приложенной силы, которую измеряют с помощью тензорезисторов.

Общим конструкционным признаком заявленного устройства для измерения силы, приложенной в любом направлении по вертикальной оси, является работа упругого тонкого стержня 13 на растяжение, т.е. тонкий стержень всегда ориентирован в направлении действия силы.

Повышение точности измерения определяет несколько факторов:
заявленная конструкция внутреннего параллелограмма с измерительной балкой и расположенными на ней тензорезисторами подвергается меньшим по сравнению с прототипом механическим деформациям;
наличие упругого стержня 13, который передает измеряемое усилие с внешнего параллелограмма на внутренний практически устраняет как влияние крутящего момента, возникающего при нецентровом приложении силы, так и влияние паразитных поперечных усилий на измерительной балке 9, возникающих при перемещении подвижных платформ 1 и 3 внешнего и внутреннего параллелограммов;
выполнение по одной горизонтальной оси мест заделки (выступы 11 и 12) внутреннего параллелограмма в подвижную 1 и неподвижную 2 платформы внешнего параллелограмма существенно снижает (практически исключает) отрицательное воздействие от возможности использования разных конструкционных материалов для внешнего и внутреннего параллелограммов, так как разные коэффициенты линейного расширения конструкционных материалов при работе устройства в широком диапазоне температур связаны с значительными дополнительными температурными погрешностями, снижающими точность измерения;
возможность работы устройства на сжатие и на растяжение связана с наличием подвижного замкового соединения платформ 1 и 2 внешнего параллелограмма. Такая конструктивная особенность заявленного изобретения обеспечивает передачу как сжимающего, так и растягивающего усилия на измерительную балку через упругий стержень 13, который всегда ориентирован в направлении действия силы и работает на растяжение;
увеличение предельно допустимых нагрузок, достигаемых данным изобретением, связано с наличием калиброванного зазора (δ) в подвижном замковом соединении, через которое осуществлено совмещение платформ 1 и 2 внешнего параллелограмма. Величина зазора (δ) не превышает предельно допустимого перемещения подвижной платформы 3 внутреннего параллелограмма, т.е. любое превышение нагрузки выше максимально допустимой для каждого конкретного устройства не приведет к поломке внутреннего параллелограмма с измерительной балкой 9. Именно это свойство заявленной конструкции повышает эксплуатационную надежность работы устройства.

Сущность изобретения: устройство для измерения силы включает два параллелограмма Роберваля, размещенных один внутри другого с параллельным расположением вертикальных и горизонтальных осей симметрии, выполненных в виде единого целого и содержащих неподвижную и подвижную платформы, соединенные между собой упругими силовыми балками, и тензорезисторы, объединенные в схему четырехплечевого активного моста, между упругими силовыми балками внутреннего параллелограмма установлена измерительная балка и тензорезисторы расположены на концах измерительной балки. Платформы внутреннего параллелограмма снабжены расположенными по одной горизонтальной оси выступами прямоугольной формы, один выступ жестко связан с неподвижной платформой внешнего параллелограмма, другой выступ связан с подвижной платформой внешнего параллелограмма через упругий элемент в виде тонкого стержня, один конец которого жестко связан с выступом на подвижной платформе внутреннего параллелограмма, другой конец стержня связан с подвижной платформой внешнего параллелограмма через промежуточную тягу Г-образной формы, жестко связанную коротким концом с подвижной платформой внешнего параллелограмма, а длинным концом - с упругим стержнем. Подвижная и неподвижная платформы внешнего параллелограмма совмещены друг с другом через подвижное замковое соединение с калиброванным зазором между совмещаемыми поверхностями, количество упругих силовых балок между платформами внешнего параллелограмма кратно двум, платформы внутреннего параллелограмма, упругие силовые балки между ними, упругий стержень и Г-образная тяга выполнены в виде единого целого из одного материала, например из монокристаллического кремния, из которого выполнена измерительная балка, а тензорезисторы на концах сформированы диффузией. При приложении силы в направлении неподвижной платформы внешнего параллелограмма или в противоположном направление упругого стержня от выступа к тяге совпадает с направлением силы и упругий стержень работает на растяжение. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения силы, включающее два параллелограмма Роберваля, размещенных один внутри другого, с параллельным расположением вертикальных и горизонтальных осей симметрии, наружный и внутренний параллелограммы выполнены в виде единого целого, каждый содержит неподвижную и подвижную платформы, соединенные между собой упругими силовыми балками, тензорезисторы, объединенные в схему четырехплечевого активного моста, отличающееся тем, что между упругими силовыми балками внутреннего параллелограмма установлена измерительная балка, и тензорезисторы расположены на концах измерительной балки, платформы внутреннего параллелограмма снабжены расположенными по одной горизонтальной оси выступами прямоугольной формы, один выступ жестко связан с неподвижной платформой, другой выступ связан с подвижной платформой внешнего параллелограмма через упругий элемент в виде тонкого стержня, один конец упругого тонкого стержня жестко связан с выступом на подвижной платформе внутреннего параллелограмма, другой конец связан с подвижной платформой внешнего параллелограмма через промежуточную Г-образную тягу, жестко связанную коротким концом с подвижной платформой внешнего параллелограмма, а длинным концом с упругим тонким стержнем, подвижная и неподвижная платформы внешнего параллелограмма совмещены друг с другом через подвижное замковое соединение с калиброванным зазором между совмещаемыми поверхностями. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество упругих силовых балок между платформами внешнего параллелограмма кратно двум. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что платформы внутреннего параллелограмма, упругие силовые балки между ними, упругий тонкий стержень и Г-образная тяга выполнены в виде единого целого из одного материала. 4. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся тем, что платформы внутреннего параллелограмма, упругие силовые балки между ними, упругий тонкий стержень и Г-образная тяга выполнены из монокристаллического кремния. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительная балка выполнена из монокристаллического кремния. 6. Устройство по пп.1 и 5, отличающееся тем, что тензорезисторы на измерительной балке сформированы диффузией. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приложении силы в направлении неподвижной платформы внешнего параллелограмма или в противоположном направлении упругого стержня от выступа к тяге совпадает с направлением силы и упругий стержень работает на растяжение.