Многокомпонентный датчик перемещений
Владельцы патента RU 2422785:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) (RU)
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения деформаций и перемещений и предназначено для измерения статических или плавно меняющихся радиальных перемещений. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства. Многокомпонентный датчик радиальных перемещений содержит корпус, чувствительный элемент с тензодатчиками. Датчик снабжен силоприемным элементом, выполненным в виде упругого цилиндрического стержня, жестко защемленного во внутренней проточке корпуса датчика. Чувствительный элемент выполнен в виде двух полых конусов, сопряженных своими основаниями большого диаметра с цилиндрическим кольцом и разрезанных по образующим на ряд упругих секций. Первый полый конус жестко скреплен своим малым основанием с корпусом и посредством контакта боковой внешней конической поверхности с внутренней конической поверхностью цанги. Второй полый конус, состоящий из упругих секций с тензодатчиками, установленными в области наибольших деформаций, соединен с первым полым конусом с помощью цилиндрического кольца. Каждая из упругих секций представляет собой сдвоенные балки, размещенные по кольцу, защемленные с одной стороны во внутренней проточке корпуса, а с другой стороны - контактирующие с цилиндрической поверхностью силоприемного элемента посредством ограничительного пружинного кольца. 3 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения деформаций и перемещений, и предназначено для измерения статических или плавно меняющихся радиальных перемещений.
Известно «Тензометрическое устройство для определения радиальных усилий» (АС СССР №158433 от 19.10.63 г., G01L), содержащее упругие элементы, выполненные в виде лепестков, образованных прорезной с торца втулкой, деформация одного или нескольких лепестков регистрируется тензодатчиками. Недостатком устройства является низкая чувствительность упругого элемента, выполненного в виде цилиндрической прорезной втулки, невозможность измерения составляющих по всем направлениям деформаций.
Известен «Датчик для измерения сил» (АС СССР №198735, G01L), у которого упругий элемент представляет собой круговой набор секторных рессор, каждая из которых состоит из двух спаренных балок равного сопротивления. Недостатком устройства является определение лишь усредненного радиального перемещения.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является «Цанговый динамометр» (АС СССР №503148 от 15.02.76 г., G01L 1/04), содержащий чувствительный элемент в виде втулки, в которую со стороны цанги запрессованы основная и дополнительная консольные балки, радиальные деформации которых регистрируется с помощью индикаторов. Недостатком устройства является то, что точки измерения радиальных деформаций разнесены по оси устройства, что не позволяет проводить измерение в одном поперечном сечении. Кроме того, в силу того, что консольные балки, являющиеся упругими элементами, расположены телескопически, а следовательно, радиальная деформация одной внутренней балки будет влиять на деформацию внешней ближайшей к ней балки, то есть будет возникать погрешность измерений, которую трудно учесть.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, за счет непрерывного измерения составляющих радиальных перемещений по всем направлениям.
Задача изобретения решается тем, что устройство выполнено следующим образом: многокомпонентный датчик перемещений снабжен силоприемным элементом, выполненным в виде упругого цилиндрического стержня, жестко защемленного во внутренней проточке корпуса датчика, а чувствительный элемент выполнен в виде двух полых конусов, сопряженных своими основаниями большого диаметра с цилиндрическим кольцом и разрезанных по образующим на ряд упругих секций, при этом первый полый конус жестко скреплен своим малым основанием с корпусом и посредством контакта боковой внешней конической поверхностью с внутренней конической поверхностью цанги, установленной с возможностью осевого перемещения и фиксируемой с помощью прижимной втулки, второй полый конус, состоящий из упругих секций с тензодатчиками, установленными в области наибольших деформаций, соединен с первым полым конусом с помощью цилиндрического кольца, ограничивающего перемещение цанги, каждая из упругих секций представляет собой сдвоенные балки, размещенные по кольцу, защемленные с одной стороны во внутренней проточке корпуса, а с другой стороны - контактирующие с цилиндрической поверхностью силоприемного элемента посредством ограничительного пружинного кольца, установленного со стороны свободного конца упругих секций и ограничивающего радиальные перемещения упругих секций.
На фиг.1 представлено устройство в разрезе, на фиг.2 - варианты исполнения консоли силоприемного элемента датчика, а на фиг.3 - силовая схема датчика.
Устройство содержит корпус 1, цангу 2, размещенную с возможностью перемещения вдоль продольной оси корпуса и фиксируемую с помощью прижимной втулки 3, силоприемный элемент 4, выполненный в виде упругого цилиндрического стержня, жестко защемленного во внутренней проточке корпуса 1 датчика, чувствительный элемент 5, выполненный в виде двух полых конусов 6, 7, сопряженных своими основаниями большого диаметра с цилиндрическим кольцом 8 и разрезанных по образующим на ряд упругих секций 9, снабженных тензодатчиками 10.
Первый полый конус 6 своей наружной конической поверхностью, совместно с цангой 2, служит для крепления силоприемного элемента 4, а второй полый конус 7 собственно является упругим элементом, состоящим из ряда упругих секций 9, расположенных по кольцу, на внутренней поверхности которых, в зоне максимальных деформаций, наклеены тензодатчики 10. Первый полый конус 6 обладает большей жесткостью по сравнению со вторым полым конусом 7, он имеет большую толщину оболочки, чем второй полый конус 7, и, помимо этого, его подкрепляет с внешней стороны цанга 2, фиксируемая прижимной втулкой 3.
Второй полый конус 7, состоящий из упругих секций 9 с тензодатчиками 10, установленными в области наибольших деформаций, соединен с первым полым конусом 6 с помощью цилиндрического кольца 8, ограничивающего перемещение цанги 2.
