ДАТЧИК ДЛЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕСОВ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/22 G01G3/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в высокоточных тензометрических весах, а также в качестве преобразователя механических величин (давления, перемещения, деформации, усилия), в электрический сигнал в различных системах контроля и управления технологическими процессами.

В весовых системах широко используются датчики для измерения усилий при взвешивании с упругими параллелограммными элементами. Примером такого датчика является силоизмерительное устройство, описанное в заявке Франции N 2436373, кл. G 01 G 3/12, 1980. Известный датчик содержит два силовых плеча, соединенных двумя упругими балочками, и тензоретисторы, размещенные на утоненных участках упругих балочек. Такое выполнение датчика при использовании его в тензометрических весах приводит к появлению погрешностей взвешивания, связанных со смещением точки приложения измеряемого усилия (веса объекта) относительно ее номинального положения.

В патенте США N 4107985, кл. 73-141А, G 01 I 1/22, 1978 описан датчик для тезнометрических весов, содержащий упругий параллелограммный элемент, включающий два силовых плеча, соединенных тремя упругими балочками, и тензорезисторы, расположенные на средней упругой балочке. Размещение тензорезисторов вблизи нейтральной линии деформации параллелограммного элемента при воздействии момента от эксцентричного приложения нагрузки уменьшает погрешность взвешивания, но не устраняет ее полностью из-за конечности размеров средней упругой балочки, что делает это решение неприемлемым для высокоточных весов.

Известен также датчик для тензометрических весов по патенту США N 4146100, кл. 177-211, 1979, содержащий упругий параллелограммный элемент, в котором имеются два силовых плеча и две пары упругих балочек. Одна пара упругих балочек размещена на периферии, а вторая в средней части параллелограммного элемента. В известной конструкции достигается уменьшение погрешности измерения усилия, связанной с эксцентричным приложением нагрузки, но она остается неприемлемо высокой для использования данной конструкции в высокоточных тензометрических весах.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является датчик для тензометрических весов, описанный в патенте США N 4196784, кл. 177-211, 1980. Датчик содержит два, размещенных один внутри другого упругих параллелограммных элемента, каждый из которых имеет силовые плечи, соединенные двумя упругими балочками с утонениями, выполненными на концевых участках упругих балочек внешнего параллелограммного элемента и одной из упругих балочек внутреннего параллелограммного элемента, силопередающее устройство и тензорезисторы, при этом первое силовое плечо внутреннего параллелограммного элемента жестко закреплено на первом неподвижном силовом плече внешнего параллалограммного элемента, а второе силовое плечо снабжено горизонтальным выступом, соединенным со вторым силовым плечом внешнего параллелограммного элемента через силопередающее устройство. Силопередающее устройство содержит шток и регулируемые точечные опоры в виде конусов. Работоспособность датчика достигается за счет создания предварительного усилия поджатия на штоке. Такое выполнение датчика, если не учитывать силы трения, должно исключить нагружение внутреннего параллелограмма моментом от эксцентричного приложения нагрузки и усилиями вдоль упругих балочек. Однако наличие трения в точечных опорах приводит к появлению в них тангенциальных контактных напряжений, усилий вдоль упругих балочек внутреннего параллелограммного элемента и гистерезиса при приложении и снятия нагрузки, что понижает точность взвешивания. При этом возникает неустранимое противоречие: для исключения возможных люфтов надо увеличить предварительное усилие поджатия на штоке, а для уменьшения влияния трения в точечных опорах на точность взвешивания необходимо нулевое усилие поджатия, что делает неприемлемой данную конструкцию для использования в высокоточных тензометрических весах. Данная конструкция также чувствительна к изменению температуры, так как при повышении температуры могут появиться дополнительные нагрузки или люфты, связанные с неравномерностью температурных деформаций штока и параллелограммной подвески. Конструкция также сложна в регулировке и чувствительна к вибрациям, особенно если они действуют перпендикулярно штоку.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание датчика для тензометрических весов с высокой точностью взвешивания за счет исключения погрешностей, связанных со смещением прилагаемого усилия (взвешиваемого объекта) от номинального положения относительно датчика. Дополнительной задачей изобретения является создание датчика для тензометрических весов с повышенной точностью взвешивания за счет уменьшения влияния изменения температуры и уменьшения влияния вибраций.

