Механотронный преобразователь

 

Использование: измерение усилий и перемещений . Сущность изобретения: концы внешнего и внутреннего отрезков управляющего стержня выполнены в виде усеченных конусов, меньшие основания которых жестко соединены с центром мембраны, внутренний контур которой жёстко соединён с фланцем, Отношение диаметра отверстия упорного кольца к диаметру мембраны выбрано в пределах 0,7-0,8. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 1. 1/14

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4893145/10 (22) 21,12.90 (46) 30.01.93. Бюл. № 4 (71) Объединение "Московский электроламповый завод" (72) Г,С.Берлин, К.Ю.Богданов, Б.И.Вагин, С.И,Захаров, Н.А.Колоскова и Г,Н.Карпенко (56) Берлин Г.С. Механотроны. М,; Радио и связь, 984, с. 92 — 94.

Авторское свидетельство СССР № 821967, кл, G 01 В 7/00, G 01 1 1/14, 1981.

Авторское свидетельство СССР

¹ 205965, кл, G 01 1 1/14, 1968.

Изобретение относится к механически управляемым электронным приборам — механотронным преобразователям (механотронам), и редназначен н ы м для измерения усилий.

Известны механотронные преобразователи усилий и перемещений, содержащие систему электродов, расположенную в вакуумированном баллоне, гибкую мембрану, являющуюся частью баллона, в которую BBGрен или впаян управляющий стержень, образующий с мембраной гибкое сочленение, на внутреннем конце стержня закреплены подвижные электроды механотрона, а внешняя часть стержня образует штырь механотрона, на,.который подается контролируемый механический сигнзл (усилие или перемещение), Недостатком известнь х механотронных преобразователей усилий и перемещений является то, что примененное в них гибкое сочленение мембрана с управляющим стержнем (кинематическая система

БЦ,, 1791732 А1 (54) МЕХАНОТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Использование: измерение усилий и перемещений, Сущность изобретения; концы внешнего и внутреннего отрезков управляющего стержня выполнены в виде усеченных конусов, меньшие основания которых жестко соединены с центром мембраны, внутренний контур которой жестко соединен с фланцем, Отношение диаметра отверстйя упорного кольца к диаметру мембраны выбрано в пределах 0,7 — 0,8, 4 ил. мембрана-стержень) является равножестким при любых перемещениях стержня, а следовательно, чувствительность к усилиям этой системы при перемещении стержня в рабочем направлении и ее чувствительность к усилиям при перемещении в направлении, перпендикулярном рабочему направлению, одинаковы, Это приводит к появлению па разитных сигналов на выходе механотрона при неконтролируемых смещениях стержня внерабочем направлении,,что снижает точность измерения усилий, Известен механотронный преббразователь (прототип), содержащий гибкое сочленение мембраны с управляющим стержнем, состоящим из внешнего и внутреннего отрезков, и баллон, соединенный с мембраной посредством фланца, и расположенную параллельно плоскости мембраны натянутую струну, концы которой скреплены с фланцем, а середина — с внешним отрезком стержня (штырем). Йатянутая струна резко снижает чувствительность к усилиям систем

ilk

1791732 мембрана-стержень в нерабочем направлении перемещения штыря, практически не изменяя значение этой чувствительности при перемещении штыря в рабочем направлении. 5

Основным недостатком данного механотрона-прототипа является его низкая выходная чувствительность по току (или по напряжению) к усилиям, что обусловлено ограниченнымй возможностями повыше- 10 ния чувствител ностй его кинематияеской системы, а такх<е близкой стабильностью выходного сигйала. Это не позволяет использовать известный преобразователь для измерения сверхмалых усилий порядка 106- 15

10 Н.

Как известно, формула для определения чувствительности кинематической системы мембрана-стержень механотрона имеет вид; 20

12 1— х . (1) где сто — чувствительность по перемещению к силам, мкм/сН; а — перемещение конца штыря меха- 30 нотрона, мкм, от воздействия на него усилия F, сН; и -длина штыря механотрона, мм;

k = D /<1ц — отношение диаметра мембраны

DM к диаметру жесткого центра d„, образованного в месте соединения мембраны со 35 стержнем (обычно диаметр бц равен диа-. метру стержня б,); h — толщина материала мембраны, мкм; Е и p — модуль упругости и коэффициент Пуассона материала мембраны; P — коэффициент, учитывающий дейст- 40 вие атмосферного давления на мембрану и равный для тонких эластичных мембран

0,4.

