Датчик силы

 

Использование: для измерения усилий, в частности, возникающих при балансировках изделий. Сущность изобретения: датчик силы содержит корпус 1, пьезоэлемент 2 с токосъемниками 3 и 4, изоляторами 5 и 6, опорными основаниями 7 и 8, толкатель 9, выполненный в виде упруго-гибкого стержня с упруго-гибкой шейкой 11 на его конце, жестко скрепленной с нагрузочным опорным основанием 7. Конус 1 имеет фланец 13 с центрирующим выступом 14 для его фиксации. Опорное основание 8 соединено с корпусом 1 упруго-податливыми растяжками 12. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках силы, основанных на применении пьезоэлементов для измерений усилий, в частности, при проведении балансировок изделий. Измерение сил дисбаланса важно в балансировочных станках, работающих в дорезонансном режиме.

Известны датчики усилия для измерения по одной или нескольким составляющим силы /1/.

Пьезоэлектрическим датчикам усилия свойственны продольный, поперечный пьезоэффекты и пьезоэффект при скалывающей нагрузке. Кварцевые пластинки могут быть вырезаны таким образом, чтобы они были чувствительны только к сжатию или скалывающему усилию, действующему в одном направлении.

Поперечный пьезоэффект используется преимущественно в датчиках давления и высокочувствительных датчиках усилия, т.к. это свойство пьезоэффекта является единственным, при котором путем выбора соответствующей формы кварцевого элемента можно оказывать влияние на чувствительность датчика. Поэтому к основному недостатку таких датчиков можно отнести специальный подбор соответствующей формы кварцевого элемента, что удорожает их производство.

Известны датчики давления, в которых вместо кристаллов кварца используют сегнетоэлектрики, представляющие собой искусственно изготовленные керамические материалы, приобретающие пьезоэлектрические свойства в результате искусственной поляризации, что позволяет изготавливать датчики любых форм /2/.

Датчики силы на основе пьезокерамики имеют на два порядка выше чувствительность по заряду по сравнению с кварцевыми и предназначаются для балансировки деталей с малыми дисбалансами. Но проблема чувствительности к поперечным колебаниям остается, что является основным недостатком этих датчиков.

Наиболее близким по технической сущности является датчик силы, содержащий корпус, пьезоэлемент с токосъемниками, изоляторами и опорными основаниями, и пружину /3/.

Основным недостатком прототипа датчика силы является также чувствительность к поперечным колебаниям, что снижает точность измерения силы дисбаланса.

Экспериментально установлено, что установка датчика силы враспор обусловливает его наибольшую поперечную чувствительность при возбуждении колебаний в осевом направлении на резонансных частотах. При этом коэффициент передачи осевой силы на датчик на резонансных частотах достигает значения десяти единиц и более, что подтверждается установкой датчика на плоскости с одной стороны и шаровую опору с другой стороны в качестве связи с узлом - жестким упором станка.

Основной задачей изобретения является создание датчика силы такой конструкции, в которой в наименьшей степени проявлялось влияние поперечных колебаний.

Цель изобретения повышение точности измерения и надежности. Поставленная задача и указанная цель изобретения достигаются за счет того, что в датчике силы, содержащем корпус, пьезоэлемент с токосъемниками, изоляторами и опорными основаниями и пружину, одно опорное основание пьезоэлемента снабжено жестко соединенным с ним толкателем, выполненным в виде упруго-гибкого стержня с упруго-гибкой шейкой на его конце со стороны этого опорного основания, закрепленного в корпусе пружиной, а другое - упруго-податливыми растяжками, соединенными с корпусом, причем корпус выполнен с фланцем и центрирующим выступом для фиксации датчика.

На фиг.1 дан общий вид датчика силы с осевым сечением, на фиг.2 сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 вид по стрелке А на фиг.1.

Датчик силы содержит корпус 1, пьезоэлемент 2 с токосъемниками 3 и 4, изоляторами 5 и 6, опорными основаниями 7 и 8, толкатель 9, закрепленный в корпусе 1 пружиной 10. Толкатель 9 выполнен в виде упруго-гибкого стержня с упруго-гибкой шейкой 11 на его конце, жестко соединенной с опорным основанием 7.

Опорное основание 8 соединено с корпусом 1 равномерно расположенным по его периметру упруго-податливыми растяжками 12. Корпус 1 выполнен с фланцем 13 и центрирующим выступом 14 для фиксации датчика. Датчик силы снабжен крышкой 15, закрепленной на корпусе 1, имеющей выводные отверстия под кабельную проводку с токосъемников 3 и 4 пьезоэлемента 2 (условно не показано). Пьезоэлемент 2 с токосъемниками 3 и 4, изоляторами 5 и 6 и опорными основаниями 7 и 8 снабжены общим для них посадочным штифтом 16.

