Датчик сдвиговых напряжений

Изобретение относится к измерительным устройствам, в частности к конструкции тензометрических датчиков механических напряжений, и может быть использовано для измерения сдвиговой составляющей механического напряжения на границе двух сред. Устройство содержит заключенные в герметичную оболочку тензорезисторы и два плоскопараллельных силопередающих элемента, а также два упругих элемента, на противоположных поверхностях которых закреплены тензорезисторы. Между силопередающими элементами, симметрично с двух сторон относительно тензорезисторов, расположены два ряда тел качения. Упругие элементы выполнены в виде балочек, закрепленных одним концом на первом силопередающем элементе, а другим - на втором силопередающем элементе и расположены горизонтально в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения тел качения. Технический результат заключается в повышении точности и надежности измерений сдвигового напряжения, увеличении диапазона линейности метрологических характеристик, расширении температурного диапазона работы. 1 ил.

 

Изобретение относится к конструкциям тензометрических датчиков механических напряжений и может быть использовано для измерения сдвиговой составляющей механического напряжения на границе двух сред.

Из уровня техники известен датчик, измеряющий составляющую напряжения на границе раздела двух сред, направленную вдоль этой границы (Игнатьев Ю.А. и др. Тензометрические датчики для измерения напряжения па границе двух сред. Датчики систем измерения, контроля и управления. Межвузовский сборник научных трудов. Пенза, 1985 г., стр.31). Датчик представляет собой прямоугольное основание, в центре которого и перпендикулярно ему жестко крепится своей наименьшей стороной силопередающий элемент. На наибольшей поверхности силопередающего элемента наклеены два тензорезистора, которые являются активными плечами тензомоста. Датчик устанавливается основанием на границе раздела двух сред. Напряжения, возникающие на этой границе, воздействует на силопередающий элемент в перпендикулярном к его длине направлению.

Недостатком данной конструкции является то, что результирующая сила от измеряемого напряжения, вызывающая изгиб упругого элемента (и, следовательно, деформацию активных тензорезисторов), приложена к последнему на некотором удалении от границы раздела, что вносит существенную погрешность в измеряемое напряжение. Кроме того, силопередающий элемент внедряется в материал среды, что требует дополнительных мероприятий по защите тензорезисторов от воздействия компонентов материала.

Известен также датчик для измерения касательных напряжений (а.с. 1485046, БИ №21, 1989 г.), содержащий заключенные в герметичную оболочку два силопередающих элемента в виде плоскопараллельных пластин, между которыми расположены два ряда тел качения и тензорезисторы, прикрепленные к пластинам, при этом пластины силопередающих элементов и тела качения выполнены в виде постоянных магнитов, обращенных противоположными полосами друг к другу. К недостаткам вышеописанной конструкции датчика следует отнести сложность выполнения конструкции из постоянных магнитов и искажение характеристик датчика вследствие воздействия на него постоянного магнитного поля. Кроме того, использование подложки тензорезистора в качестве упругого элемента допускает использование датчика только при малых диапазонах действующих усилий и температуры эксплуатации.

В качестве прототипа взята конструкция датчика касательных напряжений (а.с. 1101696, Б.И. №25, 1984 г.), который представляет собой блок, содержащий два плоскопараллельных силопередающих элемента, заключенных в герметическую оболочку и разделенных двумя рядами тел качения. Между рядами тел качения расположены два тензорезистора, закрепленные одними концами в центре первого силопередающего элемента, а другими на противоположных концах второго силопередающего элемента.

В качестве недостатков представленного датчика следует отметить следующее: во-первых, датчик регистрирует сдвиговые напряжения только при наличии поджатия друг к другу силовоспринимающих элементов, когда же на датчик действуют силы, не совпадающие с осью расположения тензорезисторов, например, под углом к плоскости силовоспринимающего элемента, показания датчика не соответствуют измеряемым напряжениям. Во-вторых, использование в качестве упругого элемента подложки тензорезистора не совсем корректно из-за ее структуры, имеющей различный характер деформирования при растяжении и сжатии, что влияет на метрологические характеристики датчика и усложняет расшифровку результатов измерения. В-третьих, при эксплуатации датчика при температуре выше 70°С, наблюдается изменение во времени метрологических характеристик датчика из-за использования тензорезисторов в качестве силовых элементов. Кроме вышеперечисленного, к недостаткам следует отнести и то, что предельные значения деформации подложки допускает малые усилия. Это обстоятельство увеличивает сложность изготовления (возникает необходимость провести предварительное натяжение тензорезисторов) и эксплуатации датчика, так как он не защищен от усилий, возникающих при посторонней вибрации во время проведения измерений.

Задачей заявляемого изобретения является разработка датчика, обеспечивавшего высокоточное и надежное измерение сдвигового напряжения на границе двух сред, удобство изготовления, расширение температурного диапазона и увеличение диапазона линейности его метрологических характеристик.

Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией датчика, который содержит тензорезисторы и два плоскопараллельных силопередающих элемента, заключенных в герметичную оболочку с расположенными между ними двумя рядами тел качения симметрично с двух сторон относительно тензорезисторов, закрепленных одними концами в центре первого силопередающего элемента, а другими - на противоположных концах второго силопередающего элемента, снабженный двумя упругими элементами, на противоположных поверхностях которых жестко закреплены тензометрические преобразователи, при этом упругие элементы выполнены в виде балочек, закрепленных одним концом на первом силопередающем элементе, а другим - на втором силопередающем элементе и расположенных горизонтально в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения тел качения, а плоскости направляющих, в которых перемещаются тела качения, повернуты на 90 градусов.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается от последнего наличием двух упругих элементов, выполненных в виде балочек, что приводит к расширению температурного диапазона и увеличению линейного диапазона метрологических характеристик поворотом плоскости перемещения тел качения, что позволяет использовать датчики и при действии разрывных сил на границе двух сред, т.е. данное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Датчик сдвигового напряжения обеспечивает высокоточное и надежное измерение сдвиговой составляющей вектора напряжения за счет выбора конструкции и горизонтального расположения чувствительного элемента датчика, а также применение в датчике полного тензорезисторного моста для измерения сдвиговой компоненты напряжения. Кроме того, горизонтальное расположение упругих элементов, выполненных в виде балочек, уменьшает высоту датчика, что повышает достоверность измерения. Что касается повышения чувствительности датчика, то использование двух тензорезисторов позволяет скомпоновать из них измерительный тензомост только с двумя активными плечами, при условии, что подложка тензорезистора будет работать не только при растяжении, но и при сжатии, т.е. чувствительность датчика будет в два раза меньше, чем при формировании моста с четырьмя активными плечами - тензорезисторами. Применение же четырех тензорезисторов в конструкции, взятой за прототип, приведет к значительному (почти в 2 раза) увеличению площади силовопринимающих элементов, что усложнит технологию изготовления деталей и сборки датчика. Использование же полупроводниковых преобразователей вместо тензорезисторных, хотя и приводит к незначительному уменьшению габаритов самого датчика, но при этом возникает ряд вопросов: это - защита преобразователей от влияния температуры (компенсация температурной погрешности датчика), применение драгметаллов для вывода сигнала от преобразователя, решение которых не только сводит на нет высокую чувствительность и малые размеры полупроводниковых преобразователей, но и дает преимущества экономического и технологического порядка тензометрическим преобразователям.

Такое выполнение конструкции из уровня техники явным образом не вытекает и не было очевидным для специалистов, а имеющиеся отличия непосредственно влияют на решение поставленной задачи. Это дает основание считать данное техническое решение обладающим изобретательским уровнем.

Предварительные испытания опытных образцов датчика сдвиговых напряжений показали, что применение предложенной конструкции датчика позволяют уменьшить погрешность результатов измерения. Это подтверждает правильность используемых в заявке технических решений.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором приняты следующие обозначения:

1a - первый силопередающий элемент,

1б - второй сило передающий элемент,

2 - герметичная оболочка датчика,

3 - тела качения,

4 - упругие элементы, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению движения тел качения,

5 - тензорезисторные преобразователи.

Предложенная конструкция датчика сдвиговых напряжений работает следующим образом.

Датчик крепится на границе двух сред, каждым силопередающим элементом в своей среде, при воздействии на первый силопередающий элемент 1а растягивающей или сжимающей нормальной составлявшей тензора напряжений, последняя через тела качения 3 передается на второй силовоспринимающий элемент 16, разгружая упругие элементы 4 с наклеенными на них преобразователями 5 от неинформативных изгибающих деформаций. При наличии сдвиговой компоненты, действующей в направлении движения тел качения 3, первый силопередающий 1а элемент передает усилие на упругие элементы 4, которые под действием нагрузки изгибаются, что вызывает изменения сигнала датчика. Имея градуировочную характеристику датчика, по величине сигнала можно определить значение действующих сдвиговых напряжений.

Изготовление датчика реализуемо практически, так как его составные элементы не являются дефицитными, а в качестве тел качения используют шарики, применяемые в пишущих узлах авторучек. Необходимость же в использовании датчика, обеспечивающего достоверное и надежное измерение сдвиговых напряжений для испытательной техники, не вызывает сомнений, а значит предложение обладает промышленной применимостью.

Датчик сдвиговых напряжений, содержащий тензорезисторы и два плоскопараллельных силопередающих элемента, заключенных в герметичную оболочку, с расположенными между ними двумя рядами тел качения симметрично с двух сторон относительно тензорезисторов, закрепленных одними концами в центре первого силопередающего элемента, а другими - на противоположных концах второго силопередающего элемента, отличающийся тем, что он снабжен двумя упругими элементами, на противоположных поверхностях которых жестко закреплены тензорезисторные преобразователи, при этом упругие элементы выполнены в виде балочек, закрепленных одним концом на первом силопередающем элементе, а другим - на втором силопередающем элементе и расположенных горизонтально в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения тел качения, а плоскости направляющих, в которых перемещаются тела качения, повернуты на 90 градусов.