Поставленные технические задачи решаются тем, что в известном датчике для тензометрических весов, содержащем два, размещенных один внутри другого упругих параллелограммных элемента, каждый из которых имеет силовые плечи, соединенные двумя упругими балочками с утонениями, выполненными на концевых участках упругих балочек внешнего параллелограммного элемента и одной из упругих балочек внутреннего параллелограммного элемента, силопередающее устройство и тензорезисторы, при этом первое силовое плечо внутреннего параллелограммного элемента жестко закреплено на первом неподвижном силовом плече внешнего параллелограммного элемента, а второе силовое плечо снабжено горизонтальным выступом, соединенным со вторым силовым плечом внешнего параллелограммного элемента через силопередающее устройство, согласно изобретению внутренний параллелограммный элемент и силопередабщее устройство выполнены за одно целое из монокристалла кремния с образованием моноблока, в котором первое силовое плечо внутреннего параллелограммного элемента выполнено с горизонтальным выступом для жесткого закрепления в пазу, выполненном в первом силовом плече внешнего параллелграммного элемента, а силопередающее устройство выполнено в виде Z-образной жесткой опоры, первая полка которой расположена в одной горизонтальной плоскости с горизонтальным выступом первого силового плеча внутреннего параллелограммного элемента и закреплена в пазу, выполненном во втором силовом плече внешнего параллелограммного элемента, и вертикальной ленты толщиной 40-120 мкм, соединяющей вторую полку жесткой опоры с горизонтальным выступом второго силового плеча внутреннего параллелограммного элемента.

Кроме этого, тензорезисторы могут быть размещены на утонениях одной из упругих балочек внутреннего параллелограммного элемента.

Во внутренней параллелограммный элемент может быть введена дополнительная упругая балочка из монокристаллического кремния, закрепленная на торцах его силовых плеч, на которой размещены тензорезисторы.

Во внешнем параллелограммном элементе толщина одной из упругих балочек в зоне утонения, прилегающей к неподвижному силовому плечу, мсожет быть меньше толщины упругих балочек в других зонах утонения на 1-5%
В заявляемом датчике обеспечивается передача на внутренний параллелограммный элемент измеряемого усилия и исключается возможность передачи изгибающих моментов и продольных усилий, так как вертикальная лента силопередающего устройства в заявленном диапазоне изменения ее толщины имеет малую поперечную жесткость подвески и не передает никаких поперечных усилий, а также исключает возникновение в ней автоколебаний, что повышает точность взвешивания. Выполнение силопередающего устройства и внутреннего параллелограмма за одно целое исключает появление люфтов и гистерезиса в точках соединения ленты с полкой жесткой опоры и выступом на силовом плече внутреннего параллелограммного элемента. Выполнение силопередающего устройства и внутреннего параллелограммного элемента из монокристаллического кремния обеспечивает однородность материала всех элементов моноблока и уменьшает температурные погрешности взвешивания. Моноблок также обеспечивает единство характеристик всего узла, что уменьшает влияние изменения температуры на точность взвешивания. Выполнение первого силового плеча внутреннего параллелограммного элемента с горизонтальным выступом, расположенным в одной плоскости с первой полкой жесткой опоры, упрощает изготовление и настройку датчика, так как указанные горизонтальный выступ и полку опоры можно использовать как базовые поверхности при обработке и сборке датчика. Кроме этого, размещение их в одной горизонтальной плоскости снижает температурные погрешности взвешивания, вызванные разностью коэффициентов температурного расширения материалов параллелограммных элементов.

Введение во внутренний параллелограммный элемент дополнительной упругой балочки из монокристаллического кремния, закрепленной на торцах силовых плеч, и размещение на ней тензорезисторов повышает технологичность датчика, так как наиболее уязвимый с точки зрения технологии элемент датчика (упругая балочка с тензорезисторами) может быть изготовлена и проверена отдельно от остальных элементов моноблока.

Уменьшение на 1-5% толщины в зоне утонения одной из балочек внешнего параллелограммного элемента, прилегающей к его неподвижному силовому плечу, по сравнению с толщиной балочек в других зонах утонения обеспечивает дополнительное повышение точности взвешивания, так как приводит к уменьшению влияния смещения измеряемого усилия (веса) от номинального положения.

Технический результат от использования изобретения заключается в уменьшении погрешности взвешивания.

На фиг. 1 и 2 изображены два примера выполнения предлагаемого датчика, общий вид; на фиг. 3 показано место А на фиг. 1 в увеличенном масштабе; на фиг. А показан разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 разрез В-В на фиг. 1 в увеличенном масштабе.

