Датчик силы

 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в электронных весах, динамометрах и других измерительных устройствах с датчиком силы. Датчик силы содержит корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, в которой размещена упругая балка с пьезопластинами, и генератор. Поперечная полость корпуса выполнена из центрального и двух пересекающих его симметрично расположенных сквозных боковых отверстий, диаметр которых больше диаметра отверстия. В центральном отверстии вертикально расположена упругая балка. Она имеет сегментальные выемки, образованные отверстиями, и сквозное отверстие. Пьезоэлементы на балке расположены под углом 45^o к продольной оси корпуса, а точка пересечения их осей совпадает с центром отверстия. Боковые отверстия с верхней и нижней гранями корпуса образуют упругие шарниры. Весовая платформа на корпусе датчика закрепляется в отверстии. Датчик прост по конструкции и обладает высокой технологичностью. 1 ил.

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в электронных весах, динамометрах и других измерительных устройствах с датчиком силы.

Известны датчики силы, содержащие корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, выполненной в виде двух сквозных отверстий, соединенных между собой пазом, и чувствительные элементы, закрепленные на верхней и нижней гранях корпуса в зоне упругих шарниров [1, 2, 3].

Недостатком указанных датчиков является то, что чувствительные элементы закреплены в наиболее напряженных местах датчика и подвержены при его нагружении не только растяжению и сжатию, но и изгибу, который оказывает паразитное влияние на работу датчика.

Известен также датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке с продольными дугообразными выемками на ее поверхности, образующими упругие шарниры, размещенную в полости горизонтальную балку прямоугольного сечения со сквозным отверстием, на верхней грани которой закреплены чувствительные элементы [4].

В этом датчике чувствительные элементы, расположенные на упругой балке, в меньшей степени подвержены изгибу. Однако его паразитное влияние на работу датчика не устранено. Кроме того, датчик сложен по конструкции, обладает невысокой технологичностью.

Наиболее близким по технической сущности является датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, в которой размещена упругая балка прямоугольного сечения со сквозным отверстием, на боковых поверхностях которой закреплены чувствительные элементы в виде двух пьезопластин прямоугольной формы, оси которых взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45^o к продольной оси корпуса, а точка пересечения этих осей совпадает с центром сквозного отверстия; генератор, соединенный с электродами пьезопластин [5].

На поверхности полости этого датчика для образования упругих шарниров также выполнены четыре продольные дугообразные выемки. Пьезоэлементы, расположенные на боковых стенках упругой балки, подвержены только растяжению и сжатию. Однако ближайший аналог имеет сложную конструкцию и обладает невысокой технологичностью.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является упрощение конструкции и повышение технологичности.

Указанный результат достигается тем, что датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, в которой размещена упругая балка прямоугольного сечения со сквозным отверстием, на боковых поверхностях которой закреплены чувствительные элементы в виде двух пьезопластин прямоугольной формы, оси которых взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45^o к продольной оси корпуса, а точка пересечения этих осей совпадает с центром сквозного отверстия; генератор, соединенный с электродами пьезопластин, полость выполнена в виде трех параллельно расположенных по середине боковой стенки круглых отверстий - одного центрального и двух пересекающих его и упругую балку симметрично расположенных сквозных боковых отверстий, образующих упругие шарниры и выполненных с диаметром большим, чем диаметр центрального отверстия, а в последнем упругая балка расположена вертикально и имеет в поперечных стенках сегментальные выемки, образованные боковыми отверстиями.

На чертеже изображен датчик силы, общий вид. Датчик содержит корпус 1, чувствительные элементы 2 и генератор (на чертеже не показан).