Из технологических соображений в качестве материала мембран механотранов 45 используется сплав ковар или нержавеющая сталь, для которых значения Е соответственно равны 1,4 ° 10 Н/м и 2 10 Н/м

11 и значение р равно 0,3.

Из формулы (1) следует, что увеличение 50 чувствительности ор можно получить эа счет уменьшения толщины h материала мембраны, увеличения длины и штыря, а также за счет увеличения диаметра мембраны D>< и уменьшения диаметра жесткого 55 центра <1ц.

В реальных конструкциях механотронов уменьшение толщины мембраны ограничено значениями 50-60 мкм, так как дальнейшее уменьшение толщины h мох<ет привести к диффузии воздуха иэ атмосферы через мембрану внутрь вакуумированного баллона, то есть к его разгерметизации и выходу из строя механотрона. Увеличение и и DM ограничено габаритными размерами механотронов, Уменьшение бц, которое в известных конструкциях механотронов равно диаметру управляющего стержня бц (дц = d ). ограничено значениями 1 — 1,2 мм, Дальнейшее уменьшение бц = d в этих конструкциях связано с недопустимым уменьшением жесткости управляющего стержня механотрона.

В связи с вышеизложенным во всех известных конструкциях механотронов значение crF не удается получить более 100 мкм/сН, что в конечном итоге ограничивает воэможности повышения чувствительности механотрона по току (или по напряжению) к силам и не позволяет применять его для измерения сверхмалых усилий (например, порядка 10 б — 10 Н).

Другим недостатком механотрона-прототипа при измерении им сверхмалых усилий является низкая стабильность выходного сигнала, что обусловлено неконтролируемыми изменениями механических ,напряжений в месте соединения мембраны с фланцем от воздействия внешних факторов (колебания атмосферного давления и температуры окружающей среды), которые приводят к изменению геометрии и короблению тонкой эластичной мембраны и, в конечном итоге, к нестабильности показаний механотрона. Таким образом, этот недостаток также препятствует повышению выходной чувствительности механотрона к силам до уровня, необходимого для стабильного измерения сверхмалых усилий, Целью изобретения является повышение чувствительности к силам механотронного преобразователя, Цель достигается за счет того, что механотронный преобразователь, содержащий гибкое сочленение мембраны с управляющим стержнем, состоящим иэ внешнего и внутреннего отрезков, стеклянный баллон, жестко соединенный фланцем с мембраной, параллельно плоскости которой расположена струна, концы которой скреплены с фланцем механотрона, а середина — с внешним отрезком управляющего стержня, он снабжен упорным кольцом, концы внешнего и внутреннего отрезков управляющего стержня выполнены в форме усеченных конусов, меньшие основания которых жестко соединены с центром мембраны, внутренний контур которой поджат к упорному кольцу, 1791732 жестко соединенному с фланцем, при этом отношение диаметра отверстия упорного кольца к диаметру мембраны выбрано в пределах 0,7-0,8.

Повышение чувствительности к силам в предлагаемой конструкции механотрона обеспечивается путем повышения чувствительности к силам его кинематической системы и повышения стабильности его выходного сигнала, что позволяет реализовать достигнутую высокую чувствительность при измерении сверхмалых усилий, При этом повышение чувствительности к силам в предлагаемой конструкции механотрона по сравнению с прототипом достигается за счет уменьшения диаметра

- жесткого центра мембраны. который образован путем соединения меньших по диаметру оснований усеченных конусов, расположенных на концах соединяемых частей управляющего стержня, Диаметр жесткого центра в предлагаемом механотроне может быть сделан в несколько раэ меньше диаметра стержня, причем удается сохранить механическую жесткость и прочность последнего достаточно высокой, Повышение стабильности показаний предлагаемого механотрона при измерении им сверхмалых усилий достигается за счет фиксирования контура мембраны в месте соединения ее с фланцем благодаря применению упорного кольца, к которому мембрана плотно прижимается атмосферным давлением. При этом удается снизить влияние флуктуаций механических напряжений в месте соединения мембраны с фланцем, являющихся следствием колебаний атмосферного давления, температуры окружающей среды и других внешних факторов, на геометрическое положение мембраны и избежать ее коробления.

