УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/22 

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 весовых системах широко используются датчики для измерения усилий с упругими параллелограммными элементами. Примером такого датчика является устройство, описанное в заявке Германии N 2900614, кл. G 01 L 1/22, 1979. Известное устройство содержит две жесткие опоры, соединенные между собой двумя упругими балочками с образованием упругой параллелограммной подвески, и тензорезисторы, сформированные на утоненных концах упругих балочек. Недостатками данного устройства являются большие погрешности из-за влияния крутящего момента, возникающего при нецентровом нагружении, и отсутствие в нем защиты от перегрузок.

В патенте США N 4107985, кл.73-141A, G 01 L 1/22, 1978 описан датчик для измерения усилий, содержащий две жесткие опоры, соединенные двумя упругими балочками с образованием параллелограммной подвески, и дополнительную упругую балочку с тензорезисторами, установленную параллельно первым двум упругим балочкам в средней части параллелограммной подвески и имеющую две консоли, соединенные утоненным участком. Размещение тензорезисторов вблизи нейтральной линии деформации параллелограммной подвески на достаточно жестких консолях снижает точность измерения усилия, так как величина изгибных деформаций консолей будет незначительна по сравнению с деформацией утоненных концов упругих балочек, образующих шарниры параллелограммной подвески, что делает это решение неприемлемым, в частности, для высокоточных электронных весов. Кроме этого, известное устройство не защищено от перегрузок.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является устройство для измерения усилий, описанное в заявке РФ N 93000842/28, кл. G 01 G 3/12, опубл. 27.02.95.

Устройство содержит две жесткие опоры в виде уголков с попарно параллельными вертикальными и горизонтальными полками, три параллельные упругие балочки с утоненными концами, образующими упругие шарниры, и тензорезисторы, при этом вертикальные полки жестких опор соединены между собой упругими балочками с образованием параллелограммной подвески, тензорезисторы сформированы на утоненных концах средней упругой балочки, закрепленных в пазах вертикальных полок, а горизонтальные полки жестких опор размещены с перекрытием смежных торцев вертикальных полок жестких опор с заданным зазором между ними. В известном устройстве тензорезисторы измеряют деформацию утоненных концов средней упругой балочки, что повышает точность измерения усилия. Однако недостатком данного устройства является то, что все три упругие балочки параллелограммной подвески выполнены с одним и тем же расстоянием между упругими шарнирами, что ограничивает точность измерения усилия, так как практически во всем диапазоне измерения усилия получают постоянный угол наклона на диаграмме "выходной сигнал - усилие". В то же время для повышения точности измерения усилия в рабочем диапазоне (0,3-0,7 от верхнего предела) желательно получать больший угол и, соответственно, больший тангенс угла на указанной диаграмме. Кроме этого, известное устройство не защищено от перегрузок при воздействии на него усилий растяжения и поэтому не может быть использовано для измерения знакопеременных усилий, что снижает его область применения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства с высокой точностью измерения прилагаемого усилия, особенно в рабочем диапазоне (0,3-0,7 от предельного усилия, измеряемого устройством). Дополнительной задачей изобретения является создание устройства для измерения усилий, защищенного от перегрузок при воздействии на него как усилий сжатия, так и усилий растяжения.

Поставленные технические задачи решаются тем, что в известном устройстве для измерения усилий, содержащем две жесткие опоры в виде уголков с попарно параллельными вертикальными и горизонтальными полками, три параллельные упругие балочки с утоненными концами, образующими упругие шарниры, и тензорезисторы, при этом вертикальные полки жестких опор соединены между собой упругими балочками с образованием параллелограммной подвески, тензорезисторы сформированы на утоненных концах средней упругой балочки, закрепленных в пазах вертикальных полок, а горизонтальные полки жестких опор размещены с перекрытием смежных торцев вертикальных полок жестких опор с заданным зазором между ними, согласно изобретению упругие шарниры на средней упругой балочке расположены на большем расстоянии друг от друга, чем упругие шарниры на крайних упругих балочках, а в вертикальных полках с двух сторон симметрично относительно пазов выполнены прорези.

