Тензорезисторный преобразователь силы

Изобретение может быть использовано для измерения малых давлений с повышенной чувствительностью и точностью. Тензорезисторный преобразователь силы содержит упругий элемент, выполненный за одно целое с опорном кольцом. Упругий элемент выполнен с четырьмя сквозными отверстиями с поперечными прорезями в боковой грани. На плоской поверхности упругого элемента над сквозными отверстиями размещены тензорезисторы. Ширина плоской поверхности упругого элемента в местах расположения тензорезисторов выполнена переменной и определяется соответствующим математическим выражением.

где b - максимальная ширина плоской поверхности упругого элемента;

hmin - минимальная толщина поверхности упругого элемента над сквозным отверстием;

l - длина рабочей части упругого элемента;

ХT - текущая координата тензорезистора;

r - радиус сквозного отверстия.

Техническим результатом является увеличение чувствительности тензорезисторного преобразователя силы и повышение точности измерения малых давлений. 3 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к тензорезисторным преобразователям силы, и может быть использовано в разработке и изготовлении датчиков для измерения малых давлений с максимальной чувствительностью и повышенной точностью.

Известен преобразователь силы [1], содержащий упругий элемент- балку прямоугольного сечения с четырьмя сквозными отверстиями и пропилами нижней стороны. Измеряемое усилие передается через силопередающий элемент, расположенный посередине между парами отверстий. Тензорезисторы установлены на верхнюю поверхность упругого элемента над отверстиями.

Недостатками конструкции данного преобразователя силы являются низкая чувствительность в диапазоне малых давлений, невысокая теплоустойчивость и повышенная трудоемкость изготовления, обусловленные низкой жесткостью упругого элемента.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению (прототипом) является тензорезисторный преобразователь силы [2], содержащий упругий элемент, выполненный с четырьмя сквозными отверстиями с поперечными прорезями в боковой грани и размещенными над ними тензорезисторами, силопередающий элемент, расположенный посередине между парами отверстий. Упругий элемент выполнен за одно целое с опорным кольцом.

Недостатком данной конструкции является низкая чувствительность преобразователя, обусловленная неравномерным распределением деформационных напряжений по длине мембраны за счет ее переменной толщины (фиг.1). Максимальная величина деформации находится в месте минимальной толщины мембраны (h). При увеличении толщины мембраны (hx) величина деформации снижается по нелинейному закону практически до нуля. Тензорезистор, размещенный на поверхности над отверстием, воспринимает максимальную деформацию лишь небольшой частью своей длины, а наибольшая часть тензорезистора воспринимает значительно меньшую деформацию.

Цель изобретения - повышение чувствительности тензорезисторного преобразователя силы при минимальном силовом воздействии на упругий элемент.

Поставленная цель достигается тем, что в тензорезисторном преобразователе силы, содержащем упругий элемент с четырьмя сквозными отверстиями с поперечными прорезями в боковой грани и размещенными над ними тензорезисторами, выполненный за одно целое с опорном кольцом, согласно предлагаемому изобретению, ширина плоской поверхности упругого элемента в местах расположения тензорезисторов выполнена переменной и определяется следующим математическим выражением:

где bx - ширина упругого элемента для текущей координаты хT;

b - максимальная ширина упругого элемента;

hmin - минимальная толщина поверхности упругого элемента над сквозным отверстием;

l - длина упругого элемента;

ХT -текущая координата тензорезистора;

r - радиус сквозного отверстия.

Выполнение ширины плоской поверхности упругого элемента в местах расположения тензорезисторов переменной приводит к выравниванию деформационных напряжений по длине тензорезистора и позволяет воспринимать максимальную деформацию по всей его длине, что значительно увеличивает чувствительность тензорезисторного преобразователя силы при минимальном силовом воздействии на упругий элемент и повышает точность измерения малых давлений.

На фиг.2 изображен предлагаемый тензорезисторный преобразователь силы, который содержит: упругий элемент (1) и опорное кольцо (2). Упругий элемент (1) содержит плоскую поверхность (3) с четырьмя установленными тензорезисторами (4), четыре сквозных отверстия (5) и силопередающий элемент (6), расположенный посередине между парами отверстий (5). Длина участков плоской поверхности (3), выполненная с переменной шириной, равна длине размещенных на них тензорезисторов (4).

На фиг.3 представлен график распределения относительной деформации поверхности данного переменного по ширине упругого элемента в пределах одного отверстия.

Преобразователь силы работает следующим образом.

