Механотронный преобразователь Советский патент 1993 года по МПК G01L1/14 

Изобретение относится к механически управляемым электронным приборам - ме- ханотро нным преобразователям (механот- ронам), предназначенным для измерения усилий.

Известны механотронные преобразователи усилий и перемещений, содержащие систему электродов, расположенную в ваку- умированном баллоне, гибкую мембрану, являющуюся частью баллона, в которую вварен или впаян управляющий стержень, образующий с мембраной гибкое сочленение, на внутреннем конце стержня закреплены подвижные электроды механотрона,. а внешняя часть стержня образует штырь механотрона, на;который подг ется контролируемый механический сигнал (усилие или перемещение).

Недостатком известных механотрон- ных преобразователей усилий и перемеще- ний является то, что примененное в них гибкое сочленение мембрана с управляющие, стержнем (кинематическая система

мембрана-стержень) является равножест- ким при любых перемещениях стержня, а следовательно,чувствительность к усилиям этой системы при перемещении стержня в рабочем направлении и ее чувствительность к усилиям при перемещении в направлении, перпендикулярном рабочему направлению, одинаковы. Это приводит к появлению паразитных сигналов на выходе механотрона при неконтролируемых смещениях стержни в нерабочем направлении, что снижает точ- но сть измерения усилий.

Известен механотронный преобразователь (прототип), содержащий гибкое сочленение мембраны с управляющим стержнем, состоящим из внешнего и внутреннего отрезков, и баллон, соединенный смембраной посредством фланца, и расположенную параллельно плоскости мембраны натянутую струну, концы которой скреплены с фланцем, а середина - с внешним отрезком стержня (штырём). Натянутая струна резко снижает чувствительность к усилиям систем

ел С

х| о

GJ Ю

мембрана-стержень в нерабочем направлении перемещения штыря, практически не изменяя значение этой чувствительности при перемещении штыря в рабочем направлении. .

Основным недостатком данного меха- нотрона-прототипа является его низкая выходная чувствительность по току (или по напряжению) к усилиям, что обусловлено ограничен йъТм возможностями повыше- ния чувстеитё лбно й его кинематической системы, ajaKXSEfHtiffKOH стабильностью выходного сигнала. Это не позволяет использовать известный преобразователь для измерения сверхмалых усилий порядка

н. . -. . - - /з

Как известно, формула для определения чувствительности кинематической системы мембрана-стержень механотрона имеет вид;/

№ - а - П23 ( + 1)lnk-(k2 -f /4(k2-1)

Л

12(1 ) .Eh

CD

где Of - чувствительность по перемещению к силам, мкм/сН;

«-перемещение конца штыря меха- нотрона, мкм, от воздействия на него усилия F,cH; n- длина штыря механотрона, мм; k Ом/с1ц - отношение диаметра мембраны DM к диаметру жесткого центра 6ц, образованного в месте соединения мембраны со стержнем (обычно диаметр йц равен диаметру стержня dc); h - толщина материала мембраны, Мкм; Е vi I- модуль упругости и коэффициент Пуассона материала мембраны; /3 - коэффициент, учитывающий деист- вне атмосферного давления на мембрану и равный для тонких эластичных мембран 0,4,

Из технологических соображений в качестве материала мембран механотронов используется сплав ковар или нержавеющая сталь, для которых значения Е соответственно равны 1.4.Г011 Н/м2 и Н/м2 и значение /г равно 0,3.

Из формулы (1) следует, что увеличение чувствительности 0р можно получить за счет уменьшения толщины h материала мембраны, увеличения длины n штыря, а также за счет увеличения диаметра мембраны DM и уменьшения диаметра жесткого центра 6ц.

В реальных конструкциях механотронов уменьшение толщины мембраны ограничено значениями 50-60 мкм, так как

5

0 5

, 0

5

0 5 0

5

0 5

дальнейшее уменьшение толщины h может привести к диффузии воздуха из атмосферы через мембрану внутрь вакуумированного баллона, то есть к его разгерметизации и выходу из строя механотрона. Увеличение n и Ом ограничено габаритными размерами механотронов. Уменьшение 6ц, которое в известных конструкциях механотронов равно диаметру управляющего стержня 6ц (6ц dc), ограничено значениями 1-1,2 мм. Дальнейшее уменьшение 6ц dc в этих конструкциях связано с недопустимым уменьшением жесткости управляющего стержня механотрона.

