ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ УСИЛИЙ Российский патент 2001 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для защиты грузоподъемных машин и механизмов от перегрузок, в высокоточных тензометрических весах, а также в качестве преобразователя механических величин (давления, перемещения, деформации, усилия) в электрический сигнал в различных отраслях промышленности.

Известен датчик для измерения усилий, содержащий упругий элемент в форме полого цилиндра, имеющий концевые и среднюю опорные части, соединенные между собой цилиндрическим чувствительным элементом. Тензорезисторы установлены на внутренней поверхности цилиндрического чувствительного элемента и подключены к контрольно-измерительному электронному пороговому устройству (см. патент Российской Федерации N 2081809 С1, В 66 С 23/88, 20.06.1997). Данный датчик имеет недостаточную чувствительность, так как на точность измерений существенным образом влияют допуски на изготовление цилиндрического чувствительного элемента.

Известен также датчик для измерения усилий, содержащий чувствительный элемент в виде бруса, к которому с двух сторон присоединены силовоспринимающие части. В брусе выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, ось которого перпендикулярна продольной оси бруса и направлению измеряемого усилия. Цилиндрическое отверстие имеет кольцевую перегородку, симметрично расположенную относительно продольной оси груза. Тензорезисторы размещены на внутренней цилиндрической поверхности перегородки на площадках, смещенных на 45^o относительно продольной оси бруса (см. авторское свидетельство СССР N 451928 A1, G 01 L 1/22, 30.11.1974). Такое размещение тензорезисторов дает возможность регистрировать максимальные напряжения растяжения и сжатия на стенке отверстия в перегородке. Погрешность при измерении усилия существенным образом зависит от размеров тензорезистора, точности его закрепления относительно зоны максимальных напряжений растяжения и сжатия и качества приклеивания тензорезистора к стенке отверстия. Упругие свойства клеевого соединения существенным образом зависят от температуры и со временем ухудшаются, что также увеличивает погрешность измерения усилия.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является датчик для измерения продольных усилий, содержащий концевые силовоспринимающие части, выполненные за одно целое со средней чувствительной частью, отделенной от силовоспринимающих частей двумя встречными поперечными прорезями, и тензорезисторное устройство для измерения деформации чувствительной части. Прорези выполнены до оси симметрии датчика. Для формирования чувствительной части на боковых поверхностях средней части датчика под углом 45^o выполнены два паза. Силовоспринимающие концевые части имеют клиновидные законцовки с углом наклона поверхности клина 45^o, а чувствительная часть выполнена в виде косонаправленной площадки, размещенной между клиновидными законцовками. Тензорезисторы закреплены с двух сторон косонаправленной площадки (см. авторское свидетельство СССР N 1696915 A1, G 01 L 1/22, 09.01.1991). Наличие косонаправленной площадки обеспечивает равные деформации по всему сечению чувствительной части и одинаковую поперечную жесткость по ее длине, что позволяет уменьшить погрешности измерения усилия при смещении точки приложения внешнего усилия относительно оси симметрии датчика, а также обеспечивает независимость результатов измерений от размеров тензорезистора и конкретного места приклеивания его на косонаправленной площадке чувствительной части. Однако реализация в полной мере преимуществ косонаправленной площадки будет определяться точностью ее изготовления и существенно зависит от технологических возможностей изготовителя, в частности от наличия инструмента для формирования косонаправленной площадки. В данном изобретении сохраняется влияние на точность измерения усилия упругих характеристик клеевого соединения, что увеличивает погрешность измерения усилия при изменении температуры и при длительном сроке эксплуатации датчика. Наиболее существенное изменение характеристик клеевого соединения происходит при циклических изменениях температуры в диапазоне от -50 до +50^oC, что ограничивает использование данного изобретения в устройствах, эксплуатирующихся вне помещений (на улице).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание датчика для измерения продольных усилий с повышенной точностью измерения, в том числе и при смещении точки приложения усилия относительно оси датчика, способного сохранять повышенную точность измерения в течение всего срока эксплуатации при изменении температуры внешней среды от -50 до +50^oC. Другой задачей изобретения является создание высокоточного датчика для измерения продольных усилий с повышенной технологичностью изготовления.