Измеряемое усилие, воздействуя на упругий элемент (1) через силопередающий элемент (6), изменяет напряжение растяжения и сжатия на плоской поверхности (3) над сквозными отверстиями (5), величина и изменение напряжений фиксируется тензорезисторами (4), расположенными непосредственно над сквозными отверстиями (5). Тензорезистор (4), размещенный на плоской поверхности (3) с выравненными деформационными напряжениями, воспринимает максимальную деформацию по всей своей длине. Тензорези-сторы (4) соединены в мостовую измерительную схему, которая преобразует деформационные напряжения в выходной электрический сигнал.

Таким образом, применение данного технического решения позволит увеличить чувствительность тензорезисторного преобразователя силы при минимальном силовом воздействии на упругий элемент и повысить точность измерения малых давлений.

Тензорезисторный преобразователь силы, содержащий упругий элемент с четырьмя сквозными отверстиями с поперечными прорезями в боковой грани и размещенными над ними тензорезисторами, выполненный за одно целое с опорным кольцом, силопередающий элемент, расположенный посередине между парами отверстий, отличающийся тем, что ширина плоской поверхности упругого элемента в местах расположения тензорезисторов выполнена переменной и определяется следующим математическим выражением:

где b - максимальная ширина плоской поверхности упругого элемента;
hmin - минимальная толщина поверхности упругого элемента над сквозным отверстием;
l - длина рабочей части упругого элемента;
хT - текущая координата тензорезистора;
r - радиус сквозного отверстия.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к горному делу, в частности к приборам измерения проявления горного давления, а именно к датчикам для измерения натяжения анкера. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения усилий в подъемных устройствах. .

Изобретение относится к области машиностроения и транспорта. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к многоканальным измерительным устройствам для измерения сил и моментов, действующих на модель летательных аппаратов в аэродинамической трубе.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, для измерения деформаций в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерительным устройствам для измерения и регистрации сил взаимодействия колеса с рельсом. .

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано при изготовлении весоизмерительных приборов. .

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тензорезисторным преобразователям силы, и может быть использовано в разработке и изготовлении датчиков для измерения диапазонов малых давлений.

