Датчик контактного давления и способ его изготовления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для замеров усилий и давлений в машиностроении и в других областях народного хозяйства. Сущность изобретения: датчик контактного давления содержит корпус с круглой мембраной, выполненной из металла, прочностные параметры которого повышаются при термообработке. Мембрана жестко соединена по всему периметру с корпусом. В центре мембраны со стороны прилагаемых нагрузок выполнена впадина, имеющая криволинейную форму, соответствующую форме поверхности, контактирующей с датчиком, и имеющая такую площадь, при которой при максимальной нагрузке на датчик напряжения изгиба и среза мембраны не выше допускаемых. С плоской стороны мембраны на ней расположена мостовая схема тензорезисторов. Датчик снабжен защитной лентой, приклеенной к корпусу с плоской стороны мембраны. Способ изготовления датчика заключается в том, что незакаленную мембрану устанавливают на плоскую поверхность и выполняют на одной ее стороне впадину криволинейной формы с заданными глубиной и площадью. Затем мембрану закаливают, закрепляют ее в корпусе и приклеивают на нее мостовую измерительную схему тензорезисторов. Такое выполнение датчика позволяет повысить точность измерений, уменьшить габариты датчика и упростить технологию его изготовления. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для замеров усилий и давлений в машиностроении и в других областях народного хозяйства.

Известен резистивный прибор, чувствительный к давлению, содержащий резистор и скрепленные с ним металлические электроды для преобразования давления в электрические сигналы (см. заявку Франции N 2196514, МКИ H 01 C 9/00, 19.04.1974 г.).

Недостатками известного прибора является сложность его изготовления, требующая сложного оборудования для спекания проводящих частиц, а также большие погрешности измерений из-за неравномерного распределения давления по поверхности прибора, когда нагружающий элемент имеет криволинейную поверхность.

Известен датчик, содержащий корпус с мембраной и расположенной на ней мостовой схемой тензорезисторов. Причем мембрана выполнена из тонкой пластины окиси циркония (см. заявку Японии N5071893, МКИ G 01 L 7/08, 08.10.93 г. ). Данное решение принято за прототип.

Недостатком известного решения является его дороговизна, так как при изготовлении мембраны используется цирконий, а также большая толщина из-за наличия компенсационной пластины.

Известен способ изготовления приборов, чувствительных к давлению, заключающийся в спекании проводящих частиц, поверхность которых покрыта эластичной полимерной смолой (см. заявку Франции N2196514, МКИ H 01 C 9/00, 19.04.1974 г.).

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость и потребность в сложном оборудовании.

Широко известен способ изготовления датчиков, заключающийся в том, что изготавливают мембрану, закрепляют мембрану в корпусе и затем приклеивают на нее тензорезисторы.

Недостатком указанного способа является нестабильность величины электрического сигнала при нагружении датчика в процессе его эксплуатации с контактирующей криволинейной поверхностью, так как при многократном нагружении происходит увеличение пятна контакта на диафрагме, что приводит к изменению упругой деформации мембраны в зоне контакта, которая преобразуется при помощи тензорезисторов в электрический сигнал.

Задача, решаемая изобретением, - получить датчик, имеющий минимальную толщину, который позволит измерять контактное давление с прямолинейной зависимостью выходного сигнала от прилагаемой нагрузки и изготовить упомянутый датчик с наименьшими затратами.

Для решения указанной задачи в датчике контактного давления, содержащем корпус с мембраной и расположенной на ней мостовой схемой тензорезисторов, в соответствии с изобретением датчик снабжен защитной лентой, приклеенной к корпусу с плоской стороны мембраны, а мембрана выполнена в виде тонкой круглой мембраны из металла, прочностные параметры которого повышаются при термообработке, жестко соединенной по всему периметру с корпусом, в центре мембраны со стороны прилагаемых нагрузок выполнена впадина, имеющая криволинейную форму, соответствующую форме поверхности, контактирующей с датчиком, и имеющая такую площадь, при которой при максимальной нагрузке на датчик напряжения изгиба и среза мембраны не выше допускаемых и при которой обеспечена прямолинейная зависимость выходного электрического сигнала датчика от прилагаемой нагрузки.

