Тензорезисторный чувствительный элемент

Авторы патента:

Полезная модель относится к области приборостроения и предназначена для использования в прецизионных тензорезисторных датчиках веса и силы. Цель полезной модели - повышение точности. Для этого в чувствительный элемент тензорезисторного датчика силы, который содержит упругий элемент, выполненный в виде ступенчатого цилиндра с участками меньшего и большего внешнего диаметров, а по оси ступенчатого цилиндра со стороны участка с большим внешним диаметром выполнено гладкое глухое отверстие, проходящее через участки ступенчатого цилиндра большего и меньшего и внешних диаметров, при этом тензорезисторы размещены на внутренней поверхности гладкого глухого отверстия в зоне участка ступенчатого цилиндра с меньшим внешним диаметром, силовводящий узел выполнен в виде сферической поверхности участка ступенчатого цилиндра с меньшим внешним диаметром со стороны дна гладкого глухого отверстия, введены силопередающий и опорный узлы с обращенными к чувствительному элементу плоскими поверхностями, сферическая поверхность участка ступенчатого цилиндра с меньшим диаметром связана с силопередающим узлом через его плоскую поверхность, опорная часть ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром выполнена в виде тороидальной поверхности, опирающуюся на опорный узел через его плоскую поверхность, при этом выполняется заданное соотношение геометрических размеров: диаметра направляющей тороидальной поверхности, внутреннего диаметра гладкого глухого отверстия и наружного диаметра участка ступенчатого цилиндра большего внешнего диаметра. 1 пункт патентной формулы, 1 илл.

Устройство относится к области приборостроения и предназначено для использования в прецизионных тензорезисторных датчиках веса и силы.

Известен тензорезисторный чувствительный элемент, выполненный в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы (патент Японии JPS 62233731, «Column type load transducer», G01L 1/22, 1987 г.).

Недостатки известного тензорезисторного чувствительного элемента следующие. Размещение тензорезисторов на внешней поверхности требует корпуса для защиты тензорезисторов от внешней среды, ступенчатость внутреннего отверстия усложняет изготовление. Указанные факторы снижают технологичность и удорожают изделие.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков, т.е. прототипом, является силоизмерительный датчик с чувствительным элементом, содержащим упругий элемент, выполненный в виде ступенчатого цилиндра с участками меньшего и большего внешнего диаметров, по оси ступенчатого цилиндра со стороны участка с большим внешним диаметром выполнено гладкое глухое отверстие, проходящее через участки ступенчатого цилиндра большего и меньшего и внешних диаметров, тензорезисторы размещены на внутренней поверхности гладкого глухого отверстия в зоне участка ступенчатого цилиндра с меньшим внешним диаметром, силовводящий узел выполнен в виде сферической поверхности участка ступенчатого цилиндра с меньшим внешним диаметром со стороны дна гладкого глухого отверстия. На внутренней поверхности глухого отверстия в зоне участка ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром выполнена проточка для улучшения метрологических характеристик. (Авторское свидетельство СССР 473913 «Силоизмерительный датчик», G01L 1/22, 1973 г.).

Прототипу присущи следующие недостатки. Проточка на внутренней поверхности глухого отверстия является концентратором напряжений, и вызванное ею увеличение напряжений снижает надежность и способность датчика противостоять перегрузкам. Кроме этого, для выполнения проточки нужно увеличивать внешний диаметр участка ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром, а это приводит к увеличению габаритов и металлоемкости чувствительного элемента. Опирание участка ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром на плоскую поверхность вызывает «размытость», неравномерность приложения давления вследствие неизбежной неравномерности прилегания двух больших плоскостей. Эта неравномерность непредсказуема, и смещает линию действия равнодействующей измеряемой силы случайным образом. Данный нежелательный эффект увеличивает погрешность, в частности, увеличивается гистерезис характеристики преобразования и возрастает случайная составляющая погрешности.

Целью полезной модели является устранение указанных недостатков.

