Силоизмерительное устройство

Изобретение относится к средствам измерений и контроля силовых воздействий. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. Силоизмерительное устройство содержит упругий элемент (массивный цилиндрический стержень) с глухим отверстием, на конце которого выполнена резьба. В нем соосно расположен одним концом жестко закрепленный второй металлический стержень меньшего диаметра. На торце стержней расположены миниатюрная магнитная система с постоянным градиентом индукции магнитного поля и магниточувствительный элемент Холла, которые и образуют датчик микроперемещений. Постоянные магниты изготовлены из закритических материалов. Пространство между стержнями залито демпфирующим колебания материалом, например силиконом. Под кожухом находится усилитель, выполненный на основе ОУ. Устройство может измерять силу, действующую либо вдоль продольной оси стержня, либо ей перпендикулярно (фиксируются микроперемещения при изгибе) в зависимости от варианта исполнения. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к средствам измерений и контроля силовых воздействий и предназначено для измерения нагрузок, действующих на элементы машин подвижного транспорта, например на тяги навесного оборудования тракторов, или усилия, развиваемого гидроцилиндрами системы навесного оборудования и рулевого управления, а также усилий, воздействующих на подвеску большегрузных самосвалов, вызванных загрузкой кузова машины. В предпочтительном исполнении воспринимающий силу упругий элемент является также конструктивным элементом диагностируемой машины.

Известен комплект преобразователей измерительных сил (Колчин А.В. Датчики средств диагностирования машин, М., Машиностроение, 1984, с.69-71), каждый измерительный преобразователь в котором содержит тензорезисторы, соединенные в мостовую схему и наклеенные на упругий элемент, выполненный в виде полого разрезного цилиндра. Такой комплект измерительных преобразователей предназначен для измерения усилия, развиваемого гидроцилиндрами системы навесного оборудования и рулевого управления тракторов. Эти преобразователи применяют совместно с электронными устройствами, имеющими согласованный вход для работы с тензорезистивными мостовыми измерительными датчиками. Измерительные датчики позволяют производить измерение давления в нагнетательной магистрали без демонтажа конструктивных элементов гидросистемы трактора.

При установке на гидроцилиндре известный измерительный преобразователь охватывает шток, ограничивая его рабочий ход при втягивании.

Использование наклеенных тензорезисторов и разбаланс мостовой схемы после кратковременных перегрузок, часто имеющих место при эксплуатации машин, приводят к временной нестабильности выходного сигнала известного измерительного преобразователя. Кроме того, диапазон измеряемых сил на два порядка меньше, чем необходимо для современных машин типа большегрузных карьерных самосвалов, а потому известные преобразователи не находят широкого применения для измерения нагрузок, действующих на элементы машин подвижного транспорта.

Наиболее близким к описываемому изобретению является силоизмерительное устройство (Патент США № 3995696, МПК А 01 В 61/04, оп. 1976 г.), содержащее массивный упругий цилиндрический стержень, в примере предпочтительного исполнения представляющий собой конструктивный элемент звена машины, в котором выполнено небольшого диаметра отверстие вдоль радиуса под винт или болт и длинное глухое отверстие вдоль продольной оси, в котором соосно расположен одним концом жестко закрепленный второй металлический стержень меньшего диаметра, а также преобразователь микроперемещений, конструктивные элементы которого закреплены на торце каждого из стержней и выполнены с возможностью микроперемещений вдоль направления действия измеряемой силы, при этом под кожухом размещен усилитель, выполненный на основе операционного (ОУ) инвертирующего типа с резистором обратной связи и электронная схема дальнейшей обработки сигнала, которая формирует окончательный выходной сигнал пропорционально нагрузке на стержне, соответствующей измеряемой силе, причем указанный массивный упругий цилиндрический стержень конструктивно связан с другим звеном механизма машины при помощи винта или болта.

Известное устройство основано на измерении деформации упругого стержня, который в примере предпочтительного использования является также конструктивным элементом испытываемой машины.

