Силочувствительный элемент



Силочувствительный элемент
Силочувствительный элемент
Силочувствительный элемент
Силочувствительный элемент

 


Владельцы патента RU 2550312:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)

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 весовой технике, в частности к силочувствительным элементам датчиков силы, предназначенным для точного измерения силы небольшой величины в широком диапазоне.

Известен чувствительный элемент датчика силы (А.с. 411331 СССР, МКИ G01L 1/22. Чувствительный элемент / Э.Н. Кривцова, Е.В. Штайгер (СССР). - 2 с.), который выполнен в виде кольцевого ребра с тензорезисторами, навитыми на его цилиндрическую поверхность у кромок, и кольцевой пластины с опорными буртами по наружному и внутреннему диаметрам, разрезанной между буртами на радиальные балочки, выполненные за одно целое с кольцевым ребром, расположенным по их серединам.

Недостатком указанной конструкции является достаточно высокая жесткость опорных буртов, что не позволяет измерять усилия малой величины в широком диапазоне. Кроме того, не удается добиться равномерного распределения деформации тензорезисторов в связи с тем, что деформируется только часть боковой поверхности кольцевого ребра, расположенная около радиальных балок, что снижает точность измерения и, как следствие, уменьшает диапазон измерения усилий. Кроме того, величина деформации тензорезисторов ограничена максимально возможным растяжением навитой тензорезисторной проволоки, что не позволяет измерять усилия в широком диапазоне.

Известна также конструкция датчика силы (А.с. 767575 СССР, МКИ G01L 1/22. Упругий чувствительный элемент / В.П. Дымковский, А.И. Кравченко, В.Ф. Семенюк (СССР). - 2 с.), упругий чувствительный элемент которого выполнен в виде втулки с тензорезисторами, закрепленными на ее боковой поверхности, и силопередающего элемента, изготовленного за одно целое с втулкой и выполненного в виде радиальных рычагов, одни свободные концы которых расположены вне втулки, а другие - внутри нее.

Недостатком указанной конструкции является неравномерность передачи изгибающего момента на втулку с тензорезисторами. Это объясняется тем, что близлежащее сечение к радиальным рычагам имеет больший поворот, чем сечения, удаленные от них, а это приводит к тому, что провод тензорезисторов деформируется не равномерно, следовательно, снижается значение выходного сигнала. Причем из-за неточности изготовления радиальных рычагов деформация тензорезисторов неодинаковая. Все это снижает полезный электрический сигнал. Кроме того, величина деформации тензорезисторов ограничена максимально возможным растяжением тензорезисторной проволоки. Поэтому точность измерения усилий не высока и, следовательно, уменьшается диапазон измерения малых усилий.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является силочувствительный элемент (А.с. 1439417, МПК G01L 1/22, опубл. 23.11.88. Бюл. №43), который содержит упругое кольцо с тензорезисторами, намотанными на его внешней боковой поверхности, и силопередающий элемент в виде радиальных рычагов, выполненных в виде трапеций с криволинейными основаниями, изготовленных за одно целое с упругим кольцом, в котором между радиальными рычагами выполнены радиальные отверстия с выпуклым контуром.

Недостатком указанной конструкции является то, что невозможно с одинаковой точностью измерять малые нагрузки в широком диапазоне. Это связано с тем, что величина деформации тензорезисторов ограничена максимально возможным растяжением навитой тензорезисторной проволоки. Поэтому такие чувствительные элементы применяются только для измерения малых усилий в узком диапазоне.

В этой связи важнейшей задачей является создание новой конструкции силочувствительного элемента, позволяющей измерять усилия меньшей величины, по сравнению с прототипом, и в широком диапазоне с высокой точностью.

Технический результат: повышение точности измерения усилий небольшой величины в широком диапазоне измерения в сторону малых нагрузок.

