Многокомпонентный датчик силы Советский патент 1991 года по МПК G01L5/16 

(Pvzf

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для многокомпонентного измерения силы.

Цель изобретения - упрощение системы измерения составляющих действующей силы.

На фиг,1 схематически изображен многокомпонентный датчик силы; на фиг.2 - тензометрическая мостовая схема, используемая в датчике.

Датчик состоит из упругого элемента 1, на котором размещены тензорезисторы 2- 9, соединенные в мостовую схему (показано на фиг.2). Мост питается от источника 10. Измерительные приборы 11, 12 и 13 подключены соответственно к общим точкам 14 и 15. 16 и 17, 18 и 19. . Датчик работает следующим образом.

К торцу упругого элемента 1 приложена сила F, которую можно представить в виде трех составляющих Fx, FY-. FZ. Каждая составляющая силы вызывает деформацию упругого элемента, что в свою очередь приводит к пропорциональному относительному изменению сопротивления тензо- резисторов 2-9.

В таблице показана деформация каждого тензорезистора.

Деформации связаны с силой следую- щими соотношениями:

ех

EY

I

WY. Е 2

WX Е 2

Fx;

FV

Е -Sc

Fz,

где f- длина стержневого упругого элемента;

Wxt WY - момент сопротивления относительно осей Ох и OY соответственно;

Е - модуль Юнга материала упругого элемента;

So - площадь поперечного сечения упругого элемента.

Измерительный прибор 11 предназначен для определения изменения напряжения Uю между точкой соединения 1 и 3-го тенэорезисторов (на фиг.2 точка 14) и точкой соединения 5 и 7-го тензорезисторов (на фиг.2 точка 15), которое определяется по формуле

Uio 5ю ( ЈY + ez - ex + EZ + «v 5 или

-ez +EX +ez + )

(l +/Oez ; (2)

10

15

20

25

30

35

40

45

где Sio - чувствительность измерительной цепи, в которую включен измерительный прибор 10.

. Аналогично измерительный прибор 12 служит для определения изменения напряжения между точками 16 и 17, а измерительный прибор 13 - для определения изменения напряжения между точками 18 и 19. В этом случае зависимости изменения напряжения от относительного изменения сопротивления тензорезисторов следующие:

(eY+Јz+Јx+Јz-eY +

+ Јz -ex +ez +ре+ц е+це +

);

Ui2 812 ( EY + EZ + EY + ez - ЈY +

+ EZ -fey- Јz - ftez+pez. +/wez +

). или

-811 -(1 +/O-ez;(3)

Ui2 2 -SratEY+O +/) W

Решая совместно систему уравнений (1) и уравнения (2), (3), (4), получим значения FX, FY и FZ:

2 Е Wv Fx , Y X

w 2Sn -Ui2-Si2 -Un .

4 Sn Si2

2 F Wx

FY , x X

w 2 811 -Uio-Sio Un

Fz E S

4 Sio 811

Un

4 -Sn(1 +Ц)

Таким образом, определение всех трех составляющих силы осуществляется одной тензорезисторной мостовой схемой и тремя измерительными приборами, что значительно .повышает экономичность измерительной системы.

Формула изобретения

Многокомпонентный датчик силы, содержащий стержневой упругий элемент и размещенные на нем продольные и поперечные тензорезисторы, соединенные в мостовую схему, причем каждое плечо образовано по меньшей мере двумя одноименными тензорезисторгми, и измери-. тельный прибор, подключенный к диагонали моста, отличающийся тем,

что, с целью упрощения конструкции за счет исключения дополнительных мостовых схем, в него введены второй и третий измерительные приборы, а тензорезисторы размещены в местах пересечения поверхности упругого элемента и двух его меридиональных плоскостей, расположенных под прямым углом одна к другой, причем в каждом месте пересечения размещены по меньшей

мере один продольный и один поперечный тензорезисторы. при этом тензорезисторы. включенные в одно плечо моста, размещены на диаметра льно противоположных сторонах упругого элемента, а второй и третий

измерительные приборы подключены к общим точкам соединения продольных и попе- речных тензорезисторов, образующих смежные плечи моста.

Изобретение относится к приборостроению, а именно к средствам измерения механических величин электрическими методами с использованием тензорезисто- ров, и позволяет упростить конструкцию путем исключения дополнительных мостовых схем. Это достигается тем, что в датчик силы, состоящий из упругого элемента 1 и тен- зорезисторной мостовой схемы, введены дополнительные электрические цепи для измерения вариаций напряжения между точками 14 и 15с точками 18 и 19 мостовой схемы. 2 ил., 1 табл. сл с о VJ VI (Л со VI

Примечание

. + - деформация растяжения; - - деформация сжатия; ц - коэффициент Пуассона.

11

8