Однако использование емкостного преобразователя с подвижными пластинами не позволяет обеспечить достаточно высокую точность измерений, поскольку величина электрической емкости образованных пластинами конденсаторов зависит от климатических условий эксплуатации: температуры и влажности, и может привести в условиях реальной эксплуатации устройства к недостоверным результатам. При этом резонансные колебания тяги в плоскости, перпендикулярной к измеряемой силе в условиях вибрации частей конструкции машины, приводят к большим погрешностям измерений.

Кроме того, известное устройство не позволяет измерять силовые воздействия, перпендикулярные продольной оси стержней.

Таким образом, технический результат от использования описываемого изобретения состоит в повышении достоверности и точности измерения силовых воздействий на действующие упругие элементы машин, например на подвеску большегрузных самосвалов.

Указанный технический результат достигается тем, что в силоизмерительном устройстве, содержащем массивный упругий цилиндрический стержень, в примере предпочтительного исполнения представляющем собой конструктивный элемент звена машины, в котором выполнено небольшого диаметра отверстие вдоль радиуса под винт или болт и длинное глухое отверстие вдоль продольной оси, в котором соосно расположен одним концом жестко закрепленный второй металлический стержень меньшего диаметра, а также преобразователь микроперемещений, конструктивные элементы которого закреплены на торце каждого из стержней и выполнены с возможностью микроперемещений вдоль направления действия измеряемой силы, при этом под кожухом размещен усилитель, выполненный на основе операционного (ОУ) инвертирующего типа с резистором обратной связи и электронная схема дальнейшей обработки сигнала, которая формирует окончательный выходной сигнал пропорционально нагрузке на стержне, соответствующей измеряемой силе, причем указанный массивный упругий цилиндрический стержень конструктивно связан с другим звеном механизма машины при помощи винта или болта, в качестве преобразователя микроперемещений использован магниточувствительный миниатюрный элемент Холла, укрепленный на втором металлическом стержне и размещенный в зазоре миниатюрной магнитной системы, установленной на первом массивном упругом стержне и состоящей из одной или двух пар противоположно намагниченных магнитов, выполненных из закритического материала с магнитной твердостью θ>0,8, причем толщина элемента Холла с корпусом вдоль направления перемещения не превышает 250 мкм, а расстояние d между ближайшими магнитами выбирают в случае одной пары магнитов - d≈0,75L·θ, а в случае двух пар магнитов (квадрупольная магнитная линза) - 0,2L·θ<d<0,5L·θ, где L - длина магнита, при этом пространство между стержнями заполнено силиконом.

Целесообразно, чтобы длина глухого отверстия составляла половину длины первого массивного упругого стержня, который может быть установлен в отверстиях П-образной проушины звена машины, охватывающих его по концам, а его среднюю часть по кольцу охватывала деталь другого звена машины (другая проушина), таким образом, что указанный массивный стержень может упруго изгибаться под действием распределенной силы, действующей в плоскости, перпендикулярно продольной оси стержня, либо микроперемещаться вдоль продольной оси стержня.

Предпочтительно, чтобы элементы преобразователя микроперемещений на эффекте Холла соответствующим образом были сориентированы и находились в связи с направлением их микроперемещений вдоль продольной оси стержня или изгиба.

Установлено, что за счет выбора конфигурации миниатюрной магнитной системы и материала магнитов, а именно: использованием магнитов из закритических материалов с магнитной твердостью θ>0,8 и одной из двух конфигураций, в одной из которых два магнита каждый длиной L намагничены противоположно и раздвинуты на расстояние d≈0,75L·θ, либо две пары магнитов (квадрупольная магнитная линза), намагниченных попарно противоположно с сохранением расстояния d между ближайшими магнитами, которое выбирают из диапазона 0,2L·θ<d<0,5L·θ, осуществляется возможность получения постоянного и максимального градиента индукции магнитного поля в области микроперемещений элемента Холла относительно магнитной системы, что обеспечивает линейность выходного сигнала пропорционально нагрузке, а следовательно, наибольшую достоверность и точность измерений больших силовых воздействий на звенья машины в условиях реальной ее эксплуатации при наличии многих мешающих факторов: вибрации, больших перегрузок, климатических изменений (температура, давление, влажность) и т.д.