Датчик содержит (см. фиг.1 ) два, размещенных один внутри другого, упругих параллелограммных элемента 1и 2. Внешний параллелограммный элемент 1 имеет силовые плечи 3 и 4, соединенные упругими балочками 5 и 6 с утоненями 7-10 на концевых участках, образующими упругие шарниры. Балочка 6 в зоне утонения 9 выполнена с толщиной b₁ на 30% меньше толщины b₂ балочек 5 и 6 в зонах утонения 7, 8 и 10. В силовых плечах 3 и 4 выполнены прямоугольные пазы 11 и 12, расположенные в одной горизонтальной плоскости. Внутренний параллелограммный элемент 2, являющийся чувствительным элементом датчика, имеет силовые плечи 13 и 14 с горизонтальными выступами 15 и 16. Силовые плечи 13 и 14 соединены между собой упругими балочками 17, 18 и 19, последняя из которых выполнена с утоненяими 20 на концевых участках, образующими упругие шарниры. Выступ 15 силового плеча 13 внутреннего параллелограммного элемента 2 установлен в пазу 11 силового плеча 3 внешнего параллелограммного элемента 1 с зазором относительно торцевой стенки паза и приклеен по верхней и нижней поверхностям, а выступ 16 силового плеча 14 внутреннего параллелограммного элемента 2 соединен с силовым плечом 4 внешнего параллелограммного элемента 1 через силопередающее устройство 21, выполненное в виде Z-образной жесткой опоры 22, полка 23 которой закреплена в пазу 12 силового плеча 4 внешнего параллелограммного элемента 1 аналогично прямоугольному выступу 15, и вертикальной ленты 24 с толщиной b₃=90 мкм, соединяющей полку 25 опоры 22 с выступом 16 силового плеча 14 внутреннего параллелограммного элемента 2.

Элементы силопередающего устройства 21 и внутреннего параллелограммного элемента 2 (опора 22 с полками 23 и 25, лента 24, силовые плечи 13 и 14 с выступами 15 и 16, упругие балочки 17 и18) выполнены за одно целое из пластины из монокристаллического кремния с расположением выступа 15 и полки 23 в одной плоскости. На торцах силовых плеч 13 и 14 закреплена с помощью клея упругая балочка 19, изготовленная из монокристаллического кремния с диффузионным и тензорезисторами 26-29 на нагруженных поверхностях в зоне утонений 20 (фиг. 3). Силовое плечо 3 внешнего параллелограмма 1 крепится на основании тензометрических весов и остается неподвижным в процессе взвешивания. На силовом плече 4 крепится весовая платформа (на чертеже показано условно) и оно перемещается в процессе взвешивания при приложении нагрузки, при этом лента 24 все время остается в натянутом положении. В силовых плечах 3 и 4 выполнены встречно направленные поперечные вертикальные прорези 30, ограничивающие измерительную зону датчика. Тензорезисторы 26-29 соединены в мост Уинстона. Одна из диагоналей моста Уинстона подключается к источнику стабилизированного питания, а другая диагональ к измерительно-информационному блока (на чертеже не показано).

Предлагаемый датчик работает скудеющим образом.

При нагружении датчика силой P силовое плечо 4 внешнего параллелограммного элемента 1 перемещается в направлении действия указанной силы. Это перемещение через опору 22 и вертикальную ленту 24 передается на силовое плечо 14 внутреннего параллелограммного элемента 2. Силовое плечо 13 внутреннего параллелограмма 2 остается неподвижным, так как оно закреплено в неподвижном силовом плече 3 внешнего параллелограммного элемента 1. Перемещение силового плеча 14 вызывает деформация упругих балочек 17, 18 и 19. На тензорезисторы 26-29 воздействуют механические напряжения от изгиба, пропорциональные приложенной силе, причем на парах тензорезисторов 26, 27 и 28, 29 изгибные напряжения имеют разный знак. Тензорезисторы изменяют свое сопротивление, происходит разбаланс моста Уинстона и на его измерительной диагонали возникает напряжение, измеряемое информационно-измерительным блоком. При смещении груза на весовой платформе относительно номинального положения на внешнем параллелограммном элементе 1 возникают дополнительные изгибающие моменты, однако они не передаются на внутреннюю параллелограммный элемент 2, так как лента 24 не передает никаких поперечных усилий. Малая толщина ленты 24 гарантирует, что изгибы в точках крепления ленты к полке 25 и выступу 16 при относительных горизонтальных перемещениях параллелограммных элементом не окажут существенного влияния на точность измерений. Наличие в балочке 6 зоны утонения 9, выполненной с толщиной на 3% меньше толщины упругих балочек 5 и 6 в зонах утонения 7, 8 и 10, способствует повышению точности взвешивания, так как приводит к уменьшению влияния смещения взвешиваемого груза на весовой платформе от номинального положения. Наличие в силовых плечах 3 и 4 встречно направленных поперечных вертикальных прорезей 30 обеспечивает независимость деформации измерительной зоны датчика от условий крепления датчика к основанию тензометрических весов и весовой платформе.