Корпус и мембрана выполнены зацело.

Корпус датчика имеет направляющую поверхность.

Корпус датчика снабжен рукояткой.

Для решения указанной задачи в способе изготовления датчика, заключающемся в том, что изготавливают мембрану, закрепляют мембрану в корпусе и приклеивают на нее мостовую схему тензорезисторов, в соответствии с изобретением предварительно незакаленную мембрану устанавливают на плоскую поверхность, выполняют на одной ее стороне впадину криволинейной формы с заданной глубиной и площадью, а затем закаливают мембрану.

Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежных рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное решение имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический эффект, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное решение применимо, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, т.к. может быть изготовлено в условиях мелкосерийного производства и применено на любых типах транспортных средств, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Фиг. 1 - датчик контактного давления.

Фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1.

Фиг. 3 - операция продавливания впадины.

Датчик 1 контактного давления содержит корпус 2 с мембраной 3, выполненной в виде тонкой круглой мембраны из металла, прочностные параметры которого повышаются при термообработке. Мембрана 3 жестко соединена по всему периметру с корпусом. В центре мембраны 3 со стороны прилагаемых нагрузок выполнена впадина 4, имеющая криволинейную форму, соответствующую форме поверхности, контактирующей с датчиком, и имеющая такую площадь, при которой при максимальной нагрузке на датчик напряжения изгиба и среза мембраны не выше допускаемых. С плоской стороны мембраны 3 на ней расположена мостовая схема тензорезисторов 5. Датчик снабжен защитной лентой 6, приклеенной к корпусу 2 с плоской стороны мембраны 3. Глубина и площадь впадины 4 выбрана таким образом, чтобы была обеспечена прямолинейная зависимость выходного электрического сигнала датчика от прилагаемой нагрузки.

Жесткую связь диафрагмы 3 с корпусом 2 по всему периметру можно обеспечить, например, выполнив мембрану за одно целое с корпусом путем механической обработки корпуса из соответствующего металла.

Корпус 2 датчика имеет направляющую поверхность 7, при помощи которой обеспечивается совмещение криволинейных поверхностей впадины на мембране и выпуклости на нагрузочном объекте.

Корпус датчика может быть снабжен рукояткой 8.

Способ изготовления датчика 1 заключается в том, что незакаленную мембрану 3 устанавливают на плоскую поверхность 9 и выполняют на одной ее стороне впадину криволинейной формы с заданной глубиной и площадью. Выполнить впадину можно, например, путем продавливания впадины 4 криволинейной формы деталью 10, твердость которой выше твердости мембраны, и имеющей выпуклую поверхность с кривизной, соответствующей кривизне поверхности, контактирующей с датчиком и обеспечивающей заданную глубину и площадь впадины. Затем мембрану закаливают, закрепляют ее в корпусе 2 и приклеивают на нее мостовую измерительную схему тензорезисторов 5.

Глубина впадины зависит от величины максимальной нагрузки, толщины мембраны и от кривизны контактирующей с датчиком поверхности нагрузочного объекта. Радиус кривизны детали 10 подбирают таким образом, чтобы получить на мембране впадину такой площади, которая обеспечит прямолинейную зависимость выходного электрического сигнала от прилагаемой нагрузки.

Впадину можно выполнить, например, сверлением или фрезерованием.

Например, для получения прямолинейной зависимости выходного электрического сигнала с датчика от приложенной нагрузки в диапазоне от 0 до 600 Н, где нагрузочная поверхность имеет форму шарового сегмента с радиусом 10 мм, впадина мембраны, выполненной из стали марки 65 Г толщиной 0,7 мм, продавливается на глубину от 0,05 до 0,1 мм с площадью поверхности от 1,7 до 5,4 мм².

Перед проведением измерений датчик соединяют со вторичным электронным измерительным прибором при помощи кабеля соединительных проводов. Держа в руке датчик за его рукоятку 8, при помощи направляющей поверхности 7 производится совмещение криволинейной поверхности впадины 4 на мембране 3 с выпуклой поверхностью нагрузочного объекта.

