Многокомпонентный датчик силы
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)л G 01 1. 1/22
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Х АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4896680/10 (22) 25.12.90 (46) 07.10.92. Бюл. N 37 (71) Киевский политехнический институт им,50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Ю.Б.Глушенко, А.К,Никитин, С.В.Гилевич и И.Б,Глушенко (56 ) Заявка Франции N 7440093, кл. G 01 L5/13, 1974.
Патент США N. 4094192, кл. G 01 1 1/22, 1978, (54) МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ (57) Использование: измерительная техника, для определения модуля и координат
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения механических величин электрическими методами и может быть использовано, в частности, для определения модуля и коорди- нат линии действия вектора тяги ЖРД при стендовых испытаниях.
Известна конструкция стенда, в котром для измерения параметров вектора тяги
ЖРД использованы тензорезисторные датчики силы (1).
Однако конструкция используемых датчиков позволяет измерять лишь одну составляющую вектора тяги, Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для измерения шести компонент вектора силы, произвольно направленного в пространстве (2). Датчик состоит иэ двух расположенных друг под другом колец, соединенных между собой тремя перемыч5U 1767367А1 линии действия вектора тяги ЭРД при стендовых испытаниях. Сущность изобретения: датчик содержит два соосных жестких кольца, соединенных тремя перемычками, размещенными равномерно по периметру.
Поперечное сечение каждой перемычки выполнено в виде поворотно-симметричного кольца, а на внутренней и внешней поверхностях каждой перемычки размещено по одному тенэорезистору растяжения-сжатия.
Угол между продольной осью перемычки и главной осью каждого из тензорезисторов выбирается из соотношения, обеспечивающего выравнивание жесткостей перемычек.
1 табл., 2 ил. ками с прямоугольной формой поперечного сечения. Оба кольца и перемычки изготовлены как одно целое. Причем, момент инерции поперечного сечения перемычкиотносительно его главной центральной оси радиального направления больше, чем момент инерции поперечного сечения перемычки относительно его главйой центральной оси, направленной по каса- (л) тельной к кольцам, На внутренней и на 0 внешней поверхностях двух перемычек распоЛожены тензорезисторы растяжения сжатия, а на внутренней и на внешней
) поверхностях третьей перемычки — тензорезисторы, измеряющие деформацию сдвига, при этом "сдвиговые" тензорезисторы образуют мостовую измерительную схему. Выходные сиг нал ы "с те нзорез"иС то ров поступают" на "вход йредварительного преобразователя, выход которого соединен со входом процессоора, На выходе процессо1767367
35
К16
45 соз(и (— ))
2л
n r, 55 ра формируется информация о параметрах прикладываемого вектора силы. Однако, вследствие различных моментов инерции поперечных сечений перемычки относительно его главных центральных осей, чувствительность датчика к крутящему моменту будет меньше чувствительности датчика к любой из остальных пяти измеряемым силовым компонентам. Кроме того, "сдвиговые" тейзорезисторы включены в мостовую схему, что обуславливает использование компенсационных (дополнительных) тензорезисторов, в то время как для датчика достаточно использования 6 тензорезисторов.
Целью изобретения является повышение чувствительности и экономичности датчика.
Поставленная цель достигается тем, что в датчике, состоящем из двух расположенных друг над другом колец, соединенных между собой расположенными по периметру на одинаковом расстянии друг от друга как минимум тремя перемычками, на внутренней и на внешней поверхностях которых размещены тензорезисторы, поперечное сечение каждой перемычки представляет собой поворотно-симметричное кольцо, у которого главный порядок его поворотной симметрии равен бесконечности. а на внутренней и на внешней поверхностях каждой перемычки размещено, как минимум, по одному тензорезистору растяжения-сжатия, причем вертикальная ось перемычки образует с главной осью каждого из двух наклеенных на нее тензорезисторов угол
= < рттжт; где и — коэффифициент Пуассона материала упруго элемента датчика.
На фиг,1 схематично изображен предлагаемый датчик, общий вид; на фиг,2 и 3— перемычка с размещенными на ней тензорезисторами, Датчик работает следующим образом.
Действие на датчик произвольно направленного в пространстве вектора силы F в общем случае эквивалентно действию «шести силовых компонент: трех сил Fx, Fy, Fz u трех моментов сил Мх, My, Mz. результирующая действия на перемычки векторов Fx, Fy и Mz есть вектор Fp, линия действия которого лежит в горизонтальной плоскости, а направление линии действия в общем случае произвольно и определяется параметрами векторов Fx, Fy u Mz. Чувствительность датчика к любой произвольно направленной горизонтальной силовой компоненте будет одинакова в том случае, если момент сопро5
25 тивления поперечного сечения перемычек относительно любой произвольно направленной горизонтальной оси будет одинаков.
