Преобразователь линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерения больших перемещений за счет сохранения линейной зависимости между перемещением и деформацией упругих частей чувствительного элемента и устранения скольжения, биений и других факторов в соединениях путем обеспечения возможности выполнения их неподвижными. В преобразователе концы чувствительного элемента неподвижно скреплены с корпусом и измерительным штоком. Чувствительный элемент представляет собой цепь чередующихся между собой упругих и неупругих частей, при этом упругие части консольно закреплены в неупругих. 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования линейных перемещений в электрический сигнал.

Известен тензорезисторный преобразователь перемещений, содержащий корпус, измерительный шток и упругий элемент для размещения тензорезисторов, соединенный системой рычагов с измерительным штоком и корпусом [1] Недостаток аналога снижение стабильности преобразования из-за наличия вращающихся соединений (биение, некруглость и пр.).

Известен преобразователь линейных перемещений объекта, содержащий корпус и тензоэлемент в виде арки, жестко закрепленной на корпусе и измерительном штоке [2] Недостаток этого аналога нелинейность характеристики преобразования из-за сложности траектории перемещения тензоэлемента и изменения длины его рабочей части в зависимости от положения объекта контроля.

Известен высокоскоростной тензорезисторный преобразователь линейных перемещений контактного типа в виде консольно закрепленной плоской пружины с тензоэлементами [3] Недостаток недопустимое увеличение габаритов при измерениях больших перемещений, потеря точности, при этом из-за изменения плеча приложения усилия. Следует отметить линейность характеристики преобразования перемещения в деформацию.

Известен преобразователь линейных перемещений, содержащий чувствительный элемент с упругими частями для тензорезисторов, соединенный с корпусом и измерительным штоком [4] Недостаток его сложная зависимость между перемещением измерительного штока и конца балки, а также наличие подвижных соединений, что обуславливает нелинейность преобразования движения измерительного штока в деформацию упругой части.

Целью изобретения является сохранение линейной зависимости между перемещением измерительного штока и деформацией упругих пластин в области больших перемещений, устранение скольжения в узлах соединения частей измерительной системы.

Для достижения цели в преобразователе линейных перемещений, содержащем корпус, установленный в нем измерительный шток и взаимодействующий с ним в процессе измерения тензорезисторный чувствительный элемент, последний выполнен в виде цепи последовательных n звеньев, где n целое число ≥ 4, каждое звено выполнено в виде жесткой планки с консольно закрепленной в ней упругой балкой, звенья неразъемно соединены между собой однотипными частями, а тензорезисторы размещены в местах максимальных деформаций упругих участков цепи.

Число звеньев зависит от величины измеряемого перемещения. Чем больше перемещение, тем больше число звеньев. Количество звеньев будет ограничиваться необходимым быстродействием и влиянием гравитационных сил, что зависит от требований практических задач. Звеном является известный элемент, а именно консольно закрепленная в жесткой планке балка в виде плоской пружины.

Сохраняются все положительные качества балки, а именно линейность характеристики, и появляется возможность измерять большие перемещения с высокой точностью. Обеспечивается возможность применения неподвижных соединений звеньев чувствительного элемента, корпуса и измерительного штока между собой, что дает высокую точность.

На фиг. 1 показан предложенный преобразователь с расположением упругих балок вдоль линии измерения, продольный разрез; на фиг. 2 то же, поперечный разрез, расположение балок обуславливает вытянутость датчика, его габаритные размеры относительно линии измерения, что диктуется требованиями потребителя; на фиг. 3 звенья преобразователя по фиг. 1; на фиг. 4 звенья по фиг. 2; на фиг. 5 расчетная схема звена преобразователя по фиг. 1.

Преобразователь содержит корпус 1 с установленным подвижно измерительным штоком 2 и чувствительный элемент из цепи чередующихся между собой упругих балок 3 и жестких планок 4. Половинки упругой балки 3 и жесткой планки 4 образуют одно звено, из которых составлен чувствительный элемент. Соединения звеньев между собой выполнены неразъемными, при этом упругая часть соединена с упругой, а неупругая с неупругой. Число таких звеньев должно быть расчетным не меньше четырех.

Измерительный шток 2 подпружинен пружиной 5 для создания постоянного измерительного усилия в диапазоне перемещений. В корпусе 1 предусмотрен также ограничитель 6 хода штока 2 в пределах упругих деформаций балок. На упругих балках 3 размещены с обеих сторон тензорезисторы 7 для их включения по схеме полного дифференциального моста (это обеспечивает компенсацию температурных условий, колебания питающего напряжения, прогиба от сил тяжести).

Механизмы формирования деформаций в упругих балках различны в зависимости от ориентации их относительно линии измерения перемещения. Так, при совпадении направлений линии измерения и длины балки (фиг. 1) деформация в балке возникает от равномоментных усилий на ее концах и равномерно распределяется по длине балки. В этом случае резисторы можно разместить в середине упругого участка цепи.

Если длинная часть балки перпендикулярна линии измерения (фиг. 2), то деформация по длине упругого участка цепи меняет знак в его середине и максимальна на концах. Следовательно, резисторы в этом случае желательно размещать ближе к местам консольных креплений упругих балок в каждом звене.

Количество звеньев и схема их соединения обеспечивают сохранение линейной связи перемещения измерительного штока с деформацией упругой части (балки). Линейная же связь деформации с перемещением в одном звене известна и видна из расчетной схемы звена, приведенной на фиг. 5, где l длина тензобалки; с длина планки; а толщина тензобалки; Θ угол поворота планки; Р измерительное усилие; Δ измеряемое перемещение.

Измеряемая деформация тензобалки ε определяется из известного выражения ε=σ_и/Е, где Е модуль упругости материала балки; σ_и Р^.с/W_x напряжение изгиба; W_x момент сопротивления балки прямоугольного сечения.

Измерительное усилие Р определяется из схемы на фиг. 5 как P где Y_x момент инерции балки.

Поскольку W_x= а Y_x= и для малых перемещений можно допустить, что перемещение Δ ≈ sinΘ , отсюда Θ , то ε ·Δ Δ·K где для конкретного типа датчика K const.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном положении при отсутствии объекта контроля шток 2 выдвинут из корпуса 1 пружиной 5 до упора 8. Упругие балки с тензорезисторами вогнуты в пределах их упругих деформаций. Объект контроля (не показан) перемещает шток 2 внутрь корпуса, прогиб упругих балок изменяется, что и регистрируется электрическим сигналом, который с помощью устройства (не показано) нормируется и регистрируется.

Таким образом, предложенное построение датчиков перемещения выгодно отличается от известных линейностью характеристики преобразования перемещения в деформацию балок, а также повышением точности за счет отсутствия скользящих и вращательных соединений.

Формула изобретения

Преобразователь линейных перемещений, содержащий корпус, установленный в нем измерительный шток и взаимодействующий с ним в процессе измерения тензорезисторный чувствительный элемент, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде цепи последовательно соединенных n звеньев, где n - целое число ≥ 4, каждое звено выполнено в виде жесткой планки с консольно закрепленной в ней упругой балкой, звенья неразъемно соединены между собой однотипными частями, а тензорезисторы размещены в местах максимальных деформаций упругих балок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5