Эта цель достигается тем, что в чувствительный элемент тензорезисторного датчика силы, содержащий упругий элемент, выполненный в виде ступенчатого цилиндра с участками меньшего и большего внешнего диаметров, по оси ступенчатого цилиндра со стороны участка с большим внешним диаметром выполнено гладкое глухое отверстие, проходящее через участки ступенчатого цилиндра большего и меньшего и внешних диаметров, тензорезисторы размещены на внутренней поверхности гладкого глухого отверстия в зоне участка ступенчатого цилиндра с меньшим внешним диаметром, силовводящий узел выполнен в виде сферической поверхности участка ступенчатого цилиндра с меньшим внешним диаметром со стороны дна гладкого глухого отверстия, введены силопередающий и опорный узлы с обращенными к чувствительному элементу плоскими поверхностями, сферическая поверхность участка ступенчатого цилиндра с меньшим диаметром связана с силопередающим узлом через его плоскую поверхность, опорная часть ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром выполнена в виде тороидальной поверхности, опирающуюся на опорный узел через его плоскую поверхность, при этом выполняется следующее соотношение геометрических размеров

1Г_{Dнапр.тор.}/D_вн.мд.k(D_нар.бд./D_вн.мд.),

где обозначено:

D_{напр.тор.} - диаметр направляющей тороидальной поверхности, мм,

D_вн.мд. - внутренний диаметр глухого отверстия участка ступенчатого цилиндра с меньшим диаметром, мм,

D_нар.бд. - наружный диаметр участка ступенчатого цилиндра большего внешних диаметра, мм,

0,5k1 - безразмерный коэффициент.

Сущность полезной модели иллюстрируется фиг. 1, на котором показан тензорезисторный чувствительный элемент в разрезе.

Тензорезисторный чувствительный элемент 1 содержит упругий элемент 2, выполненный в виде ступенчатого цилиндра с участком 3 меньшего внешнего диаметра и участком 4 большего внешнего диаметров, по оси ступенчатого цилиндра со стороны участка 4 с большим внешним диаметром выполнено гладкое глухое отверстие 5, проходящее через участок 4 с большим вешним диаметром и участок 3 с меньшим внешним диаметром. Тензорезисторы 6, воспринимающие продольную деформацию сжатия, и тензорезисторы 7, воспринимающие поперечную деформацию растяжения, размещены на внутренней поверхности глухого отверстия 5 в зоне участка ступенчатого цилиндра с меньшим внешним диаметром. На отброшенной при разрезе части упругого элемента 2 находятся еще два тензорезистора, аналогичные тензорезисторам 6 и 7, необходимые для создания мостовой схемы.

Силовводящий узел 8 выполнен со стороны дна гладкого глухого отверстия 5 участка 3 ступенчатого цилиндра с меньшим внешним диаметром. Силопередающий узел 9 и опорный узел 10 обращены к тензорезисторному чувствительному элементу 1 плоскими поверхностями 11 и 12. Сферическая поверхность 13 участка 3 ступенчатого цилиндра с меньшим диаметром связана с силопередающим узлом 9 через его плоскую поверхность 11, участок 4 ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром опирается на плоскость 12 через тороидальную поверхность 14.

Монтажные провода (на чертеже не показаны) от мостовой схемы, в которую входят тензорезисторы 6 и 7 и аналогичные тензорезисторы, находящиеся на отброшенной при разрезе части упругого элемента 2, через отверстие 15, кабельный ввод 16 и кабель 17 связаны с вторичной электронной аппаратурой (на чертеже не показана).

Важные геометрические размеры, влияющие на работу устройства, обозначены следующим образом: 18 - внутренний диаметр D_вн.мд гладкого глухого отверстия 5, 19 - диаметр D_{напр.тор.} направляющей тороидальной поверхности 14, 20 - наружный диаметр D_нар.бд. участка 4 ступенчатого цилиндра большего внешнего диаметра.

