Тензорезисторный датчик силы Советский патент 1988 года по МПК G01L1/22 

фиг.1

15

Изобретение относится к силоизмериельной технике и может быть использовано для точного измерения усилий.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг. 1 изображено конструктивное выполнение датчика; на фиг. 2 -- балка-полоса из круглой пластины силопреобразую- ш.ей части упругого элемента; на фиг. 3 - напряженно-деформируемое состояние балкиолосы, нагруженной распределенной систе- 10 ой сил.

Тензорезисторный датчик силы состоит з силовводяшего звена 1, силопреобразую- его звена 2, выполненного с опорным ыступом и (юдрезисторными верхней 3 и ижней 4 оболочками, на которых размещеы тензорезисторы 5, 6, и установленного на ольцевой опоре 7.

Датчик работает следуюп1,им образом.

Нагрузка Р силовводящим звеном 1 и кольцевой опорой 7 деформирует сило- преобразующее звено 2, в результате чего оно поворачивается вокруг опоры и верхняя оболочка 3 сжимается, а нижняя растягивается, что и преобразуется тензорезисто- рами 5, 6 в изменение электрического сигнала.

Определение места расположения опоры в зависимости от конструктивных параметров атчика осуществляется на основании известных зависимостей.

30

U(x,y)

U(x,y)

оЛх, у)

-ху

20

25

40

Так как в упругом элементе основным си- лопреобразующим звеном является кольцевая пластина (фиг. 1), рассмотрим ее напряженно-деформируемое состояние. Для этого из круглой пластины, основного сило- преобразующего звена упругого элемента, 35 мысленно вырежем балочку единичной толщины, проходящую через центр пластины, к которой приложены некоторая внешняя нагрузка РО, распределенная на верхнем ее торце, и реакция опор Ro. Действие отброшенных частей пластины заменим некоторой системой сил Т, Q, S (фиг. 2). Заменим теперь систему сил Т, Q, S, действующую в плоскостях разреза, на эквивалентную ей систему сил P|(x), Р2(х), РЗ(Х), Р4(х), действующую уже в торцовых плос- дд костях балки. Таким образом, приходим к задаче об определении напряженно-деформированного состояния свободно опертой балки-полоеы, загруженной некоторой распределенной системой сил Pi(x), Р2(х), РЗ(Х), PJ(X) (фиг. 3), воспользуемся функ- 50 цией напряжений, представленной рядом Фурье

о

ф(х, sinot,,x(Cichc «y-|-C2shc,,y-|-|-C3ychc -,,y;bC.iyshc,,,y) -|-cosc ,,x (C5chc,,y-|- -|-Сб5ИсХ„у-ЬС7усН«„у+С8у8Ьсл„у) .55

Соответствующие компоненты напряжений

и перемещений через функцию напряженийU(x, у):

определяются по известным формулам

Грани ронах со запишем roy(x,iL

1

,,(х,|

на свобо аЛ±0/2

Для циентов грузку, ния (3),

Р,„(х)2

где коэф ся по из

А„„

В„,„

Так образую тывает о нее дейс S нечет Следоват ма сил P

действую дает ука ражения

А2„

Из выра напряже нужно в

С,

Подс (2) с уч ражение ряда по

U(x,y) -5((l- 1)3ф(х, у) .

v

-V)

,l2Ll dxar

дх

U(x,y) i±((l-v)(p(x, у)-). V- J- Л

оЛх, у)

-ху

(х,у

((х, у) , ..,, ду -

,.) Ч (х,у)

Граничные условия на продольных сторонах согласно схеме нагружения (фиг. 3) запишем в виде roy(x,iL)-P2(x) fay(x,f) -P4(x)

1I(2)

,,(х,|-) -Рл,(Х), (т.,(х,) -РЗ (X)

на свободно отпертых концах аЛ±0/2,у)0,т,,(±0/2,у) + R(y)

(4)

Для определения неизвестных коэффициентов С, в выражении (1) разложим нагрузку, стоящую в правых частях уравнения (3), в тригонометрический ряд Фурье

Р,„(х)2 (А, + В„„со5),(5) п оии

(,2, 3, 4),

где коэффициенты Атп и Вт„ определяются по известным зависимостям

У2

2wix

P,(x),

-0/2.

Ife

I- Pm(x)COS

-Vz

2пях

dx.

(6)

U(x, у):

Так как круглая пластина в силопре- образующем звене упругого элемента испытывает осесимметричную деформацию, то на нее действует нагрузка РО, Q, Т четная и S нечетная относительно плоскости OYz. Следовательно, и эквивалентная им система сил Pl(x), Р2(Х), РЗ(Х), Р4(Х) (фиг. 3),

действующая на балку-полосу, также обладает указанным свойством, а тогда из выражения (6) получаем

А2„ А4« Bi,, Вз„ О .(7)

Из выражения (12) следует, что функция напряжений является четной, а для этого нужно выполнить условие

С, О .(8)

Подставляя выражение (1) в уравнение (2) с учетом уравнения (8), получаем-выражение для перемещения U(x, у) в виде ряда по тригонометрическим функциям

+ Е sin. 2njtXrr ц2пду, «и DD f-cf} +V W U W f 1

Ш

ws:

Nt Q|J|Xi

Л А)

вм

7Г

NjX

|J|Xi

Л А)

фиё.д

Изобретение относится к силоизмери- тельной те.хнике и позволяет повысить точность измерений. Выполненный в виде тела враш.ения упругий элемент состоит из силовводящего 1 и силопреобразующего 2 звеньев. Воздейств}1е нагрузки на звено 1 вызывает деформацию звена 2, установленного на кольцевой опоре 7. ТензорезиСто- ры 5, 6 преобрзуют сжатие оболочки 3 и растяжение оболочки 4 в электрические сигналы. Приведено соотношение, из которого выбирается расстояние от основания упругого элемента до повер.хности контактирования его с кольцевой опорой 7. 3 ил.