ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения импульсов силы, возникающих в рельсах, балках мостов и других сооружений от проходящих по ним поездов, автомашин и другой техники, а также наличия усилий в стенках, перекрытиях зданий и сооружений, основаниях энергетических установок и энергетических механизмах.

Известен датчик динамических усилий [1], содержащий чувствительный элемент, закрепленный между основанием и корпусом с помощью прижимной гайки. Он снабжен кольцом, а корпус выполнен с ободом, наружные поверхности корпуса и обода объединены, причем обод корпуса размещен между вибровозбудителем и кольцом, прикрепленным к вибровозбудителю, а основание выполнено со шпилькой, на которую навернута прижимная гайка.

Известно многокомпонентное динамическое устройство [3], где датчик усилия встроен в измерительную пластину, чувствительную по меньшей мере предпочтительно в трех направлениях, что позволяет сократить число датчиков усилия, где часть силового потока воспринимается измерительной пластиной и лишь часть воздействует на датчик, что позволяет расширить диапазон измерения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достижению результата относится импульсный датчик [2], содержащий пьезоэлектрические диски с отверстиями и противоположной поляризацией и расположенные симметрично опорной плоскости, которая проходит через выступ на нижней стенке корпуса, диски упираются в дно, причем имеется второй диск, две части которого имеют поляризацию, направленную в одну сторону, и опирается на перегородку, примыкающую к первому диску. Поступающие механические сигналы вызывают электрические импульсы на электродах дисков. За счет разной поляризации дисков происходит увеличение отношении полезного сигнала к уровню шумов и он может быть выделен при малых уровнях импульса силы.

Недостатками известных устройств является малая чувствительность и слабая помехозащищенность датчика от воздействия механических шумов (ударов, вибрации, акустических волн и т.п.), возникающих в исследуемом устройстве во время измерительного процесса.

Задача изобретения - повысить чувствительность датчика и уменьшить влияние посторонних шумов, приходящих со стороны измеряемого вектора сила, например, при установке в рельсе железной дороги датчик срабатывает только от давления колесной пары, находящейся непосредственно по оси измерения датчика.

Согласно изобретению датчик силы, содержащий корпус, основание, пьезоэлектрические диски с отверстиями, токосъемник с электровыводом, снабжен вилкообразным держателем, выполненным на одном торце основания, токосъемник с электровыводом установлен между пьезоэлектрическими дисками, которые зажаты стержнями вилкообразного держателя и зафиксированы шпильками, проходящими через отверстия стержней пьезоэлектрических дисков, а основание с другого торца своим выступом поджато опорной гайкой к внутренней проточке корпуса, причем на внешних поверхностях стержней и корпуса соосно выполнены выступы, при этом выступы на стержнях контактируют с внутренней поверхностью корпуса, а конусообразные выступы корпуса - с кольцевым выступом отверстия посадочного места измеряемого устройства.

На фиг. 1 представлен датчик, общий вид; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез.

Датчик содержит корпус 1 с выступами 2, основание 3, стержни 4 с выступами 5, пьезоэлектрические диски 6, токосъемник 7, электровывод 8, шпильки 9, опорную гайку 10, натяжную гайку 11, кольцевой выступ 12 измеряемого устройства 13.

Датчик силы работает следующим образом.

Корпус 1 датчика устанавливается в посадочное место измеряемого устройства 13 таким образом, чтобы вектор измеряемой силы лежал в одной плоскости с выступами 2 корпуса 1. При этом выступы 2 за счет того, что выполнены на конус врезаются в кольцевой выступ 12 посадочного места, тем самым предотвращая перемещение корпуса 1 датчика относительно направления действия вектора измеряемой силы в измеряемом устройстве 13 (например, рельс железной дороги). Величина посадочного усилия установки датчика осуществляется с помощью натяжной гайки 11.

При этом измеряемая сила через выступ отверстия 12 воздействует на выступы 2 корпуса 1, который, деформируясь, передает ее на выступы 5 стержней 4, концы которых сжимаются, деформируя при этом диски 6, на обкладках которых возникает электрический заряд, пропорциональный величине воздействия измеряемой силы. Возникший заряд через электровывод 8 поступает на регистрирующую измерительную схему (не показана).

Для фиксации дисков 6 внутри стержней 4 через отверстия в них проходят шпильки 9, входящие в отверстия дисков 6, а токосъемник 7 выполнен с углублениями, которыми фиксируются диски 6 от бокового смещения. Размещение пьезоэлектрических дисков 6 внутри стержней 4 выступов 5 на их торце, а выступов 2 корпуса 1 по оси дисков 6 образует систему рычагов, которая позволяет увеличить чувствительность датчика к измеряемой силе, при этом за счет уменьшения количества точек приложения измеряемой силы до двух резко уменьшается влияние посторонних шумов на показания в процессе измерения.

Опытные образцы предлагаемого устройства прошли испытания в Пензенском отделении Куйбышевской железной дороги и показали положительные результаты.

Использование: измерение импульсов силы в рельсах, балках мостов, усилий в стенах, перекрытиях зданий, в энергетических установках. Сущность: датчик силы содержит размещенные в корпусе основание, пьезоэлектрические диски с отверстиями, токосъемник с электровыводом, выполненный на одном из торцов основания вилкообразный держатель, каждый из стержней которого выполнен с отверстием, а также шпильки, опорную и натяжную гайки. Токосъемник с электровыводом установлен между пьезоэлектрическими дисками, которые закреплены между стержнями вилкообразного держателя с помощью шпилек, расположенных в отверстиях стержней и пьезоэлектрических дисков, наружные поверхности корпуса и стержней выполнены с выступами, причем другой торец основания выполнен с возможностью поджатия опорной гайкой к выполненной внутри корпуса проточке, выступы на стержнях - с возможностью контактирования с внутренней поверхностью корпуса, а выступы корпуса, которые выполнены конусообразными - с возможностью контактирования с кольцевым выступом посадочного места, выполненного в виде отверстия в исследуемом объекте, в котором датчик силы установлен с предварительным усилием поджатия с помощью натяжной гайки. 2 ил.

Датчик силы, содержащий размещенные в корпусе основание, пьезоэлектрические диски с отверстиями и токосъемник с электровыводом, отличающийся тем, что в него введены выполненный на одном из торцев основания вилкообразный держатель, каждый из стержней которого выполнен с отверстием, а также шпильки, опорная и натяжная гайки, при этом токосъемник с электровыводом установлен между пьезоэлектрическими дисками, которые закреплены между стержнями вилкообразного держателя с помощью шпилек, расположенных в отверстиях стержней и пьезоэлектрических дисков, наружные поверхности корпуса и стержней выполнены с выступами, причем другой торец основания выполнен с возможностью поджатия опорной гайкой к выполненной внутри корпуса проточке, выступы на стержнях - с возможностью контактирования с внутренней поверхностью корпуса, а выступы корпуса, которые выполнены конусообразными, - с возможностью контактирования с кольцевым выступом посадочного места, выполненного в виде отверстия в исследуемом объекте, в котором датчик силы установлен с предварительным усилием поджатия с помощью натяжной гайки.