Кроме этого, прорези могут быть выполнены на глубину пазов и параллельными упругим балочкам параллелограммной подвески.

Расстояние между упругими шарнирами средней упругой балочки целесообразно выбрать равным 1,1-1,35 от расстояния между упругими шарнирами крайних упругих балочек.

Смежные горизонтальные и вертикальные полки жестких опор могут быть соединены между собой с помощью двух замков с возможностью двухстороннего вертикального перемещения этих опор друг относительно друга в пределах заданного зазора.

Каждый замок может быть выполнен в виде Г-образного выступа, выполненного на одной из смежных полок жестких опор, и ответного выреза в другой смежной полке.

Сущность изобретения заключается в том, что использование в устройстве средней упругой балочки с расстоянием между упругими шарнирами, большим чем расстояние между упругими шарнирами крайних упругих балочек, приводит при поперечном перемещении опор под действием усилия к нагружению средней упругой балочки и ее упругих шарниров не только напряжениями от изгиба, но и сжимающими напряжениями. Изгибные напряжения в утоненных концах, образующих упругие шарниры средней упругой балочки, приводят к рассогласованию электрических сопротивлений тензорезисторов, сформированных на ее утоненных концах. Под действием сжимающих напряжений длина утоненных перемычек средней упругой балочки уменьшается, а вместе с перемычками уменьшается длина тензорезисторов, что приводит к уменьшению электрического сопротивления всех тензорезисторов пропорционально сжимающим напряжениям. Учитывая, что изменение напряжения на диагонали моста Уинстона (полезный сигнал) прямо пропорционально разнице сопротивлений в плечах моста Уинстона и обратно пропорционально сопротивлению плеч, то уменьшение электрического сопротивления тензорезисторов под действием сжимающих напряжений приведет к увеличению полезного сигнала при деформации параллелограммной подвески под действием измеряемого усилия, что повысит точность измерения, особенно при работе в диапазоне 0,3-0,7 от предельного усилия, где сжимающие напряжения достигают существенной величины.

Выполнение в вертикальных полках жестких опор прорезей с двух сторон симметрично относительно пазов для закрепления концов средней упругой балочки обеспечивает разгружение зоны ее крепления от измеряемых усилий, которые вызывают деформации стенок пазов - раскрытие паза при растягивающей нагрузке и сужение паза при сжимающей нагрузке подобно скобе. При наличии прорезей с двух сторон относительно указанных пазов стенки пазов, к которым прикреплена средняя упругая балочка, остаются параллельными горизонтальным полкам жестких опор как при сжимающей, так и при растягивающей нагрузке, что повышает точность измерения усилия. Исключение деформаций стенок пазов для крепления концов средней упругой балочки особенно важно при использовании упругих балочек с разной длиной между упругими шарнирами, так как для достижения высокой точности измерения при нелинейной характеристике диаграммы "выходной сигнал - усилие" необходимо обеспечить постоянство указанной диаграммы при многократных измерениях, в том числе и при знакопеременной нагрузке, что обеспечивается постоянством формы при различных условиях нагружения.

Оптимально выполнить прорези па глубину пазов в вертикальных полках для закрепления концов средней упругой балочки, так как при таком исполнении получаем наилучшее соотношение прочностных характеристик параллелограммной подвески и разгрузку крепления средней упругой балочки от посторонних усилий.

Выполнение прорезей параллельными упругим балочкам параллелограммной подвески полностью симметрирует зону крепления средней упругой балочки, что положительно сказывается при измерении знакопеременных усилий.

Верхний предел отношения расстояний между упругими шарнирами средней и крайних упругих балочек (1,35) определяется появлением в утоненной перемычке упругого шарнира средней упругой балочки под воздействием сжимающих усилий дополнительных деформаций типа гофр, разворот средней упругой балочки относительно средней линии или других деформаций, связанных с потерей утоненной перемычкой устойчивости. При отношении расстояний между упругими шарнирами указанных балочек меньше 1,1 точность измерения усилия практически не отличается от точности обычной параллелограммной подвески, которая более технологична в изготовлении.

