Тензорезисторный датчик растяжения

 

Использование: высокоточные измерения растягивающих усилий малого номинала. Сущность изобретения: датчик содержит корпус, две полки, соединенные между собой вертикальной стенкой, две идентичные дополнительные вертикальные стенки и две идентичные дополнительные полки, каждая из которых выполнена с силовводящим элементом, образуют упругий элемент. Связанные с полками тензорезисторы расположены по обе стороны от вертикальной стенки. Идентичные дополнительные вертикальные стенки смещены на одинаковое расстояние от первой вертикальной стенки в одном перпендикулярном к ней направлении. Каждая из двух идентичных дополнительных полок расположена с одной из сторон первых двух полок и соединена с близлежащей с ней полкой соответствующей дополнительной вертикальной стенкой. Силовводящие элементы дополнительных полок размещены вдоль геометрической оси, расположенной между вертикальными стенками. 1 ил.

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для высокоточных измерений растягивающих усилий преимущественно малого номинала.

Известен тензорезисторный датчик силы, содержащий кольца с тензорезисторами, соединенные между собой, а также с силовводящей и опорной частями при помощи коаксиально расположенных оболочек [1].

В данной конструкции при измерении малых сил упругие элементы необходимо выполнить с большой податливостью, что ухудшает качество датчика.

Известно устройство для измерения нагрузок, в котором упругий элемент выполнен в виде двутавровой балки, между полками которой размещены проволочные тензорезисторы, а линия действия приложенной силы смещена относительно оси симметрии сечения балки [2].

Недостатком данной конструкции является смещение силовоспринимающей головки относительно оси симметрии балки и в ортогональном направлении по высоте балки при измерениях. В связи с этим точка приложения силы смещается как в вертикальном, что допустимо, так и в горизонтальном, что недопустимо, направлениях, а сама силовоспринимающая головка поворачивается относительно точки приложения силы. Связанное с этим ухудшение качества датчика по критерию нелинейности и высокий гистерезис негативно сказываются на точности измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в упругий элемент, выполненный в виде двух полок, соединенных между собой вертикальной стенкой, введены две идентичные дополнительные вертикальные стенки, смещенные на одинаковое расстояние от первой вертикальной стенки в одном перпендикулярном к ней направлении, и две идентичные дополнительные полки, каждая из которых выполнена с силовводящим элементом, расположена с одной из сторон от первых двух полок и соединена с близлежащей к ней полкой соответствующей дополнительной вертикальной стенкой, а силовводящие элементы дополнительных полок размещены вдоль геометрической оси, расположенной между вертикальными стенками.

Конструкция датчика представлена на чертеже, где упругий элемент, будучи цельным, состоит из следующих условно-составных частей: вертикальной стенки 1, сопряженной с полками 2, которые в свою очередь сопрягаются с дополнительными вертикальными стенками 3 упругих рычагов, при этом с дополнительными стенками 3 соединены дополнительные полки 4 с силовводящими элементами датчика 5. Тензорезисторы 6 и 7 с предварительным натягом размещены на изолированных штифтах 8 основных полок 2. Корпус 9 датчика сопряжен с одной из силовводящих частей упругого элемента. От внешней среды рабочая зона тензорезисторов герметизируется мембраной 10 при помощи колец 11 и 12.

Работает датчик следующим образом. Под действием измеряемой силы F и ввиду смещения линии ее действия по отношению к оси симметрии вертикальной стенки 1 на величину l₁ последняя изгибается, что обеспечивает приращение деформаций сжатия тензорезисторов 6 и деформаций растяжения тензорезисторов 7, включенных в мостовую измерительную схему. При этом, ввиду смещения линии действия измеряемой силы относительно дополнительных вертикальных стенок 3 на величину l₂, полки 2 поворачиваются на углы ϕ_Ai, i=1,2 и точки их сопряжения с дополнительными вертикальными стенками 3 смещаются в горизонтальном направлении на величину δA_i. Одновременно изгибаются дополнительные вертикальные стенки 3, что обуславливает поворот дополнительных полок 4 относительно основных полок 2 на углы ϕ_Bi и смещение силовводящих элементов 5 датчика относительно точек A_i на величину δB_i. При ϕA_i=-ϕ B_i и δA_i=- δB_i обеспечивается постоянство изгибающего плеча l₁, что уменьшает нелинейность датчика, а поступательное движение силовоспринимающих элементов 5 без поворота относительно линии действия измеряемой силы устраняет возникновение дополнительных силовых факторов, что снижает гистерезис датчика. Устранение нелинейности и гистерезиса датчика обеспечивает высокую точность измерений.

Формула изобретения

ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК РАСТЯЖЕНИЯ, содержащий корпус, упругий элемент, выполненный в виде двух полок, соединенных между собой вертикальной стенкой, и связанные с полками тензорезисторы, расположенные по обе стороны от вертикальной стенки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения погрешностей от нелинейности и гистерезиса, в упругий элемент введены две идентичные дополнительные вертикальные стенки, смещенные на одинаковое расстояние от первой вертикальной стенки в одном перпендикулярном к ней направлении, и две идентичные дополнительные полки, каждая из которых выполнена с силовводящим элементом, расположена с одной из сторон от первых двух полок и соединена с близлежащей к ней полкой соответствующей дополнительной вертикальной стенкой, а силовводящие элементы дополнительных полок размещены вдоль геометрической оси, расположенной между вертикальными стенками.

РИСУНКИ

Рисунок 1