Датчик силы
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в качестве преобразователя механических параметров в электрический сигнал в измерительных, сигнальных, регулирующих или управляющих системах. Датчик силы содержит упругий силовоспринимающий элемент в виде балки прямоугольного сечения, имеющий концевые и центральную опорные части и расположенные между ними чувствительные части, на которых размещены тензорезисторы, регистрирующие деформацию изгиба, соединенные в электрический мост, и блок обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста. На боковых поверхностях силовоспринимающего элемента в каждой чувствительной части выполнена пара идентичных встречно направленных несквозных выемок в виде цилиндрических гнезд, разделенных вертикальной перегородкой, и каждая пара цилиндрических гнезд оснащена, по крайней мере, двумя тензорезисторами, закрепленными на цилиндрической поверхности одного из гнезд указанной пары, или на цилиндрических поверхностях обоих указанных гнезд. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности датчика и точности измерений. 5 з.п. ф-лы.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в качестве преобразователя механических параметров в электрический сигнал в измерительных, сигнальных, регулирующих или управляющих системах, в частности, в системах контроля, управления и безопасности грузоподъемных машин и механизмов.
Известен датчик силы, содержащий упругий силовоспринимающий элемент в виде полого цилиндра, имеющего боковые и центральную опорные части, соединенные между собой цилиндрическим чувствительным элементом. На внутренней поверхности цилиндра закреплены тензорезисторы, регистрирующие деформации сдвига. Тензорезисторы соединены в электрический мост (тензомост), измерительная диагональ которого подключена к расположенному в полости цилиндра электронному пороговому устройству (RU 2081809, 20.06.1997).
Данная конструкция обеспечивает повышенную защиту тензорезисторов и электронного порогового устройства от внешних атмосферных воздействий за счет расположения их в полости цилиндра, который с торцов закрыт герметичными заглушками, однако это существенно усложняет конструкцию датчика и увеличивает затраты на изготовление. Кроме того, установка тензорезисторов на внутренней поверхности полого цилиндра на большом расстоянии от торцевых поверхностей датчика заметно усложняет и удорожает операцию их наклейки, так как требует разработки и изготовления специального приспособления, с возможностью создания определенного усилия прижатия тензорезисторов к внутренней поверхности полого цилиндра, а также усложняет ремонт и обслуживание датчика при его эксплуатации.
Наиболее близким к предложенной полезной модели по совокупности существенных признаков является датчик силы, входящий в состав ограничителя грузоподъемности мостовых кранов (SU 440330, 25.08.1974). Датчик силы содержит упругий силовоспринимающий элемент в виде балки прямоугольного сечения, имеющий концевые и центральную опорные части и расположенные между ними чувствительные части, на которых размещены тензорезисторы, соединенные в электрический мост, и блок обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста.
Данная конструкция обладает недостаточной защищенностью тензорезисторов от внешних воздействий, причем обеспечить повышенную защиту тензометрических преобразователей сложно, так как любая защита потребует введения дополнительных элементов в конструкцию опоры платформы, либо радикального изменения конструкции опоры. При этом тензорезисторы не защищены от прямого воздействия дождя и снега, поэтому в процессе эксплуатации датчика вне закрытых помещений при низких температурах возможно появление льда на поверхности тензорезисторов, что снижает надежность датчика и усложняет его обслуживание. Кроме того, известное техническое решение не обеспечивает необходимую точность измерений при неравномерном расределении нагрузки на силовоспринимающую поверхность. Обеспечить равномерную нагрузку сложно, так как требуется установка дополнительных элементов (например сферических опор). При этом данный датчик обладает невысокой помехозащищенностью от линий электропередач, грозовых разрядов и иных атмосферных явлений, а также при работе в условиях промышленных объектов: в непосредственной близости от мощных двигателей, сварочных агрегатов, коммутирующей аппаратуры, электроплавильных печей или других источников сильного электромагнитного излучения по причине изменения под их воздействием выходного сигнала с незащищенных экраном тензорезисторов и возникновению паразитных наводок в проводах, соединяющих тензорезисторы с удаленным от силовоспринимающего элемента блоком обработки сигналов. Кроме того, данный датчик сложен в изготовлении, эксплуатации и ремонте, так как необходимо производить подборку резисторов для установки коэффициента усиления и смещения «нуля» тензомоста.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка эффективного, простого в эксплуатации датчика силы, обеспечивающего достаточно высокую точность при минимальном контроле за силовоспринимающим элементом и тензорезисторами в процессе эксплуатации. Другой задачей полезной модели является создание датчика силы, имеющего повышенную стойкость к воздействию вибраций и внешней среды. Еще одной задачей полезной модели является повышение помехозащищенности датчика. Дополнительные решаемые задачи и преимущества заявленного изобретения будут понятны из последующего описания.
