РЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к средствам измерения линейных перемещений или силы с преобразованием их в электрический сигнал, и может быть использовано для измерений перемещений, деформации образцов, для измерения приложенных сил, измерения параметров и т.д.

Известен резистивный преобразователь перемещений, а также для измерений деформаций образца в процессе его растяжения с постоянной скоростью, содержащей измеритель деформации образца, выполненный в виде предназначенного для закрепления на образце зажима, штока, взаимодействующего с зажимом, и резистивного преобразователя перемещения штока, и блока отображения информации в виде двухкоординатного регистратора, который для повышения точности снабжен электрическим счетчиком импульсов и взаимодействующим со штоком микрометрическим индикатором [1]
Недостатком известного преобразователя являются его высокая сложность и стоимость и, как следствие, низкая надежность работы по внезапным отказам.

Известен тензорезистор, содержащий непроводящую подложку с чувствительным элементом из проводящего углеродсодержащего тензочувствительного материала, в котором для расширения диапазона измерений деформаций материал тензочувствительного элемента выполнен в виде связанных между собой волокон.

Материал тензочувствительного элемента выполнен в виде чулка.

Материал тензочувствительного элемента выполнен в виде жгута [2]
Недостатками известного тензорезистора являются его низкий диапазон измерения перемещений, деформации или приложенных сил, а также низкая надежность работы по внезапным отказам и низкая точность из-за малой чувствительности к контролируемому параметру.

Целью изобретения является увеличение диапазона измерения перемещений, деформации и приложенных сил, а также повышение надежности работы по внезапным отказам за счет исключения ненадежности проводящего углеродсодержащего тензочувствительного материала, повышение точности за счет увеличения чувствительности.

Цель достигается тем, что в резистивный преобразователь перемещения, содержащий токопроводящий элемент из нити и охватывающую его изоляционную оболочку, выполненные из эластичных материалов, в виде упругого шнура, один из концов которого закреплен неподвижно, а второй конец снабжен элементом, воспринимающим механическое воздействие, введена эластичная изоляционная прокладка, размещенная между жилами шнура, образованными петлей из нити токопроводящего элемента, выполненной из резины, при этом торец петли нити обращен ко второму концу шнура.

На чертеже дана схема резистивного преобразователя перемещений, продольный осевой разрез шнура.

Резистивный преобразователь перемещения содержит закрепленный неподвижно на основании 1 токопроводящий элемент 2 и подвижный элемент 3. В состав преобразователя входит также омметр 4 и эластичная упругая изоляционная оболочка 5. В преобразователь введена изоляционная прокладка 6, размещенная между жилами шнура, образованного оболочкой 5, нитью 2 и прокладкой 6. Жилами шнура является петля из нити 2 с прокладкой 6 между жилами.

Один конец шнура с торцом 7 петли нити соединен с подвижным элементом 3, а второй конец шнура закреплен неподвижно на основании 1, а свободные концы нити 2 подключены к омметру 4. Оба конца шнура прикреплены шайбами 8 и 9 к основанию 1 и подвижному элементу 3 соответственно.

Работа преобразователя осуществляется следующим образом.

Омметр 4 в любой момент времени показывает сопротивление нити 2 из токопроводящей резины, которое равно
R = ρl/S, (1),
где ρ - удельное сопротивление токопроводящей резины, Ом•м;
l длина нити, м;
S поперечное сечение нити, м²;
R сопротивление нити, Ом.

Шнур и нить работают в пределах упругих деформаций, при которых любые изменения длины шнура и нити не приводят к изменениям их объема. С увеличением длины нити в 2 раза от l до 2l ее поперечное сечение уменьшается также вдвое от S до 0,5S, чтобы оставался постоянным объем нити V lS const. Поэтому с увеличением длины нити в 2 раза ее сопротивление увеличивается в 4 раза. При увеличении длины нити в n раз ее сечение уменьшается в n раз, а сопротивление нити увеличится в n² раз. Поэтому омметр 4 работает по квадратичной шкале относительно удлиненного шнура. Такое увеличение чувствительности к перемещению в n раз приводит, при прочих равных условиях, к уменьшению погрешности измерения перемещения в n раз. Шкала омметра может быть легко квадратичным образом проградуирована в единицах перемещения.

Шнур выполнен эластичным и упругим и работает в пределах упругих деформаций. Поэтому при приложении к подвижному элементу растягивающей силы F, направление которой показано стрелкой на фиг.1, шнур будет удлиняться согласно закону Гука
F = KΔl, (2)
где F- приложенная к шнуру сила, H;
К жесткость шнура, H/м;
Δl - удлинение шнура, м.

Таким образом, по величине полученного удлинения (длины) шнура, измеренному омметром 4, и по известной жесткости шнура К из (2) однозначно определяется величина приложенной к шнуру силы F. Как и при измерении перемещений, значение силы будет по квадратичному закону зависеть от показаний омметра 4. При измерении силы F также будет в общем случае уменьшена в n раз погрешность за счет увеличения в n раз чувствительности к удлинению (длине) шнура.

Как однозначно следует из описания, шнур одновременно выполняет в преобразователе несколько принципиально различных функций: преобразует перемещение в электрическое сопротивление, преобразует величину приложенной силы в электрическое сопротивление при измерении силы, увеличивает чувствительность к перемещению и к приложенной силе, выполняет роль упругого элемента для возвращения в исходное состояние после перемещения или после приложения силы F, выполняет роль демпфера для сглаживания автоколебательных процессов, обеспечивает преобразования силы или перемещения в электрическое сопротивление бесконтактным способом, позволяет работать в токопроводящей или агрессивной среде за счет полной изоляции нити от окружающей среды (в особенности, перемещающейся части нити). За счет этих совмещений действий и функций в одном шнуре получено преодоление технического противоречия, то есть обеспечение одновременного повышения точности, повышение надежности за счет упрощения, расширение функциональных возможностей за счет осуществления преобразования силы в электрическое сопротивление и обеспечение работы в токопроводящей флюидной среде или в агрессивной среде за счет полной изоляции чувствительного элемента нити от среды.

Использование: измерение деформации и усилия. Сущность изобретения: токопроводящий элемент в виде нити из резины и охватывающая его изоляционная оболочка из эластичного материала выполнены в форме упругого шнура. Между жилами шнура, образованными петлей из нити, размещена эластичная изоляционная прокладка. Торец петли обращен к концу шнура, снабженному элементом, воспринимающим механическое воздействие. Изобретение позволяет повысить точность измерений благодаря высокой чувствительности к контролируемому параметру. 1 ил.

Резистивный преобразователь перемещения, содержащий токопроводящий элемент из нити и охватывающую его изоляционную оболочку, выполненные из эластичных материалов, в виде упругого шнура, один из концов которого закреплен неподвижно, а второй конец снабжен элементом, воспринимающим механическое воздействие, отличающийся тем, что в него введена эластичная изоляционная прокладка, размещенная между жилами шнура, образованными петлей из нити токопроводящего элемента, выполненной из резины, при этом торец петли обращен к второму концу шнура.