Поставленный технический результат достигается тем, что силочувствительный элемент содержит упругое кольцо с тензорезисторами, намотанными на его внешней боковой поверхности, и силопередающий элемент в виде радиальных рычагов, выполненных в виде трапеций с криволинейными основаниями, изготовленных за одно целое с упругим кольцом, в котором выполнены радиальные отверстия с выпуклым контуром, при этом дополнительно содержит два жестких кольца меньшего и большего диаметров, относительно диаметра упругого кольца, и разнесенных в осевом направлении, а радиальные рычаги снабжены балками равной толщины и длины, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями, и по меньшим криволинейным основаниям в верхней части радиальные рычаги соединены с большими криволинейными основаниями верхних балок, а по большим криволинейным основаниям в нижней части радиальные рычаги соединены с меньшими криволинейными основаниями нижних балок, при этом для каждого радиального рычага ширина меньшего криволинейного основания каждой нижней балки равна половине ширины также меньшего криволинейного основания верхней балки, причем жесткое кольцо меньшего диаметра с внешней стороны соединено с верхними балками каждого радиального рычага, расположенного внутри упругого кольца по их меньшим криволинейным основаниям, при этом нижние балки каждого радиального рычага, расположенного внутри упругого кольца, по своим большим криволинейным основаниям соединены с верхней частью внутренней стороны упругого кольца, которое по своей нижней части с внешней стороны соединено с верхними балками каждого радиального рычага, расположенного с внешней стороны упругого кольца, по их меньшим криволинейным основаниям, а нижние балки каждого радиального рычага, расположенного с внешней стороны упругого кольца, по своим большим криволинейным основаниям соединены с внутренней стороной жесткого кольца большего диаметра, при этом балки, соединенные с упругим кольцом по ширине меньших криволинейных оснований, равны друг другу, а радиальные отверстия выполнены между балками в его средней части, при этом все три кольца, балки и радиальные рычаги изготовлены за одно целое.

Технический результат достигается и тем, что в чувствительном элементе деформируется только две небольшие части упругого кольца с тензорезисторами, и нижние и верхние балки, соединенные с жесткими рычагами, то есть деформируется непосредственно необходимая часть чувствительного элемента. Расположение радиальных рычагов, разнесенных в осевом направлении, позволяет при приложении одного направления измеряемой силы деформировать две небольшие части упругого кольца вначале в одном направлении, а затем в другом. Введение жестких колец позволяет усилить направление измеряемой деформации. Поэтому тензозорезисторы, включенные в электрический мостик Уинстона, получат деформацию, способствующую увеличению электрического сигнала при воздействии усилий небольшой величины, что позволяет расширять диапазон измерения в сторону малых нагрузок.

В конструкции предлагаемого чувствительного элемента задача расширения диапазона измерения усилий в сторону малых нагрузок достигается тем, что силопередающие элементы разнесены в осевом направлении и снабжены балками, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями, выполняющими функции упругих шарниров. Кроме того, в средней части упругого кольца имеются радиальные отверстия, выполненные между балками. Измеряемая сила P приложена к жестким кольцам и вызывает деформацию упругого кольца, только той его части, где размешены тензоризисторы, то есть деформируется только его минимальная необходимая часть, а деформация упругих шарниров направлена на увеличение деформации упругого кольца, что, по сравнению с прототипом, увеличит точность измерения усилий в широком диапазоне.

На фиг.1 изображен чувствительный элемент - главный вид, совмещенный с разрезом плоскостью, проходящей через ось упругого кольца, - разрез А-А; на фиг.2 - вид сверху, а на фиг.3 и фиг.4 показаны в увеличенном виде фрагменты чувствительного элемента разреза и вида сверху.