В связи с вышеизложенным во всех известных конструкциях механотронов значение сгр не удается получить более 100 мкм/сН, что в конечном итоге ограничивает возможности повышения чувствительности механотрона по току (или по напряжению) к силам и не позволяет применять его для измерения сверхмалых усилий (например, порядка ).

Другим недостатком механотрона-про- тотипа при измерении им сверхмалых усилий является низкая стабильность выходного сигнала, что обусловлено неконтролируемыми изменениями механических .напряжений в месте соединейия мембраны с фланцем от воздействия внешних факторов (колебания атмосферного давления и температуры окружающей среды), которые приводят к изменению геометрии и короблению тонкой эластичной мембраны и, в конечном итоге, к нестабильности показаний механотроиа. Таким образом., этот недостаток также препятствует повышению выходной чувствительности механотрона к силам до уровня, необходимого для стабильного измерения сверхмалых усилий.

Целью изобретения является повышение чувствительности к силам механотрон- ного преобразователя.

Цель достигается за счет того, что меха- нотронный преобразователь, содержащий гибкое сочленение мембраны с управляющим стержнем, состоящим из внешнего и внутреннего отрезков, стеклянный баллон, жестко соединенный фланцем с мембраной, параллельно плоскости которой расположена струна, концы которой скреплены с фланцем механотрона, а середина - с внешним отрезком управляющего стержня, он снабжен упорным кольцом, концы внешнего и внутреннего отрезков управляющего стержня выполнены в форме усеченных конусов, меньшие основания которых жестко соединены с центром мембраны, внутренний контур которой поджат к упорному кольцу,

жестко соединенному с фланцем, при этом отношение диаметра отверстия упорного кольца к диаметру мембраны выбрано в пределах 0,7-0,8.

Повышение чувствительности к силам в 5 предлагаемой конструкции механотрона обеспечивается путем повышения чувствительности к силам его кинематической системы и повышения стабильности его выходного сигнала, что позволяет реализо- 10 вать достигнутую высокую чувствительность при измерении сверхмалых усилий. При этом повышение чувствительности к силам в предлагаемой конструкции механотрона по сравнению с прототипом 15 достигается за счет уменьшения диаметра жёсткого центра мембраны, который образован путем соединения меньших по диаметру оснований усеченных конусов, расположенных на концах соединяемых ча- 20 стей управляющего стержня. Диаметр жесткого центра в предлагаемом механотроне может быть сделан в несколько раз меньше диаметра стержня, причем удается сохранить механическую жесткость и прочность 25 последнего достаточно высокой.

Повышение стабильности показаний предлагаемого механотрона при измерении им сверхмалых усилий достигается за счет фиксирования контура мембраны в месте 30 соединения ее с фланцем благодаря применению упорного кольца, к которому мембра- на плотно прижимается атмосферным давлением. При этом удается снизить влияние флуктуации механических напряжений 35 в месте соединений мембраны с фланцем, являющихся следствием колебаний атмосферного давления, температуры окружающей среды и других внешних факторов, на геометрическое положение мембраны и из- 40 бежать ее коробления.

На фиг.1 схематически представлен предлагаемый механотрон (продольный разрез); на фиг.2 - вид на механотрон по стрелке А; на фиг.З - экспериментальные 45 зависимости чувствительности кинематической системы механотрона от отношения диаметра мембраны толщиной 50 мкм к диаметру жесткого центра; на фиг.4 -экспери- ментальныё зависимости указанной 50 чувствительности от отношения диаметра отверстия °в упорном кольце к диаметру мембраны для двух значений отношений диаметра мембраны к диаметру жесткого центра при толщине мембраны 50 мкм, 55

Механотрои (фиг.1) представляет собой сдвоенный диод с общим подогревным катодом 1 (подогреватель 2) и двумя анодами 3 и 4, расположенными по обе стороны катода. При этом катод с подогревателем и