Изобретение поясняется чертежом, где представлено:

на фиг.1 - конструкция силоизмерительного устройства (разрез вдоль продольной оси стержня) по первому варианту, когда измеряемая сила приложена вдоль оси стержня;

на фиг.2 - конструкция силоизмерительного устройства (разрез вдоль продольной оси стержня) по второму варианту, когда измеряемая сила является распределенной и действует в плоскости, перпендикулярно продольной оси стержня, вызывая его изгиб относительно внутреннего стержня;

на фиг.3 - расположение миниатюрной магнитной системы, состоящей из двух противоположно намагниченных магнитов и магниточувствительного элемента Холла;

на фиг.4 - расположение миниатюрной магнитной системы, состоящей из четырех магнитов, намагниченных попарно противоположно (квадрупольная магнитная линза) и магниточувствительного элемента Холла в их зазоре;

на фиг.5 - электрическая схема силоизмерительного устройства;

на фиг.6 - зависимость индукции магнитного поля (ее нормальной составляющей Bn к пластине Холла) от перемещения элемента Холла в зазоре: расчет для магнитов, изготовленных из закритических материалов SmCo20MGOe в форме таблеток с радиусом R=2,5 мм, длиной L=3,0 мм и намагниченных соосно противоположно при различных значениях выбора зазора между ними I-А=1,0 мм, Б-d=2,25 мм, В-d=3,0 мм, Г-d=3,75 мм, Д-d=6,0 мм соответственно;

на фиг.7 - зависимость индукции магнитного поля (ее нормальной составляющей Bn к пластине Холла) от перемещения элемента Холла в зазоре: расчет для магнитов, изготовленных из закритических материалов SmCo20MGOe в форме прямоугольных параллепипедов с размерами 5×5 мм и длиной L=3,0 мм, которые намагничены попарно противоположно (квадрупольная магнитная линза) при различных значениях выбора зазора между ними А'-d=0,5 мм, Б'-d=1,0 мм, В'-d=1,5 мм, Г'-d=2,0 мм, Д'-d=3,0 мм, Е'-d=5,0 мм соответственно;

на фиг.8 - экспериментальная зависимость выходного сигнала (тока) с силоизмерительного устройства от величины приложенной статической силы F (зачерненные маркеры соответствуют нагружению машины, без зачернения - разгрузке).

Силоизмерительное устройство содержит массивный упругий цилиндрический стержень 1, который в примере предпочтительного исполнения является конструктивным элементом звена машины, в котором выполнено небольшого диаметра отверстие 2 вдоль радиуса под винт (или болт) 3 и длинное глухое отверстие 4 вдоль продольной оси, в котором соосно располагается одним концом жестко закрепленный второй металлический стержень 5 меньшего диаметра. Стержень 5 закреплен в отверстии 4 с помощью резьбы 6. Части конструктивных элементов преобразователя микроперемещений: миниатюрная магнитная система 7 и магниточувствительный миниатюрный элемент Холла 8 закреплены (не все элементы крепления показаны и обозначены цифрами) на торце стержней 1 и 5 соответственно, и выполнены с возможностью микроперемещений вдоль направления действия измеряемой силы F, причем 8 находится в зазоре 7 величиной d. Под защитным кожухом 9 размещена плата усилителя 10 с электронными компонентами. Усилитель выполнен на основе операционного (ОУ) инвертирующего типа 11 с резистором обратной связи 12. Массивный упругий цилиндрический стержень 1 конструктивно связан с другим звеном механизма машины 13 при помощи винта или болта 3 (он вставлен в П-образную проушину). Пространство 14 между стержнями 1 и 5 заполнено веществом, демпфирующим поперечные колебания внутреннего стержня 5, например силиконом.