Устройство чувствительного элемента представлено на фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4 и состоит из упругого кольца 1 с тензорезисторами, 2 показанными условно, силопередающими элементами в виде радиальных рычагов 3 и 4, которые разнесены в осевом направлении и выполнены в виде трапеций с криволинейными основаниями. В средней части упругого кольца 1 с выпуклым контуром выполнены отверстия. Расположение их центров следует из изображений, показанных на главном виде и совмещенном разрезе. Дополнительные жесткие кольца меньшего и большего диаметров относительно диаметра упругого кольца 1 разнесены в осевом направлении и обозначены позициями 5 и 6 соответственно. Радиальные рычаги 3, расположенные внутри упругого кольца 1, снабжены балками 7, 8 равной толщины h и длины b, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями. По меньшим криволинейным основаниям в верхней части радиальные рычаги 3 соединены с большими криволинейными основаниями верхних балок 7, ширина меньшего криволинейното основания которых равна a. А по большим криволинейным основаниям в нижней части радиальные рычаги 3 соединены с меньшими криволинейными основаниями нижних балок 8. При этом ширина меньшего криволинейного основания каждой нижней балки 8 равна a/2 - половине ширины также меньшего криволинейного основания верхней балки 7. Радиальные рычаги 4 снабжены балками 9, 10 равной толщины h и длины b, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями. По меньшим криволинейным основаниям в верхней части радиальные рычаги 4 соединены с большими криволинейными основаниями верхних балок 9. А по большим криволинейным основаниям в нижней части радиальные рычаги 4 соединены с меньшими криволинейными основаниями нижних балок 10. При этом ширина меньшего криволинейного основания нижней балки 8 равна a/2 и равна ширине меньшего криволинейного основания верхней балки 9. Причем ширина меньшего криволинейного основания каждой нижней балки 10 равна a/4, то есть равна половине ширины также меньшего криволинейного основания верхней балки 9. При этом для каждого радиального рычага 3 жесткое кольцо 5 меньшего диаметра с внешней стороны соединено с верхними балками 7 по их меньшим криволинейным основаниям. А нижние балки 8, по своим большим криволинейным основаниям соединены с верхней частью внутренней стороны упругого кольца 1. И для каждого радиального рычага 4 упругое кольцо 1 по своей нижней части с внешней стороны соединено с верхними балками 9 по их меньшим криволинейным основаниям. Нижние балки 10 по своим большим криволинейным основаниям соединены с внутренней стороной жесткого кольца 6 большего диаметра. Радиальные отверстия выполнены в средней части упругого кольца. При этом все три кольца 1, 5, 6, балки 7, 8, 9, 10 и радиальные рычаги 3, 4, соединенные как указано на чертежах, в указанной выше последовательности, изготовлены за одно целое. Введенные балки 7, 8, 9 и 10 выполняют функцию упругих шарниров, и их геометрическая середина отмечена точками и является центром поворота. На чертеже показан угол между верхней гранью радиальных рычагов 3, 4 и линией, соединяющей центры поворота упругих шарниров, равный γ.

Предлагаемый чувствительный элемент работает следующим образом (фиг.1). К верхнему жесткому кольцу 5 приложено усилие P, действующие вдоль оси упругого кольца 1, при этом жесткое кольцо 6 опирается и не имеет возможности перемещаться в осевом направлении. Поэтому силопередающие элементы 3, 4 поворачиваются на упругих шарнирах, выполненных в виде балок 7, 8 и 9, 10, что влечет поворот упругого кольца 1. Рассмотрим этот поворот кольца более подробно в зависимости от величины измеряемого усилия.

Под действием усилия P радиальные рычаги 3, 4 повернутся на упругих шарнирах, выполненных в виде балок 7, 8, 9 и 10, поэтому увеличатся расстояния от жесткого кольца 5 до верхней части упругого кольца 1, и от нижней его части до жесткого кольца 6. Поэтому упругое кольцо 1 с тензорезисторами 2 будет поворачиваться, и верхние тензорезисторы будут растягиваться, а нижние сжиматься, а угол γ будет уменьшаться, и при определенном усилии P он будет равен нулю.

При дальнейшем увеличении усилия P балки 7, 8, 9, и 10 будут изгибаться в том же направлении, но силопередающие элементы - рычаги 3 и 4 - потянут упругое кольцо 1 внутрь. Это объясняется тем, что будут уменьшаться расстояния от жесткого кольца 5 до верхней части упругого кольца 1 и от нижней его части до жесткого кольца 6. Поэтому упругое кольцо будет поворачиваться в противоположном направлении. При определенном значении усилия P угол γ примет свое первоначальное значение с обратным знаком, а упругое кольцо 1 займет первоначальное положение.

Дальнейшее увеличение усилия P приведет к изгибу в том же направлении балок 7, 8, 9,и 10, и силопередающие элементы - рычаги 3 и 4 - потянут упругое кольцо также внутрь, так как будут уменьшаться расстояния от жесткого кольца 5 до верхней части упругого кольца 1 и от нижней его части до жесткого кольца 6. Поэтому упругое кольцо будет поворачиваться внутрь. При определенном значении усилия P угол γ примет свое удвоенное значение, но с обратным знаком, а упругое кольцо 1 повернется в другую сторону так, что верхние тензорезисторы 2 будут сжиматься, а нижние растягиваться.

При всем многообразии конструкций аналогичного назначения конструкция в данном виде предложена впервые. Но именно такая конструкция силочувствительного элемента с разнесенными в осевом направлении радиальными рычагами, снабженными балками, выполняющими функции упругих шарниров, выполненных за одно целое и совместно с жесткими кольцами, позволяет эффективно решить задачи его использования для измерения с высокой точностью усилий небольшой величины, что позволяет увеличить в три раза диапазон измерения, в том числе и для малых нагрузок.