анод 3 жестко соединены со стеклянным баллоном 5 и являются неподвижными электродами механотрона. Подвижный анод 4 соединен посредством держателя 6 с внутренним отрезком 7 управляющего стержня. Конец отрезка 7 выполнен в форме усеченного конуса, меньшее основание которого диаметром du соединено с мембраной 8. Тонкая эластичная мембрана 8 имеет чашеобразную форму; по сечению X-Х роликовой электросваркой она сварена с металлическим фланцем 9, который герметично припаян к стеклянному баллону 5. При этом мембрана является частью вакуу- мированной оболочки механотрона. К центру мембраны с внешней стороны прикреплен внешний отрезок 10 управляющего стержня (штырь механотрона). Конец этого отрезка, обращенный к мембране, так же как и конец внутреннего отрезка 7, выполнен в форме усеченного конуса, меньшее основание которого диаметром (1ц непосредственно связано с мембраной. Соединение отрезков 7 и 10 с мембраной 8 обычно производится методом стыковой электросварки. В месте сварки мембраны с отрезками 7 и 10 образуется жесткий центр диаметром , причем этот диаметр du меньше диаметра dc отрезков стержня. Контур мембраны в месте соединения ее с фланцем за счет действия внешнего (атмосферного) давления плотно прижат к упорному кольцу 11с отверстием диаметром DK.

В механотроне применена плоскопараллельная система электродов, максимальная чувствительность которой по току к перемещению подвижного анода обеспечивается при рабочем перемещении управляющего стержня в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов. При этом механотрон снабжен натянутой струной 12 (фиг.2), расположенной плоскости, параллельной плоскостям электродов, и соединенной с фланцем и штырём механотрона. Струна резко повышает жесткость кинематической системы механотрона при перемещении штыря в направлении, перпендикулярном рабочему перемещению последнего, и снижает чувствительность механотрона к паразитным механическим воздействиям на его штырь. Электроды механотрона соединены с выводами 13 его цоколя, причем вывод подвижного анода производится при помощи гибкой эластичной контактной пружинки 14,

При подаче измеряемого усилия F на штырь 10 механотрона конец штыря перемещается на величину о. (фиг.1). Одновременно за счет асимметричного изгиба мембраны 8 внутри баллона 5 происходит

перемещение подвижного анода 4. При этом ток анода 4 изменяется, а на выходе механотрона, включенного в мостовую измерительную схему, появляется напряжение разбаланса моста - выходной сигнал ивых, пропорциональный измеряемому усилию F и определяемый из соотношения (1):

qp ...

Usbix -

(2)

где ipi - чувствительность электродной системы по току к перемещению подвижного анода; OJF - чувствительность кинематической системы мембрана-стержень; Ra, Ri, Bn -. соответственно сопротивление анодных нагрузок механотрона, внутреннее сопротивление его диодов и внутреннее сопротивление измерительного прибора мостовой схемы,;...-

Выходная чувствительность по напряжению к усилию определяется как:

U

#и.ых --Л

вых

(3)

Из (2) и (3) следует, что при прочих равных условиях, чем больше Of , тем больше значение 1)Вых, а следовательно, и значение выходной чувствительности по напряжению к усилию механотрона. : .

Чувствительность ар можно повысить путем увеличения отношения диаметра мембраны к диаметру жесткого центра

(фИГ.З), :: ...- .У

В существующих конструкциях м еха- нотронов с мембраной минимальной толщины 50 мкм отношение Ом/йц составляет 5-6, a fff не превышает 100 мкм/сН. В этих механотронах дальнейшее увеличение отношения DM/ЙЦ с целью повышения стр ограничено габаритными и конструктивными соображениями.

В реальных образцах механотронов предлагаемой конструкции с идентичной мембраной за счет уменьшения диаметра жесткого центра удается повысить отношение до 12-20, а чувствительность ар - до 450 мкм/сН. При этом в 3-5 раз обеспечивается повышение выходной чувствительности по напряжению к усилию ме ханотроиа, что позволяет его использовать для йЗмеЬения сверхмалых усилий порядка .

