ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИЛЫ Российский патент 2013 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к тензорезисторным преобразователям силы, и может быть использовано в разработке и изготовлении датчиков для измерения малых давлений с максимальной чувствительностью и повышенной точностью.

Известен преобразователь силы [1], содержащий упругий элемент- балку прямоугольного сечения с четырьмя сквозными отверстиями и пропилами нижней стороны. Измеряемое усилие передается через силопередающий элемент, расположенный посередине между парами отверстий. Тензорезисторы установлены на верхнюю поверхность упругого элемента над отверстиями.

Недостатками конструкции данного преобразователя силы являются низкая чувствительность в диапазоне малых давлений, невысокая теплоустойчивость и повышенная трудоемкость изготовления, обусловленные низкой жесткостью упругого элемента.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению (прототипом) является тензорезисторный преобразователь силы [2], содержащий упругий элемент, выполненный с четырьмя сквозными отверстиями с поперечными прорезями в боковой грани и размещенными над ними тензорезисторами, силопередающий элемент, расположенный посередине между парами отверстий. Упругий элемент выполнен за одно целое с опорным кольцом.

Недостатком данной конструкции является низкая чувствительность преобразователя, обусловленная неравномерным распределением деформационных напряжений по длине мембраны за счет ее переменной толщины (фиг.1). Максимальная величина деформации находится в месте минимальной толщины мембраны (h). При увеличении толщины мембраны (hx) величина деформации снижается по нелинейному закону практически до нуля. Тензорезистор, размещенный на поверхности над отверстием, воспринимает максимальную деформацию лишь небольшой частью своей длины, а наибольшая часть тензорезистора воспринимает значительно меньшую деформацию.

Цель изобретения - повышение чувствительности тензорезисторного преобразователя силы при минимальном силовом воздействии на упругий элемент.

Поставленная цель достигается тем, что в тензорезисторном преобразователе силы, содержащем упругий элемент с четырьмя сквозными отверстиями с поперечными прорезями в боковой грани и размещенными над ними тензорезисторами, выполненный за одно целое с опорном кольцом, согласно предлагаемому изобретению, ширина плоской поверхности упругого элемента в местах расположения тензорезисторов выполнена переменной и определяется следующим математическим выражением:

где b_x - ширина упругого элемента для текущей координаты х_T;

b - максимальная ширина упругого элемента;

h_min - минимальная толщина поверхности упругого элемента над сквозным отверстием;

l - длина упругого элемента;

Х_T -текущая координата тензорезистора;

r - радиус сквозного отверстия.

Выполнение ширины плоской поверхности упругого элемента в местах расположения тензорезисторов переменной приводит к выравниванию деформационных напряжений по длине тензорезистора и позволяет воспринимать максимальную деформацию по всей его длине, что значительно увеличивает чувствительность тензорезисторного преобразователя силы при минимальном силовом воздействии на упругий элемент и повышает точность измерения малых давлений.

На фиг.2 изображен предлагаемый тензорезисторный преобразователь силы, который содержит: упругий элемент (1) и опорное кольцо (2). Упругий элемент (1) содержит плоскую поверхность (3) с четырьмя установленными тензорезисторами (4), четыре сквозных отверстия (5) и силопередающий элемент (6), расположенный посередине между парами отверстий (5). Длина участков плоской поверхности (3), выполненная с переменной шириной, равна длине размещенных на них тензорезисторов (4).

На фиг.3 представлен график распределения относительной деформации поверхности данного переменного по ширине упругого элемента в пределах одного отверстия.

Преобразователь силы работает следующим образом.

Измеряемое усилие, воздействуя на упругий элемент (1) через силопередающий элемент (6), изменяет напряжение растяжения и сжатия на плоской поверхности (3) над сквозными отверстиями (5), величина и изменение напряжений фиксируется тензорезисторами (4), расположенными непосредственно над сквозными отверстиями (5). Тензорезистор (4), размещенный на плоской поверхности (3) с выравненными деформационными напряжениями, воспринимает максимальную деформацию по всей своей длине. Тензорези-сторы (4) соединены в мостовую измерительную схему, которая преобразует деформационные напряжения в выходной электрический сигнал.

Таким образом, применение данного технического решения позволит увеличить чувствительность тензорезисторного преобразователя силы при минимальном силовом воздействии на упругий элемент и повысить точность измерения малых давлений.

Изобретение может быть использовано для измерения малых давлений с повышенной чувствительностью и точностью. Тензорезисторный преобразователь силы содержит упругий элемент, выполненный за одно целое с опорном кольцом. Упругий элемент выполнен с четырьмя сквозными отверстиями с поперечными прорезями в боковой грани. На плоской поверхности упругого элемента над сквозными отверстиями размещены тензорезисторы. Ширина плоской поверхности упругого элемента в местах расположения тензорезисторов выполнена переменной и определяется соответствующим математическим выражением.

где b - максимальная ширина плоской поверхности упругого элемента;

h_min - минимальная толщина поверхности упругого элемента над сквозным отверстием;

l - длина рабочей части упругого элемента;

Х_T - текущая координата тензорезистора;

r - радиус сквозного отверстия.

Техническим результатом является увеличение чувствительности тензорезисторного преобразователя силы и повышение точности измерения малых давлений. 3 ил.

Тензорезисторный преобразователь силы, содержащий упругий элемент с четырьмя сквозными отверстиями с поперечными прорезями в боковой грани и размещенными над ними тензорезисторами, выполненный за одно целое с опорным кольцом, силопередающий элемент, расположенный посередине между парами отверстий, отличающийся тем, что ширина плоской поверхности упругого элемента в местах расположения тензорезисторов выполнена переменной и определяется следующим математическим выражением:

где b - максимальная ширина плоской поверхности упругого элемента;
h_min - минимальная толщина поверхности упругого элемента над сквозным отверстием;
l - длина рабочей части упругого элемента;
х_T - текущая координата тензорезистора;
r - радиус сквозного отверстия.