Силочувствительный элемент, содержащий упругое кольцо с тензорезисторами, намотанными на его внешней боковой поверхности, и силопередающий элемент в виде радиальных рычагов, выполненных в виде трапеций с криволинейными основаниями, изготовленных за одно целое с упругим кольцом, в котором выполнены радиальные отверстия с выпуклым контуром, отличающийся тем, что дополнительно содержит два жестких кольца меньшего и большего диаметров относительно диаметра упругого кольца, разнесенных в осевом направлении, а радиальные рычаги снабжены балками равной толщины и длины, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями, и по меньшим криволинейным основаниям в верхней части радиальные рычаги соединены с большими криволинейными основаниями верхних балок, а по большим криволинейным основаниям в нижней части радиальные рычаги соединены с меньшими криволинейными основаниями нижних балок, при этом для каждого радиального рычага ширина меньшего криволинейного основания каждой нижней балки равна половине ширины также меньшего криволинейного основания верхней балки, причем жесткое кольцо меньшего диаметра с внешней стороны соединено с верхними балками каждого радиального рычага, расположенного внутри упругого кольца по их меньшим криволинейным основаниям, при этом нижние балки каждого радиального рычага, расположенного внутри упругого кольца, по своим большим криволинейным основаниям соединены с верхней частью внутренней стороны упругого кольца, которое по своей нижней части с внешней стороны соединено с верхними балками каждого радиального рычага, расположенного с внешней стороны упругого кольца, по их меньшим криволинейным основаниям, а нижние балки каждого радиального рычага, расположенного с внешней стороны упругого кольца, по своим большим криволинейным основаниям соединены с внутренней стороной жесткого кольца большего диаметра, при этом балки, соединенные с упругим кольцом по ширине меньших криволинейных оснований, равны друг другу, а радиальные отверстия выполнены между балками в его средней части, при этом все три кольца, балки и радиальные рычаги изготовлены за одно целое.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к весовой технике, в частности к тензорезисторным датчикам силы, предназначенным для точного измерения сил, в том числе в агрессивных средах.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к упругим элементам датчиков силы, предназначенных для точного измерения силы небольшой величины в широком диапазоне.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для постоянного измерения усилий в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций.

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.

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).

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к системам измерения усилий в стержнях, тягах и других протяженных элементах конструкций, нагруженных осевой силой.

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.

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 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 относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления контактного типа, в частности к тензометрическим средствам измерений консольного типа. Техническим результатом изобретения является расширение динамического диапазона тензорезистивного преобразования напряженно-деформированных состояний при прямом контактном воздействии на упруго-чувствительный элемент скоростного напора газовых или жидкостных потоков в электрический сигнал. Тензорезистивный преобразователь содержит упруго-чувствительный элемент консольного типа, выполненный из тензорезисторов, планарно и попарно расположенных на его противоположных сторонах, и электрических выводов со стороны его заделки, измерительный мост и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста. При этом упруго-чувствительный элемент работает на изгиб ортогонально вектору приложенной силы. Также в преобразователь введены, по меньшей мере, один и более упругих слоев, выполненных из тонкопленочного эластичного полимера, имеющих одинаковую с упруго-чувствительным элементом ширину, но различные длины и расположены на нем последовательно с уменьшением длины в сторону его заделки. Упругие слои планарно жестко связаны между собой и упруго-чувствительным элементом, либо планарно свободны, но собраны воедино в заделке в сэндвич-структуру, обладающей качеством тела равного сопротивления изгибу. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерительным устройствам для измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом и рельсом. Техническим результатом является повышение точности измерения сил взаимодействия колеса с рельсом за счет уменьшения влияния на измерения вертикальных сил, поперечного смещения колеса относительно рельса и расширения частотного диапазона измеряемых вертикальных и боковых (горизонтальных) сил, возникающих при контакте колеса с рельсом при прохождении по геометрическим, стыковым неровностям пути и волнообразным неровностям на поверхности катания рельса. Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом содержит железнодорожную колесную пару, тензометрические датчики, размещенные на внутренней и наружной стороне диска колеса по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны дисков колес и включенные в полумостовые схемы, тензометрические усилители, програмируемый контроллер, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приема сигналов и бортовым компьютером. Тензореристоры на наружной стороне диска колеса диаметрально расположены в створе с тензорезисторами на внутренней стороне, а угол α между соседними диаметрами на внутренней или наружной стороне диска колеса, на которых размещены диаметрально расположенные тензодатчики, составляет от 36° до 60° дуги окружности. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.
Наверх