Функционирование датчика силы заключается в следующем. Датчик силы фиксируется на балансировочном станке посредством центрирующего выступа 13 так, что колебательные усилия воспринимаются им от упруго-гибкого стержневого толкателя 9 на опорное основание 7. При снятой крышке 15 посредством затяжки упруго-податливых растяжек 12 производится тарировка пьезоэлемента 2. При включении датчика силы в работу осевые усилия передаются на опорное основание 7, изолятор 5, токосъемник 3, на пьезоэлемент 2, опертый через токосъемник 4 и изолятор 6 на опорное основание 8, скрепленное упруго-податливыми растяжками 12 с корпусом 1 датчика, поперечные колебания расходуются на преодоление энергии изгиба упруго-гибкого стержневого толкателя 9 и его упруго-гибкой шейки 11, упругой податливости растяжек 12 и упругой податливости пружин 10. Кроме того, длина стержневого толкателя 9, выбранная в пределах обеспечения упруго-гибкого изгиба без остаточных деформаций, также уменьшает как на плече рычага влияние поперечных колебаний на пьезоэлемент 2. В процессе нагружения датчика силы пьезоэлемент 2 выдает показания, характерно выраженные для сжимающих усилий.

Опытный образец датчика силы, изготовленный с использованием нового технического решения, в условиях экспериментальных исследований при балансировке показал положительные результаты и достоверность показаний.

Формула изобретения

Датчик силы, содержащий корпус, пьезоэлемент с токосъемниками, изоляторами и опорными основаниями и пружину, отличающийся тем, что одно опорное основание пьезоэлемента снабжено жестко соединенным с ним толкателем, выполненным в виде упругогибкого стержня с упругогибкой шейкой на его конце со стороны этого опорного основания, закрепленного в корпусе пружиной, а другое упругоподатливыми растяжками, соединенными с корпусом, причем корпус выполнен с фланцем и центрирующим выступом для фиксации датчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительных приборов, в частности к преобразователям незяектрических величин в электрические сигналы, и может быть использовано , например, для изготовления чувствительных элементов пьезорезисторных датчиков контактного сопротивления

Изобретение относится к области исследования массива горных пород

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерения давления и температуры одним терморезисторным преобразователем (ТП)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках силы, основанных на применении пьезоэлементов для измерения усилий, в частности, возникающих при проведении балансировок изделий

Изобретение относится к области судостроения, а именно - прочности конструкции корпусов судов ледового плавания, и касается вопросов обеспечения и повышения эксплуатационного ресурса судов арктического плавания. В предлагаемом изобретении у измерительной панели ледового давления в качестве чувствительного элемента используется пьезорезисторная молекулярная пленка, позволяющая проводить измерения с более высокой точностью, чем у тензорезисторных панелей. При измерении ледового давления вследствие высокой чувствительности и хрупкости пленки для редуцирования возникающих напряжений используется полимер-заполнитель с меньшим модулем упругости, чем у материала внешней обшивки панели. Предлагаемая измерительная панель вследствие наличия большого запаса прочности крепится к внешней стороне обшивки корпуса судна, вследствие чего отсутствуют перекрестные помехи, возникающие у тензорезисторных панелей между элементами набора. Техническим результатом является высокая точность измерений. 3 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области неразрушающих измерений давления на заданном горизонтальном уровне бетонных и кирпичных стен и фундаментов зданий и сооружений на стадии их эксплуатации. Сущность: на поверхность стены или фундамента наклеивают тензорезистор на уровне измеряемого давления вдоль направления главных сжимающих напряжений и измеряют начальное омическое сопротивление тензорезистора. В стене или фундаменте выше и ниже тензорезистора высверливают два отверстия диаметром в 3…4 раза больше ширины тензорезистора, на расстоянии в 3…4 раза больше ширины тензорезистора, глубиной 40…60 мм и измеряют ответное омическое сопротивление тензорезистора. Определяют относительную деформацию стены или фундамента и давление на заданном уровне стены или фундамента по формулам. Для мониторинга давления на стену или фундамент в каждое отверстие закладывают по два стальных полуцилиндра длиной, равной глубине отверстий, диаметром меньше диаметра отверстий на 2…3 мм. Между стальными полуцилиндрами забивают по стальному клину длиной, равной глубине отверстий, и толщиной 1…3 мм с одной стороны и 4…5 мм с другой стороны. Забиванием стальных клиньев доводят омическое сопротивление тензорезистора до величины, равной начальному омическому сопротивлению, затем фиксируют величину текущего омического сопротивления тензорезистора в любой момент времени и вычисляют изменение омического сопротивления тензорезистора, приращение деформации стены или фундамента и давление на стену или фундамент в любой момент времени. Технический результат: сохранение несущей способности стен и фундаментов; уменьшение концентрации напряжений в стенах и фундаментах; отсутствие необходимости нарушения электрической цепи тензорезисторов; возможность непрерывного мониторинга давления на стены и фундаменты; дистанционное управление измерениями. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках силы, основанных на применении пьезоэлементов для измерений усилий, в частности, при проведении балансировок изделий

Наверх