По первому варианту исполнения измеряемая сила F приложена вдоль оси стержня 5, а по второму варианту - перпендикулярно продольной оси к стержню 4 через проушину 13. По второму варианту исполнения середину стержня 1 дополнительно охватывает по кольцу деталь другого звена машины (другая проушина 15), имеющая силу реакции опоры Q.

Миниатюрная магнитная система 7 выполнена по одной из двух конфигураций на постоянных идентичных магнитах 16 и 17, либо 16, 17, 18, 19 длины L каждый (квадрупольная магнитная линза), изготовленных из закритических материалов с коэффициентом магнитной твердости θ, превышающем величину 0,8. По первой конфигурации в соответствии с фиг.3 используется два магнита, намагниченных противоположно, расстояние между которыми выбирается из соотношения d≈0,75L·θ.

По второй конфигурации фиг.4 используется четыре магнита каждый длиной L (квадрупольная магнитная линза), которые намагничены попарно противоположно и расположены симметрично с сохранением расстояния d₁ между ближайшими магнитами, которое выбирается из диапазона 0,2L·θ<d₁<0,5L·θ.

В обеих конфигурациях элемент Холла размещается в зазоре между магнитами с возможностью его микроперемещений х в зазоре. Толщина элемента Холла 8 (в корпусе) вдоль направления перемещения х не должна превышать 250 мкм.

На плате 10 размещены электрические компоненты: ОУ 11, резистор обратной связи 12, два одинаковых резистора 20 и преобразователь напряжение-ток (ПНТ) 21, соединенные в электрическую цепь по схеме, приведенной на фиг.5.

Силоизмерительное устройство работает следующим образом. При воздействии измеряемой силы F на элемент 5 по первому варианту исполнения (фиг.1) либо на проушину 13 по второму варианту исполнения (фиг.2) происходят взаимомикроперемещения стержней 5,1 и соответственно связанных с ними элементов 7 и 8 датчика микроперемещений. По первому варианту исполнения стержень 5 перемещается соосно 1, а по второму варианту исполнения (фиг.2) стержень 1 изгибается. Микроперемещения элемента Холла 8 и магнитной системы 7 в каждом варианте происходят вдоль направления действия измеряемой силы F. Магниты в магнитной системе расположены таким образом, чтобы градиент индукции магнитного поля Bn был параллелен (равно как и антипараллелен) направлению действия силы F. Линейное изменение величины Bn от х обеспечивает линейное изменение сигнала с выхода элемента Холла 8 при микроперемещении. В соответствии с законом Гука величины х и измеряемая сила находятся в прямо пропорциональной зависимости. Эдс с выхода элемента Холла подается на инвертирующий вход ОУ 11. Отношение номиналов резисторов 12 и 20 обеспечивают необходимый коэффициент усиления ОУ. Усилитель выполнен по дифференциальной схеме усиления. С выхода ОУ 11 сигнал подается на вход микросхемы 21, выполняющей функцию преобразования напряжение-ток (ПНТ). Выходной аналоговый токовый сигнал J (в диапазоне 4-20 мА), пропорциональный силе F, с выхода микросхемы 21 поступает на измерительное устройство или соответствующее звено управления.

Следует отметить, что для получения линейной зависимости выходного сигнала от величины приложенной силы необходимо реализовать область строго линейного изменения индукции магнитного поля от величины перемещения магниточувствительного элемента, т.е. область с постоянным градиентом индукции магнитного поля. Для этого нужно выбрать оптимальные параметры источника магнитного поля (геометрическую форму, рабочую область, материал магнита) и получить максимальный градиент индукции магнитного поля в области перемещения элемента Холла.