Для защиты тензорезисторов 6 и 7 от неблагоприятных факторов внешней среды, например, от влаги, внутренняя полость гладкого глухого отверстия 5 герметически закрыта крышкой 21.

К силопередающему узлу 9 приложена измеряемая сила «P».

Устройство работает следующим образом.

Измеряемая сила «P» через силопередающий узел 9 передается на сферическую поверхность 13 упругого элемента 2, и, далее, на участок 3 ступенчатого цилиндра с меньшим диаметром. Возникает деформация сжатия участка 3 ступенчатого цилиндра с меньшим диаметром. Тензорезисторы 6 и 7 и другие, не показанные на чертеже, преобразуют деформацию сжатия участка ступенчатого цилиндра 3 с меньшим диаметром в выходной сигнал моста. Помимо деформации сжатия вследствие эффекта Пуассона участок 3 ступенчатого цилиндра с меньшим диаметром претерпевает деформацию поперечного расширения. Эта поперечная деформация приводит к увеличению внутреннего диаметра D_вн.мд глухого отверстия 5 участка 3 ступенчатого цилиндра с меньшим диаметром. Это увеличение внутреннего диаметра 18 D_вн ._мд передается на участок 4 ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром D_нар.бд. 20, который уже сжат деформацией вызванной силой «P». Сложная деформация участка 4 ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром увеличивает его наружный диаметр D_нар.бд. 20. Это расширение участка может вызвать сухое трение тороидальной поверхности 14 по плоской поверхности 12 опорного узла 10, что приведет к увеличению нелинейности и гистерезиса характеристики преобразования, т.е. может увеличить погрешность измерения тензорезисторного чувствительного элемента.

Во избежание этого нежелательного эффекта геометрические параметры тензорезисторного чувствительного элемента специально подобраны так, чтобы тороидальная поверхность 14 участка 4 ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром не стремилась проскальзывать наружу при деформации по плоской поверхности 12 опорного узла 10, а прокатывалась по ней. При этом сухое трение скольжения, вызывающее гистерезис и нелинейность характеристики преобразования тензорезисторного чувствительного элемента, заменяется на трение качения, которое пренебрежимо мало. Выполненные исследования показали, что для обеспечения именно такой деформации участка 4 ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром нужно, чтобы выполнялось следующее соотношение геометрических размеров

1D_{напр.тор.}/D_вн.мд.k(D_нар.бд./D_вн.мд.)

где обозначено:

D_{напр.тор.} - диаметр 19 направляющей тороидальной поверхности 14, мм,

D_вн.мд. - внутренний диаметр 18 гладкого глухого отверстия 5, мм,

D_нар.бд. - наружный диаметр 20 участка 4 ступенчатого цилиндра большего внешнего диаметра, мм,

0,5k1 - безразмерный коэффициент.

Полезная модель позволяет создать высокотехнологичные и прецизионные тензорезисторные датчики веса и силы.

Чувствительный элемент тензорезисторного датчика силы, содержащий упругий элемент, выполненный в виде ступенчатого цилиндра с участками меньшего и большего внешнего диаметров, по оси ступенчатого цилиндра со стороны участка с большим внешним диаметром выполнено гладкое глухое отверстие, проходящее через участки ступенчатого цилиндра большего, и меньшего, и внешних диаметров, тензорезисторы размещены на внутренней поверхности гладкого глухого отверстия в зоне участка ступенчатого цилиндра с меньшим внешним диаметром, силовводящий узел выполнен в виде сферической поверхности участка ступенчатого цилиндра с меньшим внешним диаметром со стороны дна гладкого глухого отверстия, отличающийся тем, что в него введены силопередающий и опорный узлы с обращенными к чувствительному элементу плоскими поверхностями, сферическая поверхность участка ступенчатого цилиндра с меньшим диаметром связана с силопередающим узлом через его плоскую поверхность, опорная часть ступенчатого цилиндра с большим внешним диаметром выполнена в виде тороидальной поверхности, опирающейся на опорный узел через его плоскую поверхность, при этом выполняется следующее соотношение геометрических размеров