Соединение смежных горизонтальных и вертикальных полок жестких опор между собой с помощью двух замков с возможностью двухстороннего вертикального перемещения этих опор друг относительно друга в пределах заданного зазора обеспечивает защиту устройства от перегрузок при воздействии на него как усилий сжатия, так и усилий растяжения.

Выполнение каждого замка в виде Г-образного выступа, на одной из смежных полок жестких опор, и ответного выреза в другой смежной полке упрощает технологию изготовления замка.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для измерения усилий, общий вид; на фиг.2 - зависимость выходного сигнала от измеряемого усилия для предлагаемого устройства "b" и прототипа "c"; на фиг.3 - схема подключения тензорезисторов.

Устройство содержит упругий элемент в форме параллелограмма, имеющий две жесткие опоры 1 и 2 в виде уголков с попарно параллельными вертикальными 3 и 4 и горизонтальными 5 и 6 полками, три параллельные упругие балочки 7-9 с утонениями 10 и 11 на концевых участках, образующими упругие шарниры, и тензорезисторы 12 и 13. Вертикальные полки 3 и 4 жестких опор 1 и 2 соединены между собой упругими балочками 7-9 с образованием параллелограммной подвески, а горизонтальные полки 5 и 6 размещены с перекрытием смежных торцев 14 вертикальных полок 3 и 4 с заданным зазором "a" между ними. В стенках вертикальных полок 3 и 4 выполнены пазы 15 для закрепления концов средней упругой балочки 8 и прорези 16 на глубину пазов 15 параллельно упругим балочкам 7 и 9 параллелограммной подвески с двух сторон симметрично относительно пазов 15. Жесткие опоры 1 и 2 и балочки 7 и 9 выполнены за одно целое из металлической пластины электроэрозионной резкой, чем обеспечивается равенство зазоров между смежными полками жестких опор и идеальная моментная заделка концов упругих балочек 7 и 9. Средняя упругая балочка 8 изготовлена из монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией (100) с диффузионными тензорезисторами 12 и 13 на нагруженных поверхностях в зоне утонений 11. Упругие шарниры средней упругой балочки 8, образованные утонениями 11, расположены на большем расстоянии друг от друга, чем упругие шарниры на крайних упругих балочках 7 и 9. В частности, при расстоянии между шарнирами средней упругой балочки 8, равном 5,4 мм, расстояние между шарнирами крайних упругих балочек 7 и 9 выбрано равным 4,2 мм. Концы 17 упругой балочки 8 установлены в пазах 15 и приклеены к их нижним поверхностям через электроизоляционные прокладки 18. Смежные горизонтальные 5 и 6 и вертикальные 3 и 4 полки жестких опор соединены между собой с помощью замков, каждый из которых выполнен в виде Г-образного выступа 19 на горизонтальной полке 5 (6) и ответного выреза в вертикальной полке 3 (4).

