Динамометр

 

ДИНАМОМЕТР, содержащий упругий элемент с вибропреобразователем , отличающийся тем, что, с цепью повышения точности измерения, уменьшения температурной погрешности и упрощения устройства, вибропреофаэователь выполнен в виде нитевидного монокристалла с двумя токоБыводами закрепленного на внутренних полках П-образнызс скоб, расположенньк параллельно друг другу, при этом наружшйе полки бкоб закреплены на поверхности упругого элемента , а одна из скоб сйабжена токовыводом . (Л с ф1/г.1

3 ФС - .0,1 (i " я г а, а i,,"

Л 3 3И, 6 им

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Зсю GO1 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABT0PCHO5AV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 33 54365/18-10 (22) . 15.09.81 (46) 07.05.83. Бюл. % 17 (72) Г. С. Писаренко, С. Г. Калинин, Р. И. Байцар, Ю. В. Дмитрук, Е. П. Красноженов, В. П. Морозов, Г. М. Охрименко и Ю. М. Родичев, (71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола и Институт проблем прочности

АН .Украинской ССР (53) 531.781 (088.8) (56) 1. Феликсон Е. И. Упругие элементы илоизмерительных приборов. М., "Машиностроение", 1977, с. 29.

2. Авторское свидетельство СССР

% 189185, кл. G014 1/10, 24.04.65 (прототип).

„„SU„„1016701 A (54) (57) QHHANOMETP, содержаший упругий элемент с вибропреобразовате лем,отличавшийся тем,что, с пелью r îsûøåíèÿ точности измерения, уменьшения температурной погрешности и упрощения устройства, вибропреобразователь выполнен в виде нитевидного монокристалла с двумя токовыводами закреп- . ленного на внутренних полках П-образных скоб, расположенных параллельно друг другу, при этэм наружное полки скоб закреплены на поверхности упругого элемента, а одна из скоб снабжена токовыводом.

1016701

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при созцании динамометров для измерения усилия сжатия.

Известны виброчастотные динамометры, содержащие упругий элемент и вибропреобразователь, выполненный в форме струны или стержня, в которых воз.буждают поперечные механические колебания

10 на собственной частоте.„ При приложении нагрузки к упругому элементу натяжение вибропреобразователя изменяется.

В соответствии с изменением натяжения

" изменяется частота собственных колебаний вибронреобразоввтеля, которая спу15 жит для измерения величины действующей силы. Основная погрешность таких датчиков не более 0,5 Щ.

Недостатками данных виброчастотных динамометров являются сложность кон20 струкции, большие габариты и масса, неустойчивость работы при действии внеш+ них магнитных полей.

Наиболее близким к предлагаемому является вибрационно-частотный динамо метр для измерения усилия сжатия, содержащий упругий элемент с вибропреобразователем 1 21 .

Недостатками известного динамометра являются невысокая точность измерения, температурная погрешность и сложность устройства.

Цель изобретения — повышение точности измерения уменьшение температурной погрешности и упрощение устройства. 35

Поставленная цель достигается тем, что в динамометре содержащем упругий элемент с вибропреобразоввтепем, последний выполнен в виде нитевидного мо нокристалла с двумя токовыводами, зак- 40 репленными нв внутренних полках двух

П-образных скоб, расположенных параллельно друг другу, при этом наружные полки скоб, закреплены нв поверхности упругого элемента, а одна из скоб снаб- 45 жена токовыводом.

На фиг. 1 показан виброчастотный тензопреобрвзователь; фиг. 2 - предлагаемый динамометр, продольный разрез. 50

Виброчастотный тензопреобразователь выполнен в виде пластины с фигурным вырезом, на которой в точках 1 и 2 закреплен концами нитевидный тензочувсгвитепьный монокристалл, 3 (например, кремний р-типа проводймости) с токовыводвми 4 и 5. В пластине в точке 6 создают электрический контакт. Пластину крепят на поверхности упругого weIt мента 7 в точках 8 и 9 разрезают на участке, показанном на фигуре пунктиром. Сформированные таким способом скобы 10 и 11 обеспечивают механическую связь нитевидного монокристалла с упругим элементом и преобразуют деформацию сжатия упругого элемента на базе между точками 8 и 9 в деформа-. цию растяжения нитевидного монокриста-пв нв базе между точками 1 и 2.

