Тензорезисторный датчик силы Советский патент 1985 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для точного измерения усилий. Известны тензорезисторные датчики силы, содержащие осесимметричный упругий злемент в виде тела вращения с сЯлопреобразукщим звеном в фор ме пластины, кольца или оболочки и вьтолненные за одно целое или жест ко соединенные с ним концентрические подрезисторные кольца с расположенными на них тензорезисторами.При этом толщина осевого сечения колец постоянна вдоль оси lj и 2J . Принцип работы таких датчиков сил основан на том, что при приложении, осевой нагрузки их деформация преобразуется в деформацию подрезисторных колец и расположенньк на них тензорезисторов. При этом точность измере ния усилия тем вьпие, чем больше чувствительность упругого элемента при прочих равных условиях, т.е. чем больше деформация тензорезисторов при одном и том же напряженнодеформированном состоянии упругого . элемента. В упругих элементах, содержащих концентрические подрезисторные кольца, повышение: чувствительности возможно путем увеличения высоты колец и соответствующего отдаления тензорезисторов от нейтральной плоскости изгибаемого силопреобразующего звена упругого элемента. Однако такое увеличение возможно лишь в определенных, довольно неболь ших пределах в связи с тем, что при дальнейшем увеличении высоты кольца из-за прогиба его консольного участка приращение радиальной деформации уменьшается, а увеличение высоты кольца значительно повышает жесткость упругого элемента, что ведет к снижению его чувствительности. В обо их случаях для достижения адекватной величины рабочего коэффициента передачи необходимо увеличить деформацию упругого элемента,- что влечет за собой повышение уровня напряжений в нем и ухудшение метрологически характеристик. . Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство, в котором подрезисторные кольца упругого элемента имеют осевое сечение, уменьшающееся к периферийному торцу з . На фиг. 1 представлена деформация подрезисторных колец растяжений АС и сжатия АВ при различном исполнении осевого сечрния колец. В упругих элементах, у которых подрезисторные кольца имеют постоянную толщину, форма упругой линии их осевого сечения изображена кривыми АВ и АС,. Из-за прогиба консольного участка кольца (фиг. 1) его радиальная деформация ЛR, значительно меньше радиального перемещения (R. нормалей АВ, и АС, а относительно прямолинейный участок кольца ограничен небольшой высотой Л Н, В упругом элементе, подрезисторные кольца которого имеют осевое сечение, уменьшающееся к периферийному торцу, упругие линии осевого сечения АВ2 и АС обеспечивают большую радиальную деформацию j R и имеют больший относительно прямолинейный участбк , однако сохраняют присущие кольцам пос-т-оянного сечения недостатки, обусловленные прогибом их сечения. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности тензорезисторных датчиков силы. Указанная цель достигается тем, что в тензорезисторном датчике силы, содержащем осесимметричный упругий элемент в виде тела вращения с силопреобразующим звеном в форме пластины, кольца или оболочки и выполненные за одно целое концентрические подрезисторные кольца с расположенными на них тензорезисторами, средний диаметр подрезисторных колец равен 0,3-1,0 наружного диаметра силопреобразующего звена, а толщина осевого сечения подрезисторных колец h(z) на произвольной высоте Z от верши.ны кольца определяется соотношением h(z) а(|) , где а - толщина осевого сечения подрезисторного кольца в вершине, мм; b - толщина осевого сечения подрезисторного кольца в основании, мм; Н - высота подрезисторного х кольца, мм; z - высота сечения, перпендикулярного оси от вершины коль ца, мм, при этом отношение толщины осевого сечения подрезкеторных колец в осно вании к тал1цине того же сечения в вершине не менее двух. Оптимальной является форма упругой линии сечения колец, совпадающая с линиями ABj и ACj - норма- лями к нейтральной плоскости изогнутой ш1астины.Все это можно отнес ти к любым осесимметричным упругим элементам с силопередающим звеном в виде тела вращения (кольцо, оболочка цилиндрическая, коническая и т.