Поставленные технические задачи решаются тем, что в известном датчике для измерения продольных усилий, содержащем концевые силовоспринимающие части, выполненные за одно целое со средней чувствительной частью, отделенной от силовоспринимающих частей двумя встречными поперечными прорезями, и тензорезисторное устройство для измерения деформации чувствительной части, согласно изобретению, чувствительная часть выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда, боковые грани которого, примыкающие к поперечным прорезям, имеют форму квадрата, в параллелепипеде по центру квадрата выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, перпендикулярное продольной оси датчика, а тензорезисторное устройство расположено внутри сквозного отверстия в плоскости продольной симметрии датчика и включает в себя упругую измерительную балочку с тензорезисторами, установленную перпендикулярно продольной оси датчика и симметрично относительно ее, и две опоры, соединяющие концы измерительной балочки с внутренней стенкой цилиндрического отверстия в зонах, прилегающих к точкам пересечения диагонали квадратной боковой грани со стенкой указанного отверстия.

Кроме того, первая опора выполнена в виде выступа на внутренней стенке цилиндрического отверстия в зоне, прилегающей к точке пересечения ее диагональю квадратной боковой грани, и первый конец измерительной балочки закреплен непосредственно на указанном выступе, а вторая опора выполнена в виде выступа на внутренней стенке цилиндрического отверстия в зоне, прилегающей к диаметрально противоположной точке пересечения диагонали квадратной боковой грани с внутренней стенкой отверстия, и силопередающего устройства, соединяющего указанный выступ со вторым концом измерительной балочки.

Силопередающее устройство может быть выполнено в виде платформы и двух ленточных тяг, соединяющих платформу с выступом.

Кроме того, на внутренней поверхности стенки цилиндрического отверстия выполнен дополнительный выступ для крепления монтажной платы выводов тензорезисторов, а в прилегающей к указанному выступу стенке цилиндрического отверстия выполнено сквозное отверстие для гермовыводов проводки монтажной платы, при этом в противоположной стенке цилиндрического отверстия выполнено компенсирующее отверстие, закрытое герметизирующей заглушкой.

Выступы на внутренней поверхности цилиндрического отверстия и силопередающее устройство целесообразно выполнять за одно целое со средней чувствительной частью.

Цилиндрическое сквозное отверстие в чувствительной части датчика целесообразно закрыть с двух сторон герметизирующими заглушками.

Измерительная балочка может быть выполнена из монокристаллического кремния.

Сущность изобретения заключается в том, что изготовление чувствительной части датчика в форме прямоугольного параллелепипеда, боковые грани которого, примыкающие к поперечным прорезям, имеют форму квадрата, и выполнение в параллелепипеде по центру квадрата сквозного цилиндрического отверстия, перпендикулярного продольной оси датчика, формирует симметричную силовую схему средней чувствительной части, деформирующейся аналогично параллелограмму Роберваля, в результате чего при нагружении измеряемым усилием ее противолежащие угловые фрагменты смещаются параллельно друг другу, и равнодействующая сила всегда проходит через центр сквозного цилиндрического отверстия. Расположение тензорезисторного устройства внутри сквозного отверстия в плоскости продольной симметрии датчика и включение в него упругой измерительной балочки с тензорезисторами, установленной перпендикулярно продольной оси датчика и симметрично относительно ее, с привязкой крепления ее концов к зонам, прилегающим к точкам пересечения диагонали квадратной боковой грани с внутренней стенкой цилиндрического отверстия, позволяет в полной мере использовать преимущества предложенной конструкции средней чувствительной части для повышения точности измерения прилагаемого усилия, в частности, за счет увеличения базы, на которой производится измерение деформации чувствительной части. При этом исключается влияние на точность измерения усилия упругих свойств клеевого соединения измерительной балочки с опорами, так как усилие передается на измерительную балочку через нормальные напряжения.

Заявленная конструкция опор измерительной балочки и силопередающего устройства исключает изгиб концевого участка измерительной балочки, что обеспечивает неизменность характера деформации измерительной балочки при нагружении датчика измеряемым усилием, а также исключает возможность разрушения измерительной балочки при изменении внешней температуры, в том числе при хранении и эксплуатации датчика в неотапливаемых помещениях.

Выполнение на внутренней поверхности стенки цилиндрического отверстия дополнительного выступа для крепления монтажной платы выводов тензорезисторов и сквозного отверстия для гермовыводов проводки монтажной платы в прилегающей к указанному выступу стенке чувствительной части упрощает монтаж измерительной балочки и делает датчик более технологичным.