Как известно при оптимальной форме магнита рабочая точка на характеристике размагничивания в координатах В-Н (индукция магнитного поля - напряженность магнитного поля) совпадает с точкой (B_d,H_d) максимума удельной энергии и для закритических материалов В_d=B_r/2 и H_d=Н_cB/2, где B_r, Н_cB - соответственно остаточная индукция и коэрцитивная сила по индукции магнита [Постоянные магниты. Справочник. Под. ред. Ю.М.Пятина. М.: Энергия]. Следовательно, если магнит длиной L не имеет полюсных наконечников и находится в непосредственной близости к рабочему зазору, то для закритических материалов d=L·θ, где θ - величина магнитной твердости, связанная с параметрами материала магнита соотношением θ=μ₀Н_cB/Br и (μ₀ - магнитная постоянная, равная 4π·10^-7 Гн/м). Таким образом, оптимальная длина магнита соизмерима с длиной воздушного зазора (т.к. 0,8<θ<1). Последняя формула d=L·θ. позволяет выбрать рабочий интервал перемещений элемента Холла в относительной близости от источника магнитного поля, выполненного из закритических материалов.

Для источника постоянного магнитного поля, изготовленного из закритических материалов, состоящего из двух идентичных частей длины L, намагниченных взаимно противоположно и раздвинутых на расстояние d, характерен постоянный градиент индукции магнитного поля внутри зазора, если величина зазора находится в диапазоне (0,75-1,25)L·θ, что согласуется с вышеприведенной аналитической формулой. Для доказательства правильности выбора указанного диапазона нельзя получить строгие аналитические формулы (возможно только численное решение уравнений Максвелла с учетом характеристик магнитов и их конфигурации), поэтому было проведено компьютерное моделирование с использованием программы femme 33 [5] распределения индукции магнитного поля внутри зазора противоположно намагниченных магнитов, по литературным характеристикам закритических материалов, что представлено на фиг.6. Анализ результатов компьютерного моделирования, проведенного для большого числа материалов магнитов как импортного производства (SmCo 20MGOe, SmCo 24MGOe, SmCo 27MGOe, NdFeB 32MGOe, NdFeB 34MGOe, NdFeB 37 MGOe), так и производства РФ (КС25ДЦ-150, КС25ДЦ-175, КС25ДЦ-190, КС25ДЦ-210, КС25ДЦ-225, КС25ДЦ-240, КС36А, КС37, КС37А и др.), показал на оптимальность выбора зазора d из диапазона (0,75-1,25)θ·L для обеспечения строгой линейности выходной характеристики датчика силы, где L - размер магнита вдоль его оси намагничивания, а θ - магнитная твердость материала, причем элемент Холла размещен в зазоре между магнитами. При данном выборе диапазона постоянства градиента индукции в магнитной системе от перемещения его максимальная величина соответствует соотношению d≈0,75 θ·L. Все результаты моделирования не приведены, поскольку они подобны, изображенным на фиг.6. Таким образом, п.3 настоящей формулы изобретения является обоснованным.

Аналогичным образом было проведено компьютерное моделирование распределения индукции магнитного поля Bn для магнитной системы, изображенной на фиг.4 по литературным характеристикам закритических материалов. Результаты моделирования для магнитов, изготовленных из закритических материалов SmCo20MGOe в форме прямоугольных параллепипедов, приведены на фиг.7. Для магнитов, изготовленных из других закритических материалов, результаты моделирования имеют аналогичный характер, поэтому не приведены. Видно, что с уменьшением d₁ растет величина градиента магнитного поля Bn, однако ухудшается линейность зависимости Bn(х) и сужается рабочая область перемещения элемента Холла. Поэтому оптимальным является диапазон 0,2L·θ<d₁<0,5L·θ.