д.), рассматривая собственную деформацию подрезисторных колец от воздействия СИЛОВЬЕХ факторов, заменяющих остальную часть упругого элемента. Требованию совпадения упругой линии с нормаля№1 ABj и ACj отвечаю кольца равных углов поворота поперечных сечений, т.е. такие кольца, у которых в деформированном состоянии все поперечные сечения на любой высоте кольца имеют практически оди наковые углы поворота. Определение конструктивных параметров таких колец осуществляется н основании известных зависимостей. Пример. Так как рассматрива мые подрезисторные кольца представляют собой цилиндрическую оболочку с осевым сечением переменной толщины, то дифференциальное уравнение изгиба такой оболочки имеет вид EhMz) , 1 Ч-,/ 12() dz2J где - коэффициент Пуансона матери ала подрезисторного кольца; Е - модуль упругости 1 рода материала подрезисторного кол Ца; R - средний радиус; h(i) - толшина на произвольной выс те кольца; q - интенсивность эквивалентной нагрузки. Так как в реальньк конструкциях подрезисторных колец «1, то вторым членом в (1) можно пренебреч и уравнение будет эквивалентно осно ному дифференциальному уравнению упругой линии стержня переменного 0 сечения hCz) при изгибе, а угол его поворота будет равен 12(1-: )M H- с (2) где Cp - угол поворЪта сечения; В - ширина сечения. Для оболочки равных углов поворота должно соблюдаться условие Так как в выражении (2) от / зависит только подинтеграпьная функиия, то для соблюдения условий (3) эта функция F(z) на всем протяжении t должна быть практически постоянной, а ее производная не должна обращаться в нуль. Таким условиям удовлетворяет функция2 Н ch А ().,, 3/13- Т arctge(5) F(z) при (:Уэ;- 2. Продифференцировав (5) и подставив его в (4), после соответствующих преобразований получаем h(.l-a(l Таким образом, параметры подрезисторного кольца в виде оболочки равных углов поворота определяются зависимостью (6). Такие кольца обеспечивают оптимальную реализацию напряженно-деформированного состояния упругого элемента.в деформацию тёнзорезисторов. Смысловое значение параметров а, b и Н представлено на фиг. 2(а,б) на фиг. 3(а,б) приведены примеры конкретного выполнения силоизмерительных элементов для датчиков по настоящему изобретению. . Подрезисторные кольца 1 и 2 могут располагаться на торце силопре образующего звена (фиг. За) или на его наружном диаметре (фиг. Зб, поз. 1 и 2). Возьюжно также и комбинированное сочетание - на торце и наружном диаметре (фиг. 36, поз. 1 и 2 ) , На фиг. 3 сипопреобразующее звено 3 вьшолиено в виде пластины, однако 511 все изложенное относится и к другой осесимметричной форме силопреобразую щего эвена в виде тела вращения, натфимер кольца, оболочки цилиндрической, конической и т.д.. Во всех этих случаях независимо от формы силопреобразующего звена в виде тела вращения в датчике реализуются все изложенные достоинства под- -M

Фиг. 2 l резисторных колец равных углов поворота. Кроме того, параметры подрезисторных колец, определенные по зависимости (6), достаточно точно поддаются аппроксимации дугами окружностей (фиг. 2б) соответствующего радиуса, что упрощает технологию их изготовления.

ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ, содержащий осесимметричный упругий элемент в виде тела вращения с силопреобразую цим звеном в форме пластины, кольца или оболочки и выполненные за одно целое концентрические подрезисторные кольца с расположенными на них тензорезисторами, отличающийся тем, что, с целью повБПпения чувствительности и точности датчика силы, средний диаметр подрезисторных колец равен 0,3-1,0 наружного диаметра силопреобразующего звена, а толщина осевого сечения подрезисторных, колец h (z) на произвольной высоте Z от вершины кольца определяется соотношением 2. h(z)o( где а - толщина осевого сечения подрезисторного кольца в вершине, мм; b толпрна осевого сечения под- S резисторного кольца.в основании, мм; н высота подрезисторного кольца, мм; Z. высота сечения, перпендикулярного оси от вершины кеэпьца, мм, при этом отношение толщины осевого сечения подрезисторных колец в основании к толщине того же сечения в вершине не менее двух. СО со ;о х