На фиг,1 схематически представлен предлагаемый механотрон (продольный разрез); на фиг,2 — вид на механотрон по стрелке А; на фиг.3 — экспериментальные зависимости чувствительности кинематической системы механотрона от отношения диаметра мембраны толщиной 50 мкм к диаметру жесткого центра; на фиг.4 — экспериментальные зависимости указанной чувствительности от отйошения диаметра отверстия "в упорном кольце к диаметру мембраны для двух значений отношений диаметра мембраны к диаметру жесткого центра при толщине мембраны 50 мкм, Механотрон (фиг,1) представляет собой сдвоенный диод с общим подогревным катодом 1 (подогреватель 2) и двумя анодами

3 и 4, расположенными по обе стороны катода, При этом катод с подогревателем и анод 3 жестко соединены со стеклянным баллоном 5 и являются неподвижнымйэлектродами механотрона. Подвижный анод 4 соединен посредством держателя 6 с внутренним отрезком 7 управляющего стержня.

Конец отрезка 7 выполнен в форме усеченного конуса, меньшее основание которого диаметром бц соединено с мембраной 8.

Тонкая эластичная мембрана 8 имеет чашеобразную форму; по сечению Х вЂ” Х ролико10 вой электросваркой она сварена с металлическим фланцем 9, который "герметично прйпаян к стеклянному баллону 5., При этом-мембрана является частью вакуумированной оболочки механотрона, К цент15 ру мембраны с внешней стороны прикреплен внешний отрезок 10 управляющего стержня (штырь механотрона). Конец этого отрезка, обращенный к мембране; так же как и конец внутреннего отрезка 7, вы20 полнен в форме усеченного конуса, меньшее основание которого диаметром дц непосредственно связано с мембраной. Соединение отрезков 7 и 10 с мембраной 8 обычно производится методом стыковой электросварки. В месте сварки мембраны с

25 отрезками 7 и 10 образуется жесткий центр диаметром бц, причем этот диаметр бц меньше диаметра dc отрезков стержня. Контур мембраны в месте соединения ее с фланцем за счет действия внешнего (атмосферного) 30 давления плотно прижат к упорному кольцу

11 с отверстием диаметром 0к.

В механотроне применена плоскопэперемещению подвижного анода обеспечивается при рабочем перемещении управляющего стержня в плоскости, 40 перпендикулярной плоскости электродов.

При этом механотрон снабжен натянутой струной 12 (фиг.2), расположенной Ъ плоскости, параллельной плоскостям электродов, и соединенной с фланцем и штырем механотрона. Струна резко повышает жесткость кинематйческой системы механотрона при перемещении штыря в направлении, перпендикулярном рабочему перемещению последнего, и снижает чувствительность

50 механотрона к паразитным механическим воздействиям на его штырь. Электроды механотрона соединены с выводами 13 его цоколя, причем вывод подвижного анода производится при помощи тибкой эластичной контактной пружинки 14, При подаче измеряемого усилия F на штырь 10 механотрона конец штыря пере55 мещается на величину а(фиг.1). Одновременно за счет асимметричного изгиба мембраны 8 внутри баллона 5 происходит

35 раллельная система электродов, максимальная чувствительность которой по току к

1791732 перемещение подвижного анода 4. При этом ток анода 4 изменяется, а на выходе механотрона, включенного в мостовую измерительную схему, появляется напряжение разбаланса моста — выходной сигнал

U8blx> пропорциональный измеряемому усилию F и определяемый из соотношения (1): фу

u-- „„, (2)

2, 2 к1. . R> где ф — чувствительность электродной системы по току к перемещению подвижного анода; OF — чувствительность кинематической системы мембрана-стержень, R>, RI, R> — соответственно сопротивление анодных нагрузок механотрона, вйутреннее сопротивление его диодов и внутреннее сопротивление измерительного прибора мостовой схемы.

Выходная чувствительность по напряжению к усилию определяется как:

1 живых

Ф язых F (3)

Из (2) и (3) следует, что при прочих равных условиях, чем больше о, тем больше значение 0«х, а следовательно, и значение выходной чувствительности по напряжению к усилию механотрона.

Чувствительность ог можно повысить путем увеличения отношения диаметра мембраны к диаметру жесткого центра

{фиг.3).

В существующих конструкциях механотронов с мембраной минимальной толщины 50 мкм отношение Ом/бц составляет

5-6, à OF не превышает 100 мкм/сН. В этих механотронах дальнейшее увеличение отношения DM/сыч с целью повышения or- ограничено габаритными и конструктивными соображениями.