Поставленные технические задачи решаются тем, что в датчике силы, содержащем упругий силовоспринимающий элемент в виде балки прямоугольного сечения, имеющий концевые и центральную опорные части и расположенные между ними чувствительные части, на которых размещены тензорезисторы, регистрирующие деформацию изгиба, соединенные в электрический мост, и блок обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста, согласно полезной модели, на боковых поверхностях силовоспринимающего элемента в каждой чувствительной части выполнена пара идентичных встречно направленных несквозных выемок в виде цилиндрических гнезд, разделенных вертикальной перегородкой, и каждая пара цилиндрических гнезд оснащена, по крайней мере, двумя тензорезисторами, закрепленными на цилиндрической поверхности одного из гнезд указанной пары, или на цилиндрических поверхностях обоих указанных гнезд.
Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
Цилиндрические гнезда выполнены одинакового диаметра и глубины.
В перегородках выполнены каналы для электропроводки к тензорезисторам.
Полости цилиндрических гнезд с тензорезисторами заполнены герметизирующим полимерным материалом.
Блок обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста включает в себя усилитель с программируемым коэффициентом усиления и возможностью программного смещения нуля, микроконтроллер со встроенным или внешним аналого-цифровым преобразователем, и согласующее устройство, при этом тензорезисторы соединены в электрический мост, измерительная диагональ которого подключена к входу усилителя, выход которого подключен к аналоговому преобразователю микроконтроллера и является первым выходом датчика, а к выходу микроконтроллера подключено согласующее устройство, выход которого является вторым выходом датчика.
Блок обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста содержит корпус, закрепленный на одной из боковых поверхностей силовоспринимающего элемента с перекрытием цилиндрических гнезд с тензорезисторами, и установленную в полости корпуса печатную плату, на которой смонтированы усилитель, микроконтроллер со встроенным или внешним аналого-цифровым преобразователем, и согласующее устройство, при этом на поверхности корпуса закреплены разъемы для соединения датчика с регистрирующей аппаратурой, а силовоспринимающий элемент снабжен крышкой, изолирующей полости цилиндрических гнезд на противоположной боковой поверхности от воздействия внешней среды.
Выполнение на боковых поверхностях силовоспринимающего элемента в каждой чувствительной части пары идентичных встречно направленных несквозных выемок в виде цилиндрических гнезд, разделенных вертикальной перегородкой, и каждая пара цилиндрических гнезд оснащена, по крайней мере, двумя тензорезисторами, закрепленными на цилиндрической поверхности одного из гнезд указанной пары, или на цилиндрических поверхностях обоих указанных гнезд, обеспечивает повышенную защиту тензорезисторов от случайных внешних воздействий при монтаже и эксплуатации датчика на исследуемом объекте, что повышает его надежность, а также обеспечивает достаточно высокую точность измерения нагрузки за счет расположения тензорезисторов в углах прямоугольника, центр которого совпадает с центром силовоспринимающего элемента, что обеспечивает более стабильный суммарный сигнал с измерительного моста, так как сумма плеч от прилагаемой нагрузки до тензорезисторов и соответственно сумма их деформаций, изменяется значительно меньше при изменении точки приложения измеряемой нагрузки. Кроме того, сигнал, снимаемый с тензомоста, вследствие бóльшего изгиба в местах наклейки тензорезисторов за счет бóльшего плеча приложения силы, увеличивается, что также повышает точность измерения.
Выполнение цилиндрических гнезд одинакового диаметра и глубины упрощает проектирование и изготовление датчика.
Выполнение в перегородках каналов для электропроводки к тензорезисторам повышает надежность датчика, так как наиболее тонкие провода будут защищены от случайных внешних воздействий, а заполнение цилиндрических гнезд с тензорезисторами герметизирующим полимерным материалом фиксирует пространственное положение электрических проводов, соединяющих между собой тензорезисторы, снижая тем самым вызванные вибрацией инерционные нагрузки на места присоединения электрических проводов, что повышает вибростойкость датчика и обеспечивает повышенную защиту тензорезисторов от внешних атмосферных воздействий.