Пример 1. Было изготовлено и экспериментально апробировано силоизмерительное устройство с конструкцией, приведенной на фиг.2. В качестве воспринимающего силу упругого цилиндрического стержня использовался палец подвески диаметром 60 мм и длиной 170 мм, в котором было просверлено глухое отверстие диаметром 16 мм и глубиной в половину длины пальца (без учета резьбы на конце отверстия). В это отверстие на резьбе вкручен внутренний стержень диаметром 14 мм, который в случае предпочтительного исполнения может быть изготовлен из одной и той же марки стали, чтобы температурные коэффициенты линейного расширения были одинаковыми, что особенно важно для случая измерения силы, приложенной вдоль продольной оси стержня, и менее значимо при измерении микроперемещений при изгибе. Источником постоянного магнитного поля с постоянным градиентом индукции служили два самарий-кобальтовых магнита марки КС-37А (остаточная магнитная индукция 0,82Тл, коэрцитивная сила по индукции 560 кА/м, максимальная магнитная энергия 65 кДж/м³), закрепленные на торце массивного стержня (пальца подвески). Магниты имели форму таблетки диаметром 5 мм и длиной 3 мм, были намагничены соосно противоположно и установлены с зазором d₁=2 мм. В качестве магниточувствительного элемента использовался миниатюрный преобразователь Холла, выпускаемый УП "Холтрон" (г. Минск), изготовленный из гетероэпитаксиальной структуры n-InSb-i-GaAs, с чувствительностью 500 мВ/Тл, габаритами чувствительной области 100×100×3 мкм и общей толщиной, не превышающей 250 мкм. Экспериментальная зависимость выходного сигнала (тока устройства) от величины, приложенной квазистатической внешней силы, представлена на фиг.8 и является строго линейной, и не имеет гистерезиса.

На основании общих законов теории упругости можно утверждать, что конструкция предложенного устройства будет обеспечивать решение поставленной задачи по высокоточному определению силы до уровня нагрузок, не превышающих начала упругопластического течения в массивном упругом стержне. Кроме того, выбор конструкции, работающей на изгиб, как представлено на фиг.3, позволяет измерять силу в большом диапазоне значений без риска появления остаточных деформаций.

1. Силоизмерительное устройство, содержащее массивный упругий цилиндрический стержень, в примере предпочтительного исполнения представляющий собой конструктивный элемент звена машины, в котором выполнено небольшого диаметра отверстие вдоль радиуса под винт или болт и длинное глухое отверстие вдоль продольной оси, в котором соосно расположен одним концом жестко закрепленный второй металлический стержень меньшего диаметра, а также преобразователь микроперемещений, конструктивные элементы которого закреплены на торце каждого из стержней и выполнены с возможностью микроперемещений вдоль направления действия измеряемой силы, при этом под кожухом размещен усилитель, выполненный на основе операционного (ОУ) инвертирующего типа с резистором обратной связи и электронная схема дальнейшей обработки сигнала, которая формирует окончательный выходной сигнал пропорционально нагрузке на стержне, соответствующей измеряемой силе, причем указанный массивный упругий цилиндрический стержень конструктивно связан с другим звеном механизма машины при помощи винта или болта, отличающееся тем, что в качестве преобразователя микроперемещений использован магниточувствительный миниатюрный элемент Холла, укрепленный на втором металлическом стержне и размещенный в зазоре миниатюрной магнитной системы, установленной на первом массивном упругом стержне и состоящей из одной или двух пар противоположно намагниченных магнитов, выполненных из закритического материала с магнитной твердостью θ>0,8, причем толщина элемента Холла с корпусом вдоль направления перемещения не превышает 250 мкм, а расстояние d между ближайшими магнитами выбирают в случае одной пары магнитов - d≈0,75L·θ, а в случае двух пар магнитов (квадрупольная магнитная линза) - 0,2L·θ<d<0,5L·θ, где L - длина магнита, при этом пространство между стержнями заполнено силиконом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина глухого отверстия составляет половину длины первого массивного упругого стержня, который установлен в отверстиях П-образной проушины звена машины, охватывающих его по концам, а его среднюю часть по кольцу охватывает деталь другого звена машины (другая проушина) таким образом, что указанный массивный стержень может упруго изгибаться под действием распределенной силы, действующей в плоскости, перпендикулярно продольной оси стержня, либо микроперемещаться вдоль продольной оси стержня.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы преобразователя микроперемещений на эффекте Холла соответствующим образом сориентированы и находятся в связи с направлением их микроперемещений вдоль продольной оси стержня или изгиба.