Второй пример выполнения отличается от первого тем, что на основании тензометрических весов неподвижно закреплено силовое плечо 4 внешнего параллелограммного элемента 1, а взвешиваемое усилие воздействует на силовое плечо 3.

При нагружении датчика силой P силовое плечо 3 внешнего параллелограммного элемента 1 перемещается в направлении действия указанной силы. Это перемещение передается на силовое плечо 13 внутреннего параллеограмма 2. Перемещению силового плеча 14 препятствует вертикальная лента 24, что вызывает деформацию упругих балочек 17, 18 и 19. В остальном работа датчика совпадает с описанием в первом примере.

Использование: в высокоточных тензометрических весах, в качестве тензометрического преобразователя механических величин в электрический сигнал в различных системах контроля и управления технологическими процессами. Сущность изобретения: датчик содержит два размещенных один внутри другого упругих параллельных элемента, каждый с силовыми плечами, соединенными двумя упругими балочками с утонениями, выполненными на концевых участках упругих балочек внешнего параллелограммного элемента, силопередающее устройство и тензорезисторы, размещенные на одной из упругих балочек внутреннего параллелограммного элемента, силовые плечи которого выполнены с горизонтальными выступами, один из которых жестко закреплен в пазу первого силового плеча внешнего параллелограммного элемента, а другой выступ соединен с его вторым силовым плечом через силопередающее устройство, которое выполнено в виде Z-образной жесткой опоры, первая полка которой расположена в одной горизонтальной плоскости с горизонтальным выступом первого силового плеча внутреннего параллелограммного элемента и закреплена в пазу, выполненом во втором силовом плече внешнего параллелограммного элемента, и вертикальной ленты толщиной 40-120 мкм, соединяющей вторую полку жесткой опоры с горизонтальным выступом второго силового плеча внутреннего параллелограммного элемента. Внутренний параллелограммный элемент и силопередающее устройство выполнены за одно целое из монокристалла кремния. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Датчик для тензометрических весов, содержащий два размещенных один внутри другого упругих параллелограммных элемента, каждый из которых имеет силовые плечи, соединенные двумя упругими балочками с утонениями, выполненными на концевых участках упругих балочек внешнего параллелограммного элемента и одной из упругих балочек внутреннего параллелограммного элемента, силопередающее устройство и тензорезисторы, при этом первое силовое плечо внутреннего параллелограммного элемента жестко закреплено на первом неподвижном силовом плече внешнего параллелограммного элемента, а второе силовое плечо снабжено горизонтальным выступом, соединенным с вторым силовым плечом внешнего параллелограммного элемента через силопередающее устройство, отличающийся тем, что внутренний параллелограммный элемент и силопередающее устройство выполнено за одно целое из монокристалла кремния с образованием моноблока, в котором первое силовое плечо внутреннего параллелограммного элемента выполнено с горизонтальным выступом для жесткого закрепления в пазу, выполненном в первом силовом плече внешнего параллелограммного элемента, а силопередающее устройство выполнено в виде Z-образной жесткой опоры, первая полка которой расположена в одной горизонтальной плоскости с горизонтальным выступом первого силового плеча внутреннего параллеллграммного элемента и закреплена в пазу, выполненном во втором силовом плече внешнего параллелограммного элемента, и вертикальной ленты толщиной 40 120 мкм, соединяющей вторую полку жесткой опоры с горизонтальным выступом второго силового плеча внутреннего параллелограммного элемента. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что тензорезисторы размещены на утонениях одной из упругих балочек внутреннего параллелограммного элемента. 3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что во внутренний параллелограммный элемент введена дополнительная упругая балочка из монокристаллического кремния, закрепленная на торцах его силовых плеч, на которой размещены тензорезисторы. 4. Датчик по любому из пп. 1 3, отличающийся тем, что во внешнем параллелограммном элементе толщина одной из упругих балочек в зоне утонения, прилегающей к его неподвижному силовому плечу, меньше толщины упругих балочек в других зонах утонения на 1 5%