Включение в состав блока обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста усилителя с программируемым коэффициентом усиления и возможностью программного смещения нуля, повышает помехозащищенность датчика путем увеличения уровня выходного сигнала, и уменьшает трудозатраты на изготовление, эксплуатацию и ремонт за счет отсутствия необходимости подбора резисторов для установки коэффициента усиления и смещения нуля тензомоста, а наличие в данном блоке микроконтроллера со встроенным или внешним аналого-цифровым преобразователем, и согласующего устройства, преобразующего цифровой сигнал с микроконтроллера в цифровой последовательный код проводной и/или беспроводной линии связи до передачи в пункт приема (регистрирующую аппаратуру), позволяет использовать предлагаемое техническое решение при разработке датчиков, имеющих, по крайней мере, два выхода: аналоговый и цифровой, с использованием как нестандартного протокола обмена данными, так и стандартных, широко распространенных протоколов, например, RS232, RS422, RS485, CAN и др. При этом данные датчики остаются универсальными и допускают использование их без каких-либо конструктивных доработок, например, в системах контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов как с кабельными линиями связи между элементами данной системы, так и с беспроводными или комбинированными линиями связи.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эксплуатационную надежность датчика и точность измерений.
На фиг.1 показан предлагаемый датчик силы без крышек, защищающих тензорезисторы, вид сбоку; на фиг.2 и 3 - виды А и Б на фиг.1; на фиг.4 и 5 - сечения В-В и Г-Г на фиг.1; на фиг.6 - виды Д, Е, Ж, И на фиг.2; на фиг.7 - функциональная схема датчика силы; на фиг.8 и 9 - сечения В-В и Г-Г на фиг.1 при расположении в каждой паре встречно направленных цилиндрических гнезд двух тензорезисторов, закрепленных на одной из цилиндрических поверхностей; на фиг.10 и 11 - сечения В-В и Г-Г на фиг.1 при расположении в каждом цилиндрическом гнезде одного тензорезистора.
В предпочтительном примере исполнения, показанном на фиг.1-7, датчик силы содержит упругий силовоспринимающий элемент 1 в виде балки с прямоугольным поперечным сечением, имеющий концевые опорные части 2, центральную опорную часть 3 и расположенные между ними чувствительные части 4 (на чертеже условно выделенные пунктирными линиями). На каждой чувствительной части 4 в боковых стенках 5 силовоспринимающего элемента 1 выполнены идентичные встречно направленные несквозные выемки в виде цилиндрических гнезд 6, разделенных вертикальной перегородкой 7, а в концевых и центральной опорных частях 2 и 3 выполнены отверстия 8 и 9 для крепления датчика на исследуемом объекте с помощью резьбовых крепежных элементов. При этом концевые опорные части 2 крепятся на основании (неподвижной опоре), а к центральной опорной части крепится элемент для нагружения датчика.
Предпочтительно, цилиндрические гнезда 6 выполнены одинакового диаметра и глубины. В каждом гнезде 6 на его цилиндрической поверхности 10 закреплены два тензорезистора 11, а в перегородках 7 выполнены каналы 12 для электропроводки к тензорезисторам. При этом один резистор Rc подвергается воздействию сжимающих напряжений, а второй резистор Rt подвергается воздействию растягивающих напряжений. Предпочтительно, полости гнезд 6 с тензорезисторами 11 заполнены герметизирующим полимерным материалом 13, закрывающим тензорезисторы.
Датчик силы снабжен блоком 14 обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста, который включает в себя усилитель 15 усилитель с программируемым коэффициентом усиления и возможностью программного смещения нуля, микроконтроллер 16 со встроенным или внешним аналого-цифровым преобразователем, и согласующее устройство 17. Тензорезисторы 11 соединены в электрический мост, измерительная диагональ которого подключена к входу усилителя 15, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю микроконтроллера 16 и является первым (аналоговым) выходом датчика, а к выходу микроконтроллера 16 подключено согласующее устройство 17, преобразующее цифровые сигналы микроконтроллера 16 в цифровой код последовательного интерфейса. При этом выход микроконтроллера 16 является вторым (цифровым) выходом датчика.
Блок 14 обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста содержит корпус 18, закрепленный на боковой поверхности 19 силовоспринимающего элемента 1 с перекрытием расположенных на данной поверхности цилиндрических гнезд 6 с тензорезисторами 11, и установленную в полости 20 корпуса 18 печатную плату 21, на которой смонтированы усилитель 15, микроконтроллер 16 и согласующее устройство 17, а тензорезисторы 11 соединены в электрический мост.
На корпусе 18 закреплены, по крайней мере, два разъема 22 для подключения датчика к регистрирующей аппаратуре. Аналоговый выход датчика подключается к соответствующему входу регистрирующей аппаратуры с помощью кабеля, а цифровой выход датчика - с помощью общего проводного или беспроводного последовательного интерфейсного канала. Полости цилиндрических гнезд 6 на противоположной боковой поверхности 23 силовоспринимающего элемента 1 изолированы от воздействия внешней среды с помощью крышек 24. Центральная 3 и концевые 2 опорные части силовоспринимающего элемента 1 снабжены закрепленными на них плоскими прямоугольными силопередающими элементами 25 и 26, ширина которых предпочтительно равна ширине балки. На нижней поверхности