ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01B5/00 G01B7/00 G01B7/16 

Заявляемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам, контролирующим перемещение деталей машин, и может быть использовано в системах контроля машинами и оборудованием.

Из уровня техники известны датчики перемещения различных конструкций, однако общим для них является то, что перемещение в датчиках преобразуется в электрический сигнал с помощью чувствительных элементов резистивного, индуктивного, магнитного, тензометрического и т.д. типа [1, с. 19-263]. У каждого типа чувствительных элементов имеются свои достоинства и недостатки, например, у резистивных датчиков со скользящим контактом проблемой является переходное сопротивление точке контакта, вносящее существенное искажение в сигнал датчика [2, с. 346-347], у пружинных омических датчиков невысоки точность и надежность [1, с.24]. Использование емкостных и индуктивных датчиков осложняется необходимостью тщательного экранирования от внешних полей и требует высокой точности изготовления [1, С.202-206; 2, с. 360; 3, с. 41].

В последнее время расширяется применение тензометрических чувствительных элементов, что обусловлено их высокой чувствительностью [3, с.42]. Однако диапазон измеряемых перемещений у элементов такого типа невелик - до 500 микрон [1, с. 17] , что вызывает необходимость использования передаточных звеньев, обеспечивающих преобразование измеряемых перемещений в приемлемую для датчиков величину - т.н. упругих элементов. В качестве упругих элементов используются стержни, кольца, тонкостенные цилиндры, плоские пружины в виде балок, а также мембраны, сельфоны [3, с. 13-21; 4, с. 66-67], пары рычагов, связанных упругим шарниром [5] и т.д. Наиболее предпочтительным следует признать упругие элементы, имеющие линейную передаточную характеристику, в этом случае в значительной степени облегчается обработка сигнала датчика и повышается точность измерения.

Наиболее близким к заявленному является измеритель линейного смещения, содержащий корпус с закрепленным на нем измерительным элементом, чувствительный узел которого кинематически связан с упругим элементом в виде системы блоков типа полиспаста [6]. Перемещение узла редуцируется в диапазон, воспринимаемый измерительным элементом. Часть блоков упругого элемента жестко фиксирована на корпусе, другая часть связана с измерительным элементом.

Известное устройство, выбранное в качестве прототипа, как представляется, обладает недостатком - использованием нити значительной длины, которая имеет собственный коэффициент растяжения, что вносит систематическую ошибку в результат измерения.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения за счет исключения систематической ошибки.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для измерения перемещений, содержащем чувствительный элемент и кинематически связанный с ним упругий элемент, последний выполнен в виде подпружиненного консольно закрепленного плоского рычага и шарнирно связанного с ним подпружиненного штока.

Пружина рычага выполнена с канавками, перпендикулярными плоскости симметрии, выполненными навстречу друг другу, расположенными на противоположных его сторонах и глубиной более половины толщины рычага. Расстояние между канавками определяет жесткость пружины. Пружина рычага может быть выполнена в виде тонкой металлической полосы из упругого материала, например фосфористой бронзы, рычаг может быть подпружинен и отрезком цилиндрической пружины.

Подпружинивание штока может быть выполнено размещением его внутри цилиндрической или конической пружины, один конец которой жестко связан с одним из концов штока, а второй - с подвижной втулкой, свободно перемещающейся по штоку за счет имеющегося зазора между штоком и втулкой и опирающейся на свободный конец рычага, выполненный в виде вилки.

В случаях, когда ось штока должна перемещаться в направлении, близком к перпендикулярному плоскости рычага, в корпусе может быть выполнено отверстие для свободного конца штока.

Подпружиненный рычаг имеет передаточную характеристику, близкую к линейной [3, с.21], пружина штока также имеет линейную характеристику, что обеспечивает возможность простой обработки результатов измерений.

Вариант заявляемого устройства показан на чертеже.

Шток 1 имеет две втулки 2 и 3, причем втулка 2 - скользящая за счет зазора со штоком, а втулка 3 жестко прикреплена к штоку. К втулкам жестко прикреплена цилиндрическая пружина 4. Скользящая втулка опирается на свободный конец 5 плоского рычага 6, выполненного в виде вилки. Опора втулки выполнена в виде цилиндрических выступов на наружной поверхности 7, размещаемых в соответствующих полукруглых углублениях 8 вилки. Второй конец рычага жестко закреплен в корпусе 9, в последнем размещен измерительный элемент 10 тензометрического типа, например тензопреобразователь мембранный (ТУ 25-2472.0052-92). Чувствительный узел измерительного элемента опирается на рычаг. Рычаг имеет две параллельные несовпадающие канавки 11 и 12, выполненные на противоположных плоскостях рычага навстречу друг другу и имеющие глубину более половины толщины рычага. Расстояние между канавками выбрано исходя из требований жесткости подвески. В корпусе имеется отверстие для свободного конца штока 13.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Конец штока с втулкой 3 жестко связан с перемещаемым узлом контролируемого агрегата. При перемещении штока пружина растягивается за счет перемещения его внутри втулки 2, которая передает усилие на рычаг и чувствительный узел измерительного элемента. Сигнал последнего подают на усилительно-измерительное устройство (на чертеже не показано).

Описанное устройство испытано в лабораторных и промышленных условиях.

Датчик показал следующие параметры:
измеряемое перемещение: до 300 мм;
линейность и точность определяются фактически примененным тензопреобразователем.

Литература
1. Д. И. Агейкин, Е.Н. Костина, Н.Н. Кузнецова. Датчики контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1965.

2. Ж. Аш и др. Датчики измерительных величин. Кн 2. М.: Мир, 1992.

3. Л.А. Осипович. Датчики физических величин. М.: Машиностроение, 1979.

4. Е. С. Левашина, П.В. Новицкий Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. М.: Энергомашиздат, 1983.

5. Датчики перемещения для измерения раскрытия щели. Патент США N4098000, МПК G 01 B 5/00, опубл. 04.07.78 г.

6. Измеритель линейного смещения. Заявка Японии N55-15641, МПК G 01 B 5/00, опубл. 25.04.80 г.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам, контролирующим перемещение деталей машин, и может быть использовано в системах контроля машинами и оборудованием. Датчик содержит корпус, закрепленный в нем измерительный элемент тензометрического типа и упругий элемент, редуцирующий перемещение контролируемой детали в перемещение чувствительного узла измерительного элемента. Упругий элемент содержит плоский подпружиненный рычаг, воздействующий на чувствительный узел измерительного элемента и шарнирно связанный с ним подпружиненный шток. Рычаг выполнен с канавками, расположенными на противоположных его сторонах, свободный конец рычага выполнен в виде вилки, через которую проходит шток. Технический результат - обеспечение передаточной характеристики, близкой к линейной. 1 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Датчик перемещения, содержащий корпус, закрепленный на нем измерительный элемент, чувствительный узел которого связан с упругим элементом, редуцирующим измеряемое перемещение, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде консольно закрепленного в корпусе плоского подпружиненного рычага и шарнирно связанного с ним подпружиненного штока. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что рычаг выполнен с канавками, расположенными на противоположных его сторонах, причем свободный конец рычага выполнен в виде вилки. 3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что шток размещен внутри цилиндрической пружины, концы которой закреплены на втулках, одна из которых жестко связана со штоком, а вторая установлена на штоке с возможностью перемещения. 4. Датчик по одному из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что корпус имеет выступ с отверстием, через которое проходит конец штока, свободный от пружины.