Этим свойством обладают поворотно-симметричные фигуры, у которых главный порядок поворотной симметрии равен бесконечности. К таким фигурам относится и кольцо. Следовател ь но, чувствител ьность датчика, выполненного с кольцевой формой поперечного сечения перемычек, будет одинакова к любой произвольно направленной силовой компоненте. Кроме того, после наклейки тензорезисторов, вследствие их различной жесткости и погрешностей изготовления перемычек, чувствительности перемычек будут различны. Следовательно, уровни выходных сигналов измерительных каналов будут различны, что приведет к усложнению вторичной аппаратуры и снижению точности измерения. Для того чтобы устранить эти недостатки, необходимо выровнять и жесткости перемычек. С этой целью в предлагаемой конструкции у перемычек, обладающих большей жесткостью, возможно с помощью разверток уменьшить площадь поперечного сечения и тем самым
"выравнять" жесткости всех перемычек.
Силовую нагрузку, действующую на каждую перемычку, можно представить следующим образом (жесткость всех перемычек одинакова):см.табл.
1 где K» = Кгг = Кзз = —, п
К4г =
= К51 =; К66
I -. х
2 24 ° n n° . а (1+0)
lp
x —;
lz зiп(n (I -1))
I K26i = п г К34
1 г<, cos ((i — 1)) I К35
1 г sin ((I — 1) ) I K461 2 . cos((i — 1));
I 2л
1К66 2 . sin((! — 1)), I 2x
1767367 и — количество перемычек; го — радиус колец; ! р — полярный момент инерции перемычки относительно ее вертикальной оси;
Iz — осевой момент инерции перемычки относительно оси i;
I — высота перемычки.
Для определения шести неизвестных силовых компонент необходимо и достаточно располагать шестью независимыми уравнениями вида
Ussixj = fj (Fx Fy, Fz Мх, Му, Mz), где Usbixj изменение выходного напряжения j-ro тензорезистора под воздействием
Fx Fy, Е, Мх, Му, Mz
Как видно из таблицы, для того чтобы получить необходимое количество уравнений требуемого вида, достаточно на каждой перемычке измерить относительные деформации, вызванные вертикальной и горизонтальными силовыми компонентами, С этой целью на каждой из трех перемычек необходимо разместить, как минимум, два не связанных друг с другом рабочих тензорезистора растяжения-сжатия. . Тензорезистор будет чувствителен только к вертикальным силовым компонентам в том случае, если его главная ось параллельна вертикальной оси перемычки.
Тензорезистор будет чувствителен только к горизонтальным силовым компонентам в том случае, если его главная ось образует с вертикальной осью перемычки угол, равны1
45, Угол, при котором чувствительность тензорезистора к вертикальным и горизонтальным силовым компонентам будет одинакова, определяется из условия
fr в, где F, e> — относительные деформации тензорезистора при воздействии соответственно горизонтальных и вертикальных силовых компонент.
Откуда
0 — (cosà —,и я па) =
< (1 +,и ) (cos (< — а ) — sin (< — а ) ), где (7 — напряжение в материале перемычки;
Š— модуль упругости материала перемычки (см. Проектирование датчиков для измерения механических величин/Под ред, 5 Е.П.Осадчего, — М.: Машиностроение, 1979, С. 75 — 76; Сопротивление материалов/Под ред. Г.В,Писаренко. — К.; ища школа, 1986, с.215 — 217).
После несложных преобразований пол10 учим =""И чт тт1
p + +р
Технология изготовления предлагаемо15 го датчика практически не отличается от общеизвестной технологии изготовления тензорезисторных датчиков силы (см., например, Проектирование датчиков для измерения механических величин/Под ред, 20 Е.П.Осадчего. — М.: Машиностроение, 1979, с, 150 — 178), а выбор материала упругого элемента, тензорезисторов и связующего производится на оСновании требований технического задания;
25 Формула изобретения
Многокомпонентный датчик силы, содержащий два соосно расположенных жестких кольца, соединенных между собой размещенными равномерно по периметру
30 по крайней мере тремя перемычками, на внутренней и внешней поверхностях которых размещены тензорезистры, о т л и ч а юшийся . тем, что, с целью упрощения датчика за счет уменьшения количества ра35 бочих тензореэисторов и увеличения чувствительности, поперечное сечение каждой перемычки выполнено в виде поворотносимметричного кольца, на внутренней и внешней поверхностях каждой перемычки
40 размещено по крайней мере по одному тензорезистору растяжения сжатия, при этом угол а между продольной осью перемычки и главной осью каждого из двух размещенных на ней тензорезисторов выбран из со45 отношения где,п- коэффициент пуассона материала
50 упругого элемента.
1767367
К с.
Е1.! (A г л с ь".
Редактор А.Бер
Заказ 3542 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственногс комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113 Производственно-изд: тельский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Составитель Ю.Глушенко Техред М. Моргентал с.:хi3 Корректор M.Êåðåöìàí
