ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 2024 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно - к датчикам (Д) для измерения веса и силы.

Известен тензорезисторный датчик силы (ТДС), содержащий упругий элемент (УЭ) в форме мембраны, на которой закреплен мост тензорезисторов (TP) [1]. Недостатки подобных Д состоят в том, что они имеют значительные погрешности нелинейности и гистерезиса, обусловленные натягом срединной поверхности мембраны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ТДС, содержащий УЭ в виде профилированной мембраны [2]. У таких Д улучшена линейность характеристики за счет выравнивания поля деформации мембраны. К недостаткам следует отнести сложность наклейки TP на изогнутые поверхности мембраны и слабо фильтруемые погрешности от паразитных поперечных сил.

Цели изобретения - упрощение наклейки и повышение точности расположения TP на мембране, повышение точности и надежности измерений за счет возможности наклейки двух мостов TP и включения в конструкцию Д двух силоприемных полусфер и силопередающего штока, фильтрующих паразитные поперечные силы, а также за счет снижения температурных погрешностей «нуля» и чувствительности путем изготовления основных элементов Д из одной марки стали.

Поставленные цели достигаются тем, что УЭ снабжен двумя мостами TP и силовым штоком, который упирается в первую силоприемную полусферу, а цилиндрическая опора упругого элемента опирается на вторую силоприемную полусферу. В опоре, для исключения влияния на точность Д растяжения срединной поверхности мембраны, с помощью двух глухих, кольцевых, встречно-направленных проточек, сформирован упругий шарнир. А также тем, что каждый мост в форме протяженных цепочек последовательно расположенных TP закреплен на прямоугольной изолирующей подложке, подложки закреплены на плоской поверхности мембраны во взаимно-перпендикулярных направлениях, при этом TP, точно зафиксированные на подложке, при ее закреплении на мембране точно располагаются на ней в зонах с равными величинами радиальных напряжений различных знаков, формирующихся из-за расчетного профиля второй стороны мембраны. А также тем, что упругий элемент и две силоприемные полусферы изготовлены из одной марки стали. На Фиг. 1 показан разрез Д, где Р - измеряемая сила. На Фиг. 2 - схема расположения мостов TP на мембране. На Фиг. 3 - схема нагружения плоской мембраны диаметром D, постоянной толщины h const силой Р, а также эпюра изгибающих моментов На Фиг. 4 - схема нагружения профилированной мембраны диаметром D переменной толщины силой Р и эпюра изгибающих моментов На Фиг. 5 - электрическая схема Д, где R1, R2, R3, R4 - сопротивления TP в мостовой схеме, (1-3) - клеммы для подачи напряжения питания, (2-4) - клеммы для регистрации выходного сигнала.

Обозначения, принятые на фигурах: 1 - мембранный УЭ; 2 - силовой шток; 3,4 - мосты TP; 5 - верхняя полусфера радиуса 6 - нижняя полусфера радиуса 7 - глухие, кольцевые, встречно - направленные проточки; 8 - подложки двух мостов TP; 9 - глухие отверстия в полусферах под ключ для их прикручивания к УЭ; 10 - герметизирующие прокладки - уплотнения; 11 - электрические разъемы: вых. 1, вых. 2; 12 - переходная колодка для распайки выводов от тензорезисторов и проводов к разъемам. Датчик работает следующим образом: при подаче на диагональ моста (1-3) напряжения питания и нагружении датчика силой Р, на выходной диагонали (2-4) формируется выходной сигнал пропорциональный измеряемой силе.

Предлагаемая конструкция ТДС позволяет повысить надежность и точность измерений за счет использования двух мостов на мембране и упростить точную наклейку TP в зонах равных механических напряжений разных знаков, а также снизить температурный дрейф «нуля» и температурные изменения чувствительности за счет изготовления основных элементов Д из одной марки стали.

Источники информации, принятые автором при экспертизе:

1. Пат США №3095551 кл. 338-5, дата публ. 25.06.63.

2. Пат США №3213400 Кл.338-5, дата публ. 25.06.63.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для создания компактных датчиков силы в форме столбиков-неваляшек. Упругий элемент датчика выполнен в виде профилированной мембраны, которая снабжена силовым штоком. На мембране расположены два моста фольговых тензорезисторов, каждый снабжен прямоугольной изолирующей подложкой, мосты расположены во взаимно перпендикулярных направлениях. Шток мембраны упирается в одну из силовводящих полусфер. Цилиндрической опорой мембрана опирается на вторую силовводящую полусферу. Измеряемое усилие через силовводящую полусферу передается на силовой шток, который деформирует мембрану и закрепленные на ней мосты тензорезисторов. При подаче напряжения на входы мостов и нагружении его силой (весом) на выходных диагоналях мостов формируются выходные сигналы, пропорциональные измеряемой силе, которые подаются на два разъема, расположенные с противоположных сторон второй полусферы. Технический результат - повышение точности и надежности датчика, а также простота его изготовления. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Тензорезисторный датчик силы, содержащий мембранный упругий элемент и мост тензорезисторов, отличающийся тем, что упругий элемент снабжен двумя мостами тензорезисторов и силовым штоком, который упирается в первую силоприемную полусферу, а цилиндрическая опора упругого элемента опирается на вторую силоприемную полусферу; в опоре, для исключения влияния растяжения срединной поверхности мембраны, с помощью двух глухих, кольцевых, встречно-направленных проточек сформирован упругий шарнир.

2. Тензорезисторный датчик силы по п. 1, отличающийся тем, что каждый мост в форме протяженных цепочек последовательно расположенных тензорезисторов закреплен на прямоугольной изолирующей подложке, подложки закреплены на плоской поверхности мембраны во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом тензорезисторы, точно зафиксированные на подложке, при ее закреплении на мембране точно располагаются на ней в зонах с равными величинами радиальных напряжений различных знаков, формирующихся из-за расчетного профиля второй стороны мембраны.

3. Тензорезисторный датчик силы по п. 1, отличающийся тем, что мембранный упругий элемент и две силоприемные полусферы изготовлены из одной марки стали.