Динамометр состоит иэ упрут ого элемента 7 со сплошным или кольцевым поперечным сечением, на котором укреплены скоби 1 0 и 1 1 с нитевидным тензочувствительным монокристалаом 3, обра . эуюшие вибропреобраэователь. Торцы стержня включены или впаяны в углубления металлических обойм 12 и 13, которые соединены со сферическими опорами

14 и 15 и служат для обеспечения оптимальных условий нагружения, способствующих повышению прочности стержня на сжатие. Усилие сжатия F. передается на упругий элемент 7 с помощью металлических сферических подпятников 16 и 17.

Металлические обоймы 12 и 13 по скользящей посадке третьего класса точности перемешаются в направляющем корпусе 18, который занимает вертикальное положение с помощью упругой прокладки

19.

Перемещение порпятников 16 и 17 в осевом направлении ограничено шпильками

20. В нерабочем состоянии перемещение деталей 16 и 17,обозначенное на фиг. 2 через д, составляет 1-2 мм.

Смотровые окна в корпусе 18 закрыты щитками 21, предохраняющими скобы

10 и 11 с монокристаллом 3 от механических повреждений. На этих щитках крепят электрический разъем 22, к которому припаиваются токовыводы к кристаллу и скобе для возбуждения колебаний и съема сигнала.

Контакт упругого элемента 7 с обоймами 12 и 13 исключает с помощью клеевой прослойки 23, Для транспортировки динамометра вручную или с помощью грузоподъемных средств служат рукоятки 24..

Упругий элемент изготавливают иэ . монокристаллического кремния, сапфира, кварцевого стекла, ситалла и других хрупких материалов с соответствующими упругими и прочностными характеристиками.

Глубина вклеивания каждого торца упругого элемента 7 составляет половину диаметра элемента. Направляющий корпус

3 103.67

18 предназначен -для восприятия системой изгибающего момента в тех случаях,когда при измерениях .сжимающих усилий имеет место внецентренное нагружение упругого элемента. S

Влияние на общую методическую г6грешность измерения могут оказать а.уличные значения коэффициентов температурного расширения- упругого элемента 7, скоб 10 и-11, а также монокрнсталла

3 (фиг. 1). Компенсацию температурной

Ъ-. погрешности, обусловленной разнородностью материалов, производят путем соответствующего выбора длины скоб в зависимости от значений коэффициентов от значений температурного расширения материалов упомянутых выше элементов конструкции динамометра.

Пусть в общем случае упругий эле. мент 7, скобы 10 и 11 и нитевидный монокристалл 3 выполнен из материалов с различными коэффициентами термического расширения Of<, с(, g> соответ ственно, Обозначим расстояние между точками крепления скоб к упругому элементу 8 и 9 через -, через fz — (Czar< <+

И )обозначим сумму дпин скоб 10 и 11, которые на фиг. i,ñîoòâåòcrâåííî равны расстояниям между точками 2 и 9 и точками 1 и 8. Длину нитевидного монокрис-36 талла, равную расстоянию между точками 1 и 2, обзначим через 3 .

При изменении температуры на Д"длина нитевидного монокристалла изменится на величину (=g eTf>

Для измерения больших усилий сжатия одним динамометром на пределы 250, 500, 100 тс упругий элемент может . быть изготовлен иэ кварца, оптического стекла, ситалла. У динамометров, предназначенных для измерения усилий сжатия, меньше 100 тс, упругий элемент целесо-i образно изготавливать из монокристаллического кремнии.

Динамометр работает следующим образом.

Между одним из контактов к кристаллу

4 и 5 и контактом 6 подается переменное напряжение на частоте собственных механических колебаний нитевидного монокристалла. Электростатическое взаимодействие между кристаллом 3 г скобой

10 вызывает поперечные колебания монокристалла, частота которых будет зависеть or его деформашщ, обусловленной

1 деформацией упругого элемента, а следовательно, величины . действующей на

1:датчик сипы.