Выполнение в противоположной стенке цилиндрического отверстия компенсирующего отверстия, закрытого герметизирующей заглушкой, поддерживает симметрию чувствительной части относительно диагонали квадратной боковой грани и повышает точность измерения усилия.

Выполнение силопередающего устройства и выступов на внутренней поверхности цилиндрического отверстия за одно целое со средней чувствительной частью делает ее более технологичной.

Герметизация цилиндрического отверстия защищает измерительную балочку и монтажную плату от воздействия внешней среды и обеспечивает неизменность характеристик датчика в течение всего срока его эксплуатации.

Выполнение измерительной балочки из монокристаллического кремния уменьшает температурные погрешности измерения продольных усилий и повышает технологичность датчика, так как наиболее уязвимый с точки зрения технологии элемент датчика (измерительная балочка с тензорезисторами) может быть изготовлен и проверен отдельно от чувствительной части датчика.

Технический результат от использования изобретения заключается в уменьшении погрешности измерения усилий и увеличении срока эксплуатации датчика.

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик без герметизирующих заглушек, общий вид; на фиг. 2 - разрез I-I на фиг. 1.

Датчик для измерения продольных усилий содержит корпус 1 в форме прямоугольного параллелепипеда, имеющего концевые силовоспринимающие части 2 и 3, выполненные за одно целое со средней чувствительной частью 4, отделенной от силовоспринимающих частей двумя встречными поперечными прорезями 5 и 6.

Чувствительная часть 4 также имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Его боковые грани 7 и 8, примыкающие к поперечным прорезям 5 и 6, имеют форму квадрата ABCD. В чувствительной части 4 по центру квадрата выполнено сквозное цилиндрическое отверстие 9, перпендикулярное продольной оси датчика. В силовоспринимающих частях 2 и 3 выполнены резьбовые отверстия 10 для крепления к датчику элементов, передающих измеряемое усилие.

Датчик имеет тензорезисторное устройство для измерения деформации чувствительной части 4. Устройство содержит размещенные в плоскости продольной симметрии датчика упругую измерительную балочку 11 с утонениями 12 и две опоры 13 и 14, соединяющие концы измерительной балочки с внутренней стенкой цилиндрического отверстия 9 в зонах, прилегающих к точкам E и F пересечения диагонали АС со стенкой отверстия 9. Измерительная балочка 11 размещена перпендикулярно продольной оси датчика и симметрично относительно ее.

Первая опора 13 представляет собой консольный выступ 15 на внутренней стенке цилиндрического отверстия в зоне, прилегающей к точке Е. Первый конец измерительной балочки 11 закреплен непосредственно на площадке выступа 15, например, с помощью клея. Вторая опора 14 имеет выступ 16 на внутренней стенке цилиндрического отверстия в зоне, прилегающей к диаметрально противоположной точке F, и силопередающее устройство 17, включающее в себя платформу 18 и две ленточные тяги 19, соединяющие платформу 18 с выступом 16. Второй конец измерительной балочки закреплен на платформе 18, например, с помощью клея. Измерительная балочка 8 изготовлена из монокристаллического кремния со сформированными на ней диффузионными тензорезисторами 20 на нагруженных поверхностях в зоне утонений 12. Тензорезисторы 20 объединены в схему четырехплечевого активного моста.

На внутренней поверхности стенки цилиндрического отверстия 9 в плоскости продольной симметрии датчика выполнен дополнительный выступ 21 для крепления монтажной платы 22 выводов тензорезисторов 20. В прилегающей к выступу 21 стенке отверстия 9 выполнено сквозное отверстие 23 для гермовыводов 24 проводки монтажной платы. В противоположной стенке отверстия 9 выполнено компенсирующее отверстие 25, закрытое герметизирующей заглушкой 26.

Выступы 15, 16, 21 на внутренней поверхности цилиндрического отверстия и силопередающее устройство 17 выполнены за одно целое со средней чувствительной частью 4. Цилиндрическое сквозное отверстие 9 закрыто с двух сторон герметизирующими заглушками 27.

Предлагаемый датчик работает следующим образом.