Изобретение относится к области машиностроения и транспорта, а именно к механосборочному производству, в частности к сборке с гарантированным натягом деталей типа вал-втулка тепловым способом, и предназначено для оценки прочности сопряжения внутренних колец двух рядом стоящих буксовых роликовых подшипников, напрессованных на шейку оси колесной пары.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для защиты грузоподъемных машин и механизмов от перегрузок, в высокоточных тензометрических весах, а также в качестве преобразователя механических величин (давления, перемещения, деформации, усилия) в электрический сигнал в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к системам измерения усилий в стержнях, тягах и других протяженных элементах конструкций, нагруженных осевой силой. Способ заключается в следующем. Спаренные тяги фиксируют относительно основания технологическими штырями, после чего натягивают одну тягу с контролем усилия, затем без контроля усилия вторую тягу до полного освобождения технологических штырей от зажима. Для обеспечения равномерной передачи управляющего момента необходимо, чтобы оси, проходящие через оси вращения и тяги рычагов, были перпендикулярны плоскости симметрии системы. Технический результат заключается в обеспечении заданного усилия натяжения тяг. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройству многокомпонентных тензометрических динамометров с внутренним каналом, и может быть использовано в различных областях техники (например, в робототехнике, экспериментальной гидро- и аэродинамике). Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение потребительских качеств динамометра за счет обеспечения максимально возможного проходного сечения его внутреннего канала, используемого для размещения коммуникаций. Это достигается тем, что в динамометре, содержащем симметричные относительно продольной оси два жестких кольцевых основания, две взаимно перпендикулярные пары продольных упругих балок с поперечными подрезами на внутренних поверхностях, промежуточное основание в виде двух дополнительных жестких колец, которые соединены между собой посредством четырех продольных упругих пластин, крестообразно расположенных в поперечном сечении вдоль боковых граней упругих балок, и выполнены с лысками напротив соответствующих пар упругих балок, связанных с кольцами промежуточного основания со стороны, противоположной соединенному с соответствующей парой упругих балок кольцевому основанию, и тензопреобразователи, размещенные на гранях упругих балок и упругих пластин, жесткие кольца промежуточного основания размещены напротив поперечных подрезов противолежащих продольных упругих балок, а на поверхности лысок этих колец выполнены поперечные выступы с профилем поверхности по форме подрезов соответствующих продольных упругих балок, отделенные от поверхности указанных подрезов зазором, величина которого выполнена превышающей величину деформации продольных упругих балок и пластин при максимальной измеряемой нагрузке. 10 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к системам измерения усилий в стержнях, тягах и других протяженных элементах конструкций, и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства, и, в частности, в ракетной технике. Устройство работает следующим образом. В двуплечих рычагах делаются отверстия таким образом, чтобы центры отверстий и оси вращения лежали в одной плоскости. Аналогично выполняются ответные отверстия в основании. Систему тяг в «расслабленном» состоянии устанавливают на основание. В совмещенные отверстия на двуплечих рычагах вставляют технологические штыри. После чего одну из тяг при помощи талрепа натягивают до необходимого состояния. Натяжение одной тяги приводит к перекосу системы и зажатию одного из технологических штырей в отверстии. Далее при помощи талрепа начинаем натягивать вторую тягу до полного освобождения штыря от зажима («перекоса»), образовавшегося при натяжении первой тяги. Освобождение другого технологического штыря из отверстия будет свидетельствовать о том, что отверстия в двуплечих рычагах полностью совместились. Далее, на полностью собранную тягу устанавливают предварительно оттарированный съемный элемент с закрепленными на нем тензодатчиками, предварительно закрепляя его с помощью зажимов. Вращая талреп, поднатягивают тягу до момента появления сигналов с тензодатчиков, выбирают провис тяги. После чего полностью ослабляют зажимы и вновь закрепляют съемный элемент уже с усилием, предотвращающим проскальзывание поджатых друг к другу тяги и съемного элемента. С этого момента съемный элемент и тяга работают на растяжение совместно как единый элемент тяги. Таким образом, изменяя площадь поперечного сечения съемного элемента, не меняя при этом геометрических размеров самой тяги, можно изменить степень деформации и измеряемое усилие, а также равномерно распределить управляющий момент на тяге, и тем самым максимально совместить диапазон измерений с рабочим диапазоном используемых тензодатчиков, что автоматически повышает точность измерения и снижает трудоемкость изготовления и контроля. 6 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для постоянного измерения усилий в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и точности силоизмерительного датчика, повышение длительности эксплуатации. Силоизмерительный датчик содержит подкладную вогнутую и накладную выпуклую шайбы со сферической поверхностью сопряжения между ними, чувствительный элемент в виде обмотки тензорезистора, работающего на растяжение и жестко установленного на внешней цилиндрической поверхности подкладной шайбы. Накладная шайба снабжена вторым чувствительным элементом в виде обмотки тензорезистора, работающего на сжатие. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к упругим элементам датчиков силы, предназначенных для точного измерения силы небольшой величины в широком диапазоне. Заявленный упругий элемент тензорезисторного датчика силы выполнен за одно целое и содержит упругое кольцо, силовводящие рычаги, примыкающие к внутренней боковой поверхности упругого кольца по всей высоте, поперечные тяги, присоединенные к средней части упругого кольца вблизи плоскости симметрии, перпендикулярной к его оси, и эта плоскость симметрии упругого кольца совпадает с плоскостью симметрии тяг, расположенных симметрично второму диаметральному направлению упругого кольца, причем расстояние между осями тяг не больше половины диаметра внешней боковой поверхности кольца, а в средней части упругого кольца выполнены сквозные пазы, которые имеют высоту, равную толщине поперечных тяг, и расположены симметрично относительно их плоскости симметрии, при этом пазы в окружном направлении расположены между тягами и силовводящими рычагами. Технический результат заключается в повышении точности измерения усилий небольшой величины при малых габаритных размерах упругого элемента, обладающего меньшей жесткостью, что позволяет расширять диапазон измерения в сторону малых нагрузок. 2 ил.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к тензорезисторным датчикам силы, предназначенным для точного измерения сил, в том числе в агрессивных средах. Тензорезисторный датчик силы содержит жесткий центр, силовводяшую оболочку, кольцевой силопреобразователь, ограниченный изнутри цилиндрической поверхностью, имеет в своей нижней части кольцевой выступ, ограниченный изнутри той же цилиндрической поверхностью, опорную оболочку большего диаметра и опорное кольцо, соединенные между собой последовательно и выполненные за одно целое. Силовводящая оболочка выполнена вогнутой и в средней части ограничена снаружи и изнутри цилиндрическими поверхностями и плавно изнутри сопрягается с участками конических поверхностей одинаковой конусности и сужающиеся части конусов направлены к средней части симметрично. Верхнее подрезисторное кольцо ограничено цилиндрическими поверхностями и снаружи имеет два симметричных выступа, ограниченных коническими поверхностями одинаковой конусности, а их сужающиеся части направлены к середине, и запрессовано по этим поверхностям в среднюю часть силовводящей оболочки. Кольцевой выступ кольцевого силопреобразователя также ограничен снаружи конической поверхностью и его сужающаяся часть конуса направлена к кольцевому силопреобразователю, и по ней запрессовано нижнее подрезисторное кольцо и упирается в кольцевой силопреобразователь. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и точности измерений. 3ил.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к датчикам силы, для точного измерения небольших усилий в широком диапазоне. Силочувствительный элемент содержит упругое кольцо с тензорезисторами, два жестких кольца меньшего и большего диаметров, радиальные рычаги по своим концам снабжены верхними и нижними балками равной толщины и длины, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями. При этом ширина меньшего основания каждой нижней балки равна половине ширины также меньшего основания верхней балки. Жесткое кольцо меньшего диаметра соединено с верхними балками для каждого рычага, расположенного внутри упругого кольца. Нижние балки соединены с верхней частью внутри упругого кольца, а внизу снаружи оно соединено с верхними балками для каждого рычага, расположенного вне кольца. Нижние балки соединены с жестким кольцом внутри и все они изготовлены за одно целое. Техническим результатом изобретения является расширение диапазона измерения сил в сторону малых нагрузок с повышенной точностью. 4 ил.