В процессе приложения нагрузок деформация прогиба мембраны 3 прямо пропорциональна и в прямолинейной зависимости от величины нагрузок.

При помощи мембранного тензорезистора 5, имеющего мостовую измерительную схему, деформация диафрагмы, преобразованная в выходной электрический сигнал, регистрируется на вторичном электронном приборе, который может быть протарирован в килограммах силы или в ньютонах.

Предложенный датчик может быть использован и при плоской поверхности нагружающего объекта, контактирующей с датчиком. Диаметр контактирующей плоской поверхности должен быть меньше базы мембранного тензорезистора. Так, например, если мембранные тензорезисторы типа КФ 5 М-10-20 и КФ 5 М-15-20 имеют базу соответственно 10 мм и 15 мм, то диаметр контактирующей поверхности должен быть соответственно меньше 10 и 15 мм настолько, чтобы тензорезистор преобразовывал деформацию мембраны с необходимой чувствительностью для регистрации на вторичном электронном приборе. Если контактирующая с датчиком плоская поверхность имеет большую или равную площадь по сравнению с мембраной, то можно использовать переходники как с криволинейной контактирующей поверхностью, так и с плоской контактирующей поверхностью диаметром меньше базы мембранного тензорезистора, закрепленного на мембране датчика.

Выполнение мембраны в виде тонкой круглой мембраны из металла, прочностные параметры которого повышаются при термообработке, жестко соединенной по всему периметру с корпусом, позволяют получить датчик, имеющий минимальную толщину. Наличие в центре мембраны со стороны прилагаемых нагрузок впадины, имеющей криволинейную форму, соответствующую форме поверхности, контактирующей с датчиком, и имеющей такую площадь, при которой при максимальной нагрузке на датчик напряжения изгиба и среза мембраны не выше допускаемых обеспечивает прямолинейную зависимость выходного электрического сигнала датчика от прилагаемой нагрузки. Наличие защитной ленты, приклеенной к корпусу с плоской стороны мембраны, позволяет обеспечить минимальную толщину датчика.

Изготовление датчика с дополнительными операциями, а именно: предварительной обработки незакаленной мембраны, которую устанавливают на плоскую поверхность, выполняют на одной ее стороне впадину криволинейной формы с заданной глубиной и площадью, а затем закаливают мембрану, позволяет получить датчик с требуемыми параметрами с минимальными расходами, так как для изготовления мембраны датчика применяется дешевое сырье, а дополнительные операции не требуют особых дорогостоящих приспособлений.

Формула изобретения

1. Датчик контактного давления, содержащий корпус с тонкой круглой металлической мембраной, жестко соединенной по периметру с корпусом, и расположенную на мембране мостовую схему тензорезисторов, отличающийся тем, что он снабжен защитной лентой, приклеенной к корпусу со стороны мембраны, на которой расположены тензорезисторы, в центре мембраны со стороны прилагаемых нагрузок выполнена впадина криволинейной формы, соответствующей форме поверхности, контактирующей с датчиком, и имеющая заданную площадь, при которой при максимальной нагрузке на датчик напряжения изгиба и среза мембраны не выше допускаемых и обеспечена прямолинейная зависимость выходного сигнала датчика от прилагаемой нагрузки, при этом прочность мембраны повышена при термообработке.

2. Датчик контактного давления по п.1, отличающийся тем, что корпус и мембрана выполнены за одно целое.

3. Датчик контактного давления по п.1, отличающийся тем, что корпус датчика имеет направляющую поверхность.

4. Датчик контактного давления по п.1, отличающийся тем, что корпус датчика снабжен рукояткой.

5. Способ изготовления датчика давления, заключающийся в том, что изготавливают мембрану, закрепляют мембрану в корпусе и приклеивают к мембране тензорезисторы, отличающийся тем, что предварительно незакаленную мембрану устанавливают на плоскую поверхность, выполняют на одной ее стороне впадину криволинейной формы с заданными глубиной и площадью, а затем закаливают мембрану.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3