При поперечных механических колебаниях тензочувствительного нитевидного

MoHDKpHcTBJUI9 его электрическое сопротивление изменяется с удвоенной частотой по отношению к частоте механических колебаний, поскольку за период ме-1, ханнческих колебаний кристалл дважды изменяет свою длину or некоторой минимальной, соответствующей среднему положению кристалла, до некоторой максимальной соответствуошей наибольшему его отклонению or среднего положения. Вследствие изменения электрического-сопротивления монокристалла при подаче на контакты 4 и 5 постоянного электрического напряжения через него протекает пульси . руюший ток. Выделенная переменная составляюшая этого тока (Или напряжения) имеет удвоенную частоту по отношению к частоте механических колебаний и служит информативным нараметром о частоте колебаний кристалла, т.е. о величине дейст вуюшей силы. Работу такого вибропреобразоввтеля ос чпествляют либо в режиме вынужденных колебаний, либо в режиМе автоколе бани й.

У, ., ... t, е. е. CBBSBHhI „ соотношением Р„= Pq- 0y, *и исключив иэ предыдущего выражения „, получим после риравнивания величины 53 условие для температурной компенсации в

e,Ы;,)=е,(,- ) Чтобы в монокристалле не воэник— ли напряжения, необходимо, чтобы расстояние между точками его крепления на скобах изменилось вследствие термического расширения скоб и упругого элемента на такую же величину аВ—

Р о()(° рте, — а„ те.

Таким образом, условием компенса ции температурной погрвшности предлагаемого динамометра является равенство произведения длйны нитевидного монокристал-$S ла на разность коэффициентов теплового расширения материалов упругого элемента и монокристапла произведению суммар01 4 иои длины Скоб яа разность коэффициен» тов теплового расширения материалов упругого элемента и скоб.

Если упругий элемент, скобы и нитевидный монокристалл выполнен из одного материала, например, кремния, ro условие температурной компенсации выполняется при любых соотношениях их длин.

5 1 0167

Особенностью вибропреобразователя на основе нитевидного тензочувствительного монокриствлла является большой диапазон изменения частоты собственных колебаний при его деформации. Этот диа- 5 пазон удваивается при регистрации электрических колебаний эа счет тензоэффекта. Так, нвпример, нитевидный монокристалл кремния длиной 10 мм и диаметром

10 мкм при деформации в пределах

0-10 относительных единиц изменяет частоту собственных колебаний от

1,5 кГц, до 45 кГц. Соответственно диапазон частот изменения его электросопротивления вследствие тензоэффекта состав15 ляет 3-90 кГц. Чувствительность к деформации виброчастотного преобразователя

-8 с таким монокристаллом равна 2 10 относительных единиц на герц, Диапазон частот еще более расширяется, а чувствительность к деформации повьпнается при выборе более тонких и коротких кристаллов к деформациям (механическим напряжениям) для вибропреобразователей силоизмерительных при боров, выпускаемых

01 6 прммьпиленностью, недостижимы: Для сравнения укажем, что девиация частоты при номинальных нагруэивх вибрвционном: частотного динамометра, выбранного в качестве прототипа, составляет всего

25-30% по сравнению с почти 30-кратным изменением частоты у предлагаемого вибропреобраэователя.

Использование для упругих элементов динамометров материвлов с высокой прочностью на сжатие (кварцевое стекло, ситалл) позволяет создать измерительные устройства на такие высокие пределы измерений, которые в настояшее время сушествуюшими средствами не обеспечиваются (500 тс, 1000 тс и выше), При этом предлагаемые динамометры характеризуются небольшими габаритами и массой. Например, динамометр на

1000 тс будет иметь диаметр упругого элемента из кварца всего 12 см и массу в несколько десятков яФограммов.

Виброчастотный датчик силы íà 100 тс имеет массу в несколько сот килограммов.

fl

Фиг, 2

ВНИИПИ Заказ 3378/44

Тираж 873 Подписное

Фили an ПП П " Патент", г Уягород vn Проектная 4