Каждая упругая секция 9 представляет собой сдвоенные балки, защемленные с одной стороны во внутренней проточке корпуса 1 и контактирующие с внутренней поверхностью цанги 2, а с другой стороны опирающиеся посредством контакта на цилиндрическую поверхность силоприемного элемента 4 посредством ограничительного пружинного кольца 12, установленного со стороны свободного конца упругих секций 9 и ограничивающего радиальные перемещения упругих секций.
В своей передней части малого основания, контактирующего с силоприемным элементом 4, второй полый конус 7 имеет цилиндрический переходник 11 с наружной канавкой под ограничительное пружинное кольцо 12. Наличие пружинного кольца 12 малой жесткости создает возможность ограничения радиальных деформаций упругих секций 9 в пределах (0,1-0,2) длины упругой секции 9 и обеспечивает непрерывный контакт с цилиндрической поверхностью силоприемного элемента 4.
Так как жесткость второго полого конуса 7 на порядок ниже жесткости первого полого конуса 6 за счет большей толщины, наличия цилиндрического кольца 8 и подкрепляющего действия цанги 2, то упругие секции 9 с наклеенными на них тензодатчиками 10 деформируются больше, что повышает чувствительность датчика перемещений.
В силовой схеме датчика силоприемный элемент 4 представляет собой защемленную балку цилиндрического сечения, контактирующую по кольцу с упругими секциями 9. Концевая часть консоли силоприемного элемента 4 завершается иглой или шариком для обеспечения контакта с исследуемым объектом (фиг.2).
Силовая схема датчика (фиг.3) позволяет оптимально передавать радиальные составляющие нагрузки упругим секциям 9 чувствительного элемента 5. Для каждого направления радиального перемещения, для каждой отдельной упругой секции 9 чувствительного элемента 5 собирается отдельный измерительный полумост из тензодатчиков 10. Для вывода проводников с тензодатчиков 10 в корпусе 1 имеется канавка (на чертежах не показана), которая герметизируется клеем на основе эпоксидной смолы. Перед проведением испытаний измерительный полумост, состоящий из тензодатчиков 10, по каждому каналу измерений сбалансируется.
Устройство работает следующим образом. При закреплении силоприемного элемента 4 в корпусе 1 прижимная втулка 3 перемещается в осевом направлении до упора в цилиндрическое кольцо 8, перемещая цангу 2, при этом внутренняя коническая поверхность цанги 2 контактирует с наружной боковой поверхностью первого полого конуса 6. При этом эти зажимные поверхности первого полого конуса 6 уменьшаются в диаметре и сжимают чувствительный элемент 5, обеспечивая его контакт по кольцу с силоприемным стержнем 4 на выходе из малого сечения второго полого конуса 7.
При перемещении иглы силоприемного элемента 4, связанной посредством контакта с исследуемым объектом, в радиальном направлении происходит изгиб стержня силоприемного элемента 4, при этом деформируются упругие секции 9 чувствительного элемента 5, связанные с ним посредством контакта и прижимаемые к нему ограничительным пружинным кольцом 12. При этом часть тензодатчиков 10, размещенных на упругих секциях 9, растягивается, а часть сжимается, что приводит к соответствующему изменению выходного сигнала измерительного полумоста. Величина прогиба упругих секций 9 пропорциональна радиальной составляющей перемещения исследуемого объекта в данной точке радиального сечения. Тензодатчики 10, размещенные в зоне максимальных деформаций упругих секций 9, реагируют на этот прогиб изменением сопротивления и соответствующим изменением выходного напряжения в измерительной диагонали полумоста, которое регистрируется прибором.
Предлагаемое техническое решение обладает рядом преимуществ, обеспечивающих положительный эффект:
- в отличие от прототипа устройство производит измерение радиальных составляющих перемещений независимо от ориентации силоприемного элемента в пространстве;
- предотвращает выход из строя тензодатчиков чувствительного элемента, ограничивая деформации упругих секций;
- позволяет создать датчик перемещений с малыми габаритами.
Наряду с этим устройство сохраняет положительное свойство прототипа, а именно может быть использовано для измерения перемещений по выбранным осям координат.
Таким образом, в расширении функциональных возможностей устройства за счет избирательного, по всем направлениям пространства, измерения радиальных перемещений конкретно выражается положительный эффект предлагаемого устройства.
Многокомпонентный датчик радиальных перемещений, содержащий корпус, чувствительный элемент с тензодатчиками, расположенными на упругих секциях, отличающийся тем, что он снабжен силоприемным элементом, выполненным в виде упругого цилиндрического стержня, жестко защемленного во внутренней проточке корпуса датчика, а чувствительный элемент выполнен в виде двух полых конусов, сопряженных своими основаниями большого диаметра с цилиндрическим кольцом и разрезанных по образующим на ряд упругих секций, при этом первый полый конус жестко скреплен своим малым основанием с корпусом и посредством контакта боковой внешней конической поверхности с внутренней конической поверхностью цанги, установленной с возможностью осевого перемещения и фиксируемой с помощью прижимной втулки, второй полый конус, состоящий из упругих секций с тензодатчиками, установленными в области наибольших деформаций, соединен с первым полым конусом с помощью цилиндрического кольца, ограничивающего перемещение цанги, каждая из упругих секций представляет собой сдвоенные балки, размещенные по кольцу, защемленные с одной стороны во внутренней проточке корпуса, а с другой стороны, контактирующие с цилиндрической поверхностью силоприемного элемента посредством ограничительного пружинного кольца, установленного со стороны свободного конца упругих секций и ограничивающего радиальные перемещения упругих секций.
