Тензорезисторный датчик силы

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ .РЕСПУБЛИК (19) (I I) 4(51) G 01 L 1 22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ CGA

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И 0THPbfTHA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3598815/24-10 (22) 25.05.83 (46) 15.02.85. Бюл. ¹ 6 (72) Л.М. Вулихман, А.Ф. Дащенко, А.И. Кравченко, М. Г. Профирян и В.Ф. Семенюк (71) Одесский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт (53) 531.78 1(088.8) . (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 208997, кл. G 01 Ь 1/04, 1966.

2. Авторское свидетельство СССР № 455253, кл. G 01 Ь t/22, 1973.

3. Авторское свидетельство СССР

¹ 412500, кл. С 01 L 1/22, 1971 (прототип) . (54) (57) ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК

СИЛЫ, содержащий осесимметричный упругий элемент в виде тела вращения с силопреобраэующим 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 повышения чувствительности и точности датчика силы, средний диаметр подреэисторных колец равен

0,3-1,0 наружного диаметра силопреобразующего звена, а толщина осевого сечения подрезисторнык колец h (Z) на произвольной высоте от вершины кольца определяется соотношением

«R (.).,а" где 0 — толщина осевого сечения подрезисторного кольца в вершине, мм, — толщина осевого сечения подрезисторного кольца,в основании, мм; — высота падреэисторного кольца, мм;

2 — высота сечения, перпендикулярного оси от вершины кольца, мм, при этом отношение толщины осевого сечения подрезисторнык колец в основании к толщнне того же сечения в вершине не менее двух.

b Z/"

h(z) = а(— ) а где а — толщина осевого сечения подрезисторного кольца в вершине, мм;

Ь вЂ” толщина осевого сечения

55 подрезисторного кольца в основании, мм;

Н вЂ” высота подрезисторного кольца, мм;

1 11399

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

Известны тензорезисторные датчики силй, содержащие осесимметричный упругий элемент в виде тела вращения с смлопреобразующим звеном в форме пластины, кольца или оболочки и выполненные эа одно целое или жест- 10 ко соединенные с ним концентрические подрезисторные,кольца с расположенными йа них тензорезисторами.При этом толщина осевого сечения колец постоянна вдаль осн (1) н (2) .

Принцип работы таких датчиков силы основан на том, что при приложении. осевой нагрузки их деформация преобразуется в деформацию подрезисторных колец и расположенных на них тензорезисторов. При этом точность измерения усилия тем выше, чем больше чувствительность упругого элемента при прочих равных условиях, т.е. чем больше деформация тензорезисто- д5 ров при одном и том же напряженнодеформированном состоянии упругого .

1 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

35 упругого элемента.

Однако такое увеличение возможно лишь в определенных, довольно небольших пределах в связи с тем, что при дальнейшем увеличении высоты кольца 4О из-за прогиба его консольного участка приращение радиальной деформации уменьшается, а увеличение высоты коньца значительно повышает жесткость упругого элемента, что ведет к снижению его чувствительности, В обоих случаях для достижения адекватной величины рабочего коэффициента передачи необходимо увеличить деформацию упругого элемента, что влечет

sa собой повышение уровня напряжений в нем и ухудшение метрологических характеристик.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство, в котором подрезисторные кольца упругого элемента имеют осевое сече80 2 ние,уменьшающееся к периферийному торцу (3) .

На фиг. 1 представлена деформация подрезисторных колец растяжения АС и сжатия АВ при различном исполнении осевого сечения 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 консольно1 го участка кольца (фиг. 1) его радиальная деформация 4 R, значительно меньше радиального перемещения 4R нормалей АВ, и АСЭ, а относительно прямолинейный участок кольца ограничен небольшой высотой 4 Н<.

В упругом элементе, подрезисторные кольца которого имеют осевое сечение, уменьшающееся к периферийному торцу, упругие линии осевого сечения АВ, и АС, обеспечивают большую радиальную деформацию p R u имеют больший относительно прямолинейный участок 4Н,, одцако сохраняют присущие кольцам пос оянного сечения недостатки, обусловленные прогибом их сечения.

Цель изобретения — повышение чувствитЕльности и точности тензорезисторных датчиков силы.