Стабильность показаний механотрона при измерении столь малых усилий обеспечивается упорным кольцом 11, к которому плотно прижата своим контуром мембрана 8. Это прижатие создается за счет действия атмосферного давления на эластичную мембрану, которое продавливает ее внутрь вакуум и ров а иного баллона. Рабочий контур мембраны фиксируется по краю отверстия кольца 11. Оптимальное значение отношения диаметра DK отверстия кольца к диаметру Ьм мембраны установлено экспериментально и должно лежать в пределах OJ-0,8. При значениях DK/DM 0,8 поверхность контакта края мембраны с кольцом очень мала, что не может обеспе0 чить надежной фиксации положения мембраны при работе механотрона в условиях колебаний атмосферного давления и температуры окружающей среды. При значениях

DK/DM 0,7, как видно из фиг.4, наблюда5 ется существенное уменьшение чувствительности тр из-за уменьшения рабочей поверхности мембраны, ограниченной краем отверстия кольца.

Как показали проведенные испытания

0 экспериментальных образцов механотронов предложенной конструкции, содержащих мембрану диаметром 7,2 мм и толщиной 50 мкм, управляющий стержень диаметром- 1,1 мм и длиной штыря 30 мм,

5 при отношении DK/DM 0,8 и диаметре жесткого центра 0,35-0,6 мм обеспечивается высокая чувствительность ор порядка 300-450 мкм/сН при высокой стабильности выходного сигнала механотрона к воздейст0 вию факторов окружающей среды.

В серийных механотронах типа 6МХ1 Б, использующих идентичные мембраны со штырем dc - 1,1 мм, чувствительность ар составляет 50-70 мкм/сН при существен5 но более низкой стабильности.

Экспериментальные исследования показали, что чувствительность к изменению давления окружающей среды механотрона супорным кольцом составляет всего 10 8-5-10 8

0 сН/мм рт.ст., в то время как у механотрона 6МХ1Б (без упорного кольца) эта чувствительность в несколько раз выше и составляет (2-6)-10 7сН/мм рт.ст.

Таким образом, в механотронах предло5

женнои конструкции чувствительность увеличена в 3-5 раз по сравнению с серийными механотронами.......

;, Высокая чувствительность предложенного механотронного преобразователя уси0 лий может быть практически реализована при измерении сверхмалых усилий благодаря высокой стабильности его выходного сигнала.

Предлагаемый механотрон найдет ши5 рокое применение для измерения сверхмалых усилий в различных областях техники, в том числе для взвешивания миниатюрных тел и микрочастиц (например, для взвешивания зерен в процессе сепарации зерен

зерновых культур), для седиментационного анализа жидкостей, в микротвердомерах, при проведении тонких биологических экспериментов (например, при исследовании сократительной активности одиночных клеток миокарда живых организмов) и др. Формула изобретения Механотронный преобразователь, содержащий гибкое сочленение мембраны с управляющим стержнем, состоящим из внешнего и внутреннего отрезков, стеклянный баллон, жестко соединенный фланцем с мембраной, параллельно плоскости которой расположена втулка, концы которой

0

скреплены с фланцем механотрона, а середина - с внешним отрезком управляющего стержня, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен упорным кольцом, концы внешнего и внутреннего отрезков управляющего стержня выполнены в форме усеченных конусов, меньшие основания которых жестко соединены с центром мембраны, внутренний контур которой поджат к упорному кольцу, жестко соединенному с фланцем, при этом отношение цилиндра отверстия упорного кольца к диаметру мембраны выбрано в пределах 0,7-0,8.

Использование: измерение усилий и перемещений. Сущность изобретения: концы внешнего и внутреннего отрезков управляющего стержня выполнены в виде усеченных конусов, меньшие основания которых жестко соединены с центром мембраны, внутренний контур которой жёстко соединён с фланцем, Отношение диаметра отверстия упорного кольца к диаметру мембраны выбрано в пределах 0,7-0,8. 4 ил.

13 5 К 6 6 7 9

ri W X V™gS4 i

Вид А

Фив. 2

10

Фиг.1