При нагружении датчика измеряемым растягивающим усилием P силовоспринимающие части 2 и 3 передают указанное усилие на среднюю чувствительную часть 4, которая деформируется под действием указанного усилия. Деформация средней части приводит к смещению относительно друг друга точек E и F пересечения диагонали АС со стенкой цилиндрического отверстия 9. Смещение точек E и F передается на измерительную балочку 11. Измерительная балочка 11 изгибается и ее деформация передается на тензорезисторы 20. Тензорезисторы изменяют свое сопротивление, происходит разбаланс активного моста и на его измерительной диагонали возникает напряжение, измеряемое информационно-измерительным блоком. Смещение усилия P относительно номинального положения не приводит к появлению дополнительных изгибающих моментов на средней чувствительной части, так как плечо сил, действующих на среднюю чувствительную часть, остается неизменным.

В случае изменения температуры при эксплуатации датчика температурная деформация измерительной балочки 11 будет отличаться от аналогичных деформаций средней чувствительной части 4. Разница в температурных деформациях приведет к некоторому изгибу измерительной балочки 11, который может быть учтен при восстановлении нуля в начале измерения и не приведет к ухудшению точности измерения усилия.

Заявленное изобретение может быть изготовлено промышленным способом с использованием современных материалов и технологий, что подтверждает его промышленную применимость.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве преобразователя механических величин в электрический сигнал в различных отраслях промышленности. Датчик содержит концевые силовоспринимающие части 2, 3, выполненные за одно целое со средней чувствительной частью 4, отделенной от силовоспринимающих частей двумя встречными поперечными прорезями 5, 6, тензорезисторное устройство для измерения деформации чувствительной части. Чувствительная часть выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда, боковые грани которого, примыкающие к поперечным прорезям, имеют форму квадрата АВСD. В параллелепипеде по центру квадрата выполнено сквозное цилиндрическое отверстие 9, перпендикулярное продольной оси датчика. Тензорезисторное устройство расположено внутри сквозного отверстия и включает в себя упругую измерительную балочку 11 с тензорезисторами 20, установленную перпендикулярно продольной оси датчика и симметрично относительно ее, и две опоры. Опоры соединяют концы измерительной балочки с внутренней стенкой цилиндрического отверстия в зонах, прилегающих к точкам Е, F пересечения диагонали квадратной боковой грани со стенкой указанного отверстия. Технический результат: уменьшение погрешности измерения усилий, увеличение срока эксплуатации датчика. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Датчик для измерения продольных усилий, содержащий концевые силовоспринимающие части, выполненные за одно целое со средней чувствительной частью, отделенной от силовоспринимающих частей двумя встречными поперечными прорезями, и тензорезисторное устройство для измерения деформации чувствительной части, отличающийся тем, что чувствительная часть выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда, боковые грани которого, примыкающие к поперечным прорезям, имеют форму квадрата, в параллелепипеде по центру квадрата выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, перпендикулярное продольной оси датчика, а тензорезисторное устройство расположено внутри сквозного отверстия и включает в себя упругую измерительную балочку с тензорезисторами, установленную перпендикулярно продольной оси датчика и симметрично относительно ее, и две опоры, соединяющие концы измерительной балочки с внутренней стенкой цилиндрического отверстия в зонах, прилегающих к точкам пересечения диагонали квадратной боковой грани со стенкой указанного отверстия. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первая опора выполнена в виде выступа на внутренней стенке цилиндрического отверстия в зоне, прилегающей к точке пересечения ее диагональю квадратной боковой грани, и первый конец измерительной балочки закреплен непосредственно на указанном выступе, а вторая опора выполнена в виде выступа на внутренней стенке цилиндрического отверстия в зоне, прилегающей к диаметрально противоположной точке пересечения диагонали квадратной боковой грани с внутренней стенкой отверстия, и силопередающего устройства, соединяющего указанный выступ со вторым концом измерительной балочки. 3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что силопередающее устройство выполнено в виде платформы и двух ленточных тяг, соединяющих платформу с выступом. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности стенки цилиндрического отверстия выполнен дополнительный выступ для крепления монтажной платы выводов тензорезисторов, а в прилегающей к указанному выступу стенке цилиндрического отверстия выполнено сквозное отверстие для гермовыводов проводки монтажной платы. 5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что в противоположной стенке цилиндрического отверстия выполнено компенсирующее отверстие, закрытое герметизирующей заглушкой. 6. Датчик по п.4, отличающийся тем, что выступы на внутренней поверхности цилиндрического отверстия и силопередающее устройство выполнены за одно целое со средней чувствительной частью. 7. Датчик по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что цилиндрическое отверстие закрыто с двух сторон герметизирующими заглушками. 8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что измерительная балочка выполнена из монокристаллического кремния.