Укаэанная 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 концентричес— кие подреэисторные кольца с расположенными на них тензорезисторами, средний диаметр подрезисторных ко— лец равен 0,3-1,0 наружного диаметра сил опреобразующего звена, а толщина осевого сечения подрезисторнык колец h(z) на произвольной высоте z от вершины кольца определяется соотношением

9980 4 сечения h(z) при изгибе, а угол его поворота будет равен

3 113

z — высота сечения, перпендикулярного оси от вершины кольца, мм, при этом отношение толщины осевого сечения подрезисторных колец в основании к толщине того же сечения в вершине не менее двух.

Оптимальной является форма упругой линии сечения колец, совпадающая с линиями АВ, и АС вЂ” норма лями к нейтральной плоскости изогнутой пластины. Все это можно отнести 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 силовых факторов, заменяющих остальную часть упругого где ٠— угол поворота сечения;

 — ширина сечения.

Для оболочки равных углов поворота должно соблюдаться условие

10 (3) (сопзй

F (z) (4) не должна обращаться в. нуль.

Таким условиям удовлетворяет функция E

2 Н сЬ А (" 4 " o j

F(z) = — — — агсС е (5)

3 аз 1п при 5 <Асса; — 2 . Ь.

Продифференцировав (5) и подставив его в (4), после соответствующих

З0 преобразований получаем

Ь(ж3 cr Ы (6) Д2 )gh> (z) агу ЕЬ(й), (1) . д и я1 q ) д з ) + Rø Ы =Чр . 40 коэффициент Пуансона материала подрезисторного кольца; модуль упругости 1 рода материала подрезисторного коль- ца; средний радиус; толщина на произвольной высоте кольца; интенсивность эквивалентной нагрузки. где

h(z) Так как в реальных конструкциях подрезисторных колец-. «1, то

h(2) рг вторым членом в (1) можно пренебречь,55 и уравнение будет эквивалентно основному дифференциальному уравнению упругой линии стержня переменного элемента.

Требованию совпадения упругой линии с нормалями АВ, и АС> отвечают кольца равных углов йоворота поперечных сечений, т.е. такие кольца, у которых в деформированном состоянии все поперечные сечения на любой высоте кольца имеют практически одинаковые углы поворота.

Определение конструктивных параметров таких колец осуществляется на основании известных зависимостей.

Пример. Так как рассматриваемые подрезисторные кольца представляют собой цилиндрическую оболочку с осевым сечением переменной толщины, то дифференциальное уравнение изгиба такой оболочки имеет вид

Так как в выражении (2) от к зависит только подинтегральная функция, то для соблюдения условий (3) эта функция F(z) на всем протяжении и должна быть практически постоянной, а ее производная

Таким образ ом, параметры подреэисторного кольца в виде оболочки равных углов поворота определяются зависимостью (6). Такие кольца обеспечивают оптимальную реализацию напряженно-деформированного состояния упругого элемента.в деформацию тензореэисторов.

Смысловое значение параметров а, Ь 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 силопреобразующего звена (фиг. Эа) или на его наружном диаметре (фиг. Эб ° поз. 1 и 2). Возможйо также и комбинированное сочетание - на торце и наружном диаметре (фиг ° Эб, поз.1и 2 ).

На фиг. 3 сипопреобразукицее звено

3 выполнено в виде пластины, однако

3 1139980 б

Э все изложенное относится и к другой резисторных колец равных углов поосесимметричной форме силопреобразую" ворота. щего звена в виде тела вращения, Кроме того, параметры подреэиснапример кольца, оболочки цилиндри- торных колец, определенные по завической, конической и т.д., Во всех 5 симости (6), достаточно точно подэтих случаях независимо от формы даются аппроксимации дугами окружсилопреобразующего звена в виде ностей (фиг. 2б) соответствующего тела вращения в датчике реализуют- радиуса, что упрощает технологию ся все изложенные достоинства под= их изготовления. !

1139980

Ю

Фиг.З

Составитель В. Курбатова

Техред А.Бабинец Корректор M- Леонткас

Редактор Н. Горват

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 253/31 . Тирам 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий.

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5