В реальных образцах механотранов предлагаемой конструкции с идентичной мембраной за счет уменьшения диаметра жесткого центра удается повысить отношение D

op — до 450 мкмlсН. При этом в 3-5 раз обеспечивается повышение выходной чувствительности по напряжению к усилию механотрона, что позволяет его использовать для ийм еения.сверхмалых усилий порядка

10 -10 Н.

Стабильность показаний механотрона при измерении столь малых усилий обеспечивается упорным кольцом 11, к которому плотно прижата своим контуром мембрана

8. Это прижатие создается за счет действия атмосферного давления на эластичную мембрану, которое продавливает ее внутрь ва10 куумированного баллона. Рабочий контур мембраны фиксируется по крас отверстия кольца 11. Оптимальное значение отношения диаметра Р» отверстия кольца к диамет.ру DM мембраны установлено экспериментально и должно лежать в пределах 0,7-0,8. При значениях D»/DM> 0,8 поверхность контакта края мембраны с кольцом очень мала, что не может обеспечить надежной фиксации положения мембраны при работе механотрона в условиях .колебаний атмосферного давления и температуры окружающей среды. При значениях

D»/DM < 0,7, как видно из фиг.4, наблюда15 ется существенное уменьшение чувствительности. <тр из-за уменьшения рабочей поверхности мембраны, ограниченной краем отверстия кольца.

Как показали проведенные испытания

20 экспериментальных образцов механотронов предло>кенной конструкции, содержащих мембрану диаметром 7,2 мм и толщиной 50 мкм, управляющий стержень диаметром 1,1 мм и длиной штыря 30 мм, 25 при отношении D»/D = 0,8 и диаметре жесткого центра бц = 0,35 — 0,6 мм обеспечива- . ется высокая чувствительность OF порядка

300 450 мкм/сН при высокой стабильности выходного сигнала механотрона к воздейст30 вию факторов окружающей среды.

В серийных механотронах типа 6МХ1Б, использующих идентичные мембраны со штырем dc = 1,1 мм,.чувствительность oF составляет 50-70 мкм/сН при существен35 но более низкой стабйльности.

Экспериментальные исследования показали, что чувствительность к изменению давления окружающей среды механотрона с упорным кольцом составляет всего 10 -5 10

40 сН/мм рт.ст„в то время как у механотрона

6МХ1 Б (без упорного кольца) эта чувствительность в несколько раз выше и составляет (2 — 6).10 сН/мм рт.ст.

Таким образом, в механотронах предло45 женной конструкции чувствительность увеличена в 3 — 5 раз по сравнению с серийными механотронами.

--- "Высокая чувствительность предложенного механотронного преобразователя уси50 лий может быть практически реализована при измерении сверхмалых усилий благодаря высокой стабильности его выходного сигнала.

Предлагаемый механотрон найдет ши55 рокое применение для измерения сверхмалых усилий в различных областях техники, в том числе для взвешивания миниатюрных тел и микрочастиц (например, для взвешивания зерен в процессе сепарации зерен

1791732

10 зерновых культур), для седиментацион ного анализа жидкостей, в микротвердомерах, при проведении тонких биологических экспериментов (например, при исследовании сократительной активности одиночных клеток миокарда живых организмов) и др.

Формула изобретения

Механотронный преобразователь, содержащий гибкое сочленение мембраны с управляющим стержнем, состоящим из вНешнего и внутреннего отрезков, стеклянный баллон, жестко соединенный фланцем с мембраной, параллельно плоскости которой расположена втулка, концы которой скреплены с фланцем механотрона, а середина — с внешним отрезком управляющего стержня, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он

5 снабжен упорным кольцом, концы внешнего и внутреннего отрезков управляющего стержня выполнены в форме усеченных конусов, меньшие основания которых жестко соединены с центром мембраны, внутрен10 ний контур которой поджат к упорному кольцу, жестко соединенному с фланцем, при этом отношение цилиндра отверстия упорного кольца к диаметру мембраны выбрано в пределах 0,7-0,8, 1791732

8 10 12 Я Я fa И

Фиг, У р ок

Фиг. Ф

Составитель Г.Берлин

Техред M,Ìoðãåíòàë

Редактор О.Ходакова

Корректор Н.Кешеля

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 148 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5