Корпус 1 выполнен в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, которая выполнена в виде трех параллельно расположенных по середине боковой стенки круглых отверстий; одного центрального 3 и двух пересекающих его и симметрично расположенных сквозных боковых отверстий 4 с диаметром большим, чем диаметр центрального отверстия 3. В центральном отверстии 3 размещена вертикально расположенная упругая балка 5, выполненная за одно целое с корпусом 1. Поперечные стенки балки 5 имеют сегментальные выемки 6, образованные пересекающими балку боковыми отверстиями 4. Балка 5 прямоугольного сечения имеет сквозное отверстие 7. На ее боковых поверхностях закреплены чувствительные элементы 2 в виде двух пьезопластин прямоугольной формы, оси которых взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45^o к продольной оси корпуса. Точка пересечения осей пьезопластин 2 совпадает с центром сквозного отверстия 7 упругой балки 5. Электроды пьезопластин 2 соединены с генератором. Симметрично расположенные боковые отверстия 4 между верхней и нижней гранями корпуса образуют упругие шарниры 8, 9, 10, 11. Корпус 1 выполнен с отверстием 12 для закрепления в нем весовой платформы и отверстием (на чертеже не показано) для закрепления его на основании.

Датчик работает следующим образом.

Под действием измеряемой силы (веса) F на упругий корпус 1 на боковых поверхностях деформируемой балки 5 возникают напряжения растяжения и сжатия, ориентированные вдоль соответствующих диагоналей балки. Пьезоэлементы 2 воспринимают напряжения: один растяжения, другой сжатия. При этом изменяются их резонансные частоты с разными знаками. При изменении резонансных частот пьезоэлементов соответственно изменяются частоты, генерируемые возбуждающими пьезоэлементы генераторами. Далее блок вычитания частот (на чертеже не показан) выдает разностную частоту, являющуюся функцией измеряемого усилия (веса).

Предлагаемый датчик по сравнению с прототипом имеет более простую конструкцию и обладает более высокой технологичностью, так как в нем упругие шарниры образованы только двумя сверлениями боковых отверстий 4, а упругая балка за счет ее вертикального расположения - упомянутыми сверлениями и сверлениями центрального отверстия 3.

Кроме того, неточность изготовления толщины упругих шарниров 8, 9, 10, 11 в данном датчике в меньшей степени сказывается на балансировке его в продольной плоскости. При этой балансировке в зависимости от направления продольного дисбаланса подпиливают шарниры 8, 9 или 10, 11 и фактически добиваются равенства суммарных толщин указанных пар шарниров. В процессе изготовления данного датчика независимо от смещения боковых отверстий 4 относительно продольной оси упомянутая толщина шарниров остается постоянной, в связи с чем предлагаемый датчик оказывается практически отбалансированным в продольной плоскости (погрешность будет определяться только очень малыми величинами непараллельности верхней и нижней граней датчика и отличия диаметров боковых отверстий).

Корпус датчика изготовлен из относительно дешевой обычной конструкционной стали, которая легко обрабатывается, что приводит к общему снижению затрат на изготовление.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 1649314, G 01 L 1/22, 1986.

2. Патент США N 2866059, НКИ 338-5, 1958.

3. Заявка ФРГ N 2900614, C 01 L 1/22, 1979.

4. Патент США N 4107985, НКИ 73-141А, 1978.

5. Патент РФ N 2014579, G 01 L 1/22, публ. 1994.

Формула изобретения

Датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, в которой размещена упругая балка прямоугольного сечения со сквозным отверстием, на боковых поверхностях которой закреплены чувствительные элементы в виде двух пьезопластин прямоугольной формы, оси которых взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45^o к продольной оси корпуса, а точка пересечения этих осей совпадает с центром сквозного отверстия, а также генератор, соединенный с электродами пьезопластин, отличающийся тем, что полость выполнена в виде трех расположенных по середине боковой стенки параллельных круглых отверстий - одного центрального и двух пересекающих его и упругую балку симметрично расположенных сквозных боковых отверстий, выполненных с диаметром, большим диаметра центрального отверстия, в котором упругая балка расположена вертикально и имеет в поперечных стенках сегментальные выемки, образованные боковыми отверстиями, при этом боковые отверстия между верхней и нижней гранями корпуса образуют упругие шарниры.

РИСУНКИ

Рисунок 1