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 измерения усилий, в частности, возникающих 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 большую 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 и пьезоэлемент с токосъемниками, изоляторами и опорными основаниями и пружину /3/. Основным недостатком этого датчика силы является также чувствительность к поперечным колебаниям, что снижает точность измерения силы дисбаланса.

Экспериментально установлено, что установка датчика силы в распор 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 плоскость 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 котором в наименьшей степени проявлялось бы 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 и пьезоэлемент с токосъемниками, изоляторами и опорными основаниями и пружину, одно опорное основание пьезоэлемента снабжено шарнирно опертым на него толкателем, выполненным в виде упруго-гибкого стержня, закрепленного в корпусе пружиной, а другое - упруго-податливой подвеской, выполненной в виде равномерно расположенных упруго-податливых растяжек, скрепляющих его 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 А на фиг. 1.

Датчик силы содержит корпус 1, пьезоэлемент 2 с токосъемниками 3 и 4, изоляторами 5, 6 и опорными основаниями 7 и 8. Опорное основание 7 пьезоэлемента 2 снабжено шарнирно опертым на него через шарик 9 упруго-гибким стержневым толкателем 10, закрепленным в корпусе 1 пружиной 11. Опорное основание 8 снабжено упруго-податливой подвеской в виде равномерно расположенных растяжек 12, скрепляющих его с корпусом 1. Корпус 1 датчика силы выполнен с фланцем 13 и центрирующим выступом 14 для фиксации датчика в неподвижном положении. На другом конце упруго-гибкого стержневого толкателя 10 предусмотрено сверление 15 для установки шарика 16, воспринимающего и передающего на него усилия дисбаланса. Датчик силы снабжен крышкой 17, закрепляемой 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, 6 и опорными основаниями 7 и 8 снабжены общим для них посадочным штифтом 18.

Функционирование датчика силы заключается в следующем.

Датчик силы фиксируется на балансировочном станке посредством центрирующего выступа 14 и фланца 13 так, что колебательные усилия воспринимаются им через шаровую опору шарик 16. При снятой крышке 17 посредством затяжки элементов крепления 19 производится тарировка пьезоэлемента 2.

При включении датчика силы в работу осевые усилия передаются упруго-гибким стержневым толкателем 10 непосредственно через шаровую опору - шарик 9, опорное основание 7, изолятор 5, токосъемник 3 на пьезоэлемент 2, опертый через токосъемник 4 и изолятор 6 на опорное основание 8, скрепленное упруго-податливой подвеской в виде равномерно установленных растяжек 12, соединенных с корпусом 1 датчика, поперечные колебания расходуются на преодоление упругого изгиба упруго-гибкого стержневого толкателя 10, упругой податливости растяжек 12 и упругой податливости пружины 11. Кроме того, длина стержневого толкателя 10, 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 надежность показаний.

Использование: для измерения усилий, в частности, возникающих при балансировке изделий. Сущность изобретения: датчик содержит корпус 1 и пьезоэлемент 2 с опорными основаниями 7 и 8. Опорные основания 7 и 8 снабжены соответственно упруго-гибким стержневым толкателем 10, шарнирно опертым на опорное основание 7 и закрепленным в корпусе 1 пружиной 11, и упруго-податливой подвеской в виде равномерно расположенных растяжек 12, скрепляющих опорное основание 8 с корпусом 1. Корпус 1 датчика силы выполнен с фланцем 13 и центрирующим выступом 14 для фиксации датчика в неподвижном положении. 3 ил.

Датчик силы, содержащий корпус и пьезоэлемент с токосъемниками, изоляторами и опорными основаниями и пружину, отличающийся тем, что одно опорное основание пьезоэлемента снабжено шарнирно опертым на него толкателем, выполненным в виде упругогибкого стержня, закрепленного в корпусе пружиной, а другое упругоподатливой подвеской, выполненной в виде равномерно расположенных упругоподатливых растяжек, скрепляющих его с корпусом, причем корпус выполнен с фланцем и центрирующим выступом для фиксации датчика.