Изобретение относится к датчикам силы. Датчик силы содержит корпус, который выполнен в виде короба, основание которого с внешней стороны снабжено крестообразным хомутом для закрепления корпуса в держателе штатива, а к противоположной стороне хомута закреплено основание, посредством которого датчик силы устанавливается на лабораторном столе, корпус снабжен съемной крышкой, один торец которой выполнен с П-образным окном для выхода порта. Внутри корпуса расположена тензобалка, выполненная S-образной формы, при этом тензобалка на внутренней поверхности основания корпуса закреплена своей нижней полкой, на нижней поверхности средней полки закреплены тензорезисторы, собранные по мостовой схеме, при этом выходы тезорезисторов соединены с электронным блоком, а верхняя полка тензобалки снабжена вертикальным стержнем, проходящим сквозь отверстие в крышке и ось которого расположена на одной оси с осью крестообразного хомута корпуса, причем свободный конец стержня снабжен осевым углублением для установки чаши весов и поперечным отверстием для приложения силы, направленной вверх. Технический результат - обеспечение измерения сил различного действия, приложенных в различных направлениях, а также возможность использования для измерения веса. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для измерения параметров силового воздействия на буровое долото режуще-скалывающего действия в процессе разрушения им породы. Лабораторная установка для определения нагрузки, действующей на буровое долото, содержит измерительную балку, жестко закрепленную на базовой плите, с установленным на ней долотом. На измерительной балке смонтированы тензометрические датчики, образующие шесть тензометрических мостов для измерения осевой нагрузки Rza на измерительную балку вдоль ее оси, Mza - момента, скручивающего измерительную балку относительно ее оси, Mxa, Mxb - моментов соответственно в поперечных сечениях измерительной балки, отстоящих друг от друга на расстоянии a, изгибающих измерительную балку в плоскости, проходящей через ее ось, и ось декартовой системы координат, Mya, Myb - моментов соответственно в поперечных сечениях измерительной балки, изгибающих измерительную балку в плоскости, проходящей через ее ось, и ось декартовой системы координат. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим средствам измерения. Технический результат: расширение динамического диапазона преобразования напряженно-деформированных состояний сенсорной консоли вследствие воздействия на ее поверхность скоростного напора (динамического давления) газовых или жидкостных потоков. Сущность: тензорезистивный преобразователь содержит сенсорную консоль, работающую на изгиб, выполненную из упругой подложки тонкопленочного эластичного полимера, двух фольговых тензорезисторов, планарно расположенных на противоположных сторонах подложки, продольные оси которых параллельны между собой, или четырех фольговых тензорезисторов, планарно и попарно расположенных на противоположных сторонах подложки, продольные оси которых симметричны относительно ее продольной оси и параллельны между собой. Тензорезисторы включены в смежные плечи полу- или полномостовую схему измерительного моста. Сенсорная консоль ориентирована ортогонально вектору приложенной силы. В преобразователь введены кольцевой сегмент с кривизной поверхности, соответствующей максимально возможному упругому изгибу сенсорной консоли, хонейкомб, и флюгерный элемент. Кольцевой сегмент выполнен с проницаемой поверхностью. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение может быть использовано для измерения малых давлений с повышенной чувствительностью и точностью. Тензорезисторный преобразователь силы содержит упругий элемент, выполненный за одно целое с опорном кольцом. Упругий элемент выполнен с четырьмя сквозными отверстиями с поперечными прорезями в боковой грани. На плоской поверхности упругого элемента над сквозными отверстиями размещены тензорезисторы. Ширина плоской поверхности упругого элемента в местах расположения тензорезисторов выполнена переменной и определяется соответствующим математическим выражением.где b - максимальная ширина плоской поверхности упругого элемента;hmin - минимальная толщина поверхности упругого элемента над сквозным отверстием;l - длина рабочей части упругого элемента;ХT - текущая координата тензорезистора;r - радиус сквозного отверстия.Техническим результатом является увеличение чувствительности тензорезисторного преобразователя силы и повышение точности измерения малых давлений. 3 ил.

Наверх