Таким образом, указанный замок представляет собой зубчатое соединение с прямоугольными зубьями, один из которых образован горизонтальной полкой 20 Г-образного выступа 19, а другой - консольным выступом 21, образованным вырезом в вертикальной полке 3 (4). Практически указанное зубчатое соединение получается при выполнении опор 1 и 2 из одной металлической пластины путем выполнения S-образного пропила электроэрозионной резкой с толщиной пропила, равной величине заданного зазора "a" между вертикальной и горизонтальной полками. Такое выполнение замка обеспечивает возможность двухстороннего вертикального перемещения опор 1 и 2 относительно друг друга в пределах заданного зазора "a". Горизонтальная полка 5 жесткой опоры 2 образует подвижное основание устройства, а горизонтальная полка 6 жесткой опоры 1 - неподвижное основание устройства. Для измерения знакопеременных нагрузок горизонтальные полки 5 и 6 снабжаются крепежными элементами (на фиг. не показаны). Тензорезисторы 12 и 13 соединены в мост Уинстона, который одной своей диагональю подключен к источнику стабилизированного питания U_п, а другая диагональ является измерительной.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При нагружении устройства силой P подвижное основание - горизонтальная полка 5 жесткой опоры 2 перемещается вниз в направлении действия указанной силы. При этом происходит поворот всех трех упругих балочек 7-9 на некоторый угол относительно упругих шарниров. На тензорезисторы 12 и 13 воздействуют механические напряжения от изгиба, пропорциональные приложенной силе, и сжимающие напряжения, определяемые соотношением расстояний между упругими шарнирами средней 8 и крайних упругих балочек 7 и 9, причем на парах тензорезисторов 12 и 13 изгибные напряжения имеют разный знак, а сжимающие - одинаковый. При этом происходит разбаланс моста Уинстона, связанный с разностью сопротивлений тензорезисторов 12 и 13 из-за изгиба утонений 11, и уменьшение электрического сопротивления плеч моста Уинстона, вызванное сжатием утонений при перемещении жестких опор параллелограммной подвески. Так как величина измерительного сигнала определяется соотношением ΔU = ΔR/R•U_п, где ΔR и R - соответственно разность и сумма электрических сопротивлений тензорезисторов 12 и 13 после приложения нагрузки, а U_п - напряжение питания моста Уинстона, то уменьшение R под действием сжимающих напряжений приводит к возрастанию измерительного сигнала и повышению точности измерения. При этом получаем нелинейный характер изменения угла наклона на диаграмме "выходной сигнал - усилие", что не влияет на точность измерения, так как современные средства обработки электрического сигнала позволяют учесть индивидуальный характер указанной диаграммы для каждого измерительного устройства. Защита устройства от перегрузок осуществляется за счет заданного зазора "a" между горизонтальными 5 и 6 и вертикальными 3 и 4 полками жестких опор.

Работа устройства на растяжение аналогична работе устройства на сжатие, а его защита от перегрузок осуществляется за счет зазора между горизонтальной полкой 20 и консольным выступом 21.

Использование: в точных электронных весах и в качестве преобразователя механических величин в электрический сигнал. Сущность изобретения: устройство содержит две жесткие опоры в виде уголков с попарно параллельными вертикальными и горизонтальными полками, три параллельные упругие балочки с утоненными концами, образующими упругие шарниры. Вертикальные полки соединены упругими балочками с образованием параллелограммной подвески, тензорезисторы сформированы на утоненных концах средней балочки, закрепленных в пазах вертикальных полок, а горизонтальные полки размещены с перекрытием смежных торцев вертикальных полок с заданным зазором между ними. Упругие шарниры на средней балочке расположены на большем расстоянии друг от друга, чем упругие шарниры на крайних балочках, а в вертикальных полках с двух сторон симметрично относительно пазов выполнены прорези. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения усилий, содержащее две жесткие опоры в виде уголков с попарно параллельными вертикальными и горизонтальными полками, три параллельных упругих балочки с утоненными концами, образующими упругие шарниры, и тензорезисторы, при этом вертикальные полки жестких опор соединены между собой упругими балочками с образованием параллелограммной подвески, тензорезисторы сформированы на утоненных концах средней балочки, закрепленных в пазах вертикальных полок, а горизонтальные полки жестких опор размещены с перекрытием смежных торцов вертикальных полок жестких опор с заданным зазором между ними, отличающееся тем, что упругие шарниры на средней балочке расположены на большем расстоянии друг от друга, чем упругие шарниры на крайних балочках, а в вертикальных полках с двух сторон симметрично относительно пазов выполнены прорези. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прорези выполнены на глубину пазов. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что прорези выполнены параллельными упругим балочкам параллелограммной подвески. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что расстояние между упругими шарнирами средней упругой балочки равно 1,1 - 1,35 расстояния между упругими шарнирами крайних упругих балочек. 5. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что смежные горизонтальные и вертикальные полки жестких опор соединены между собой с помощью двух замков с возможностью двустороннего вертикального перемещения этих опор друг относительно друга в пределах заданного зазора. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждый замок выполнен в виде Г-образного выступа, выполненного на одной из смежных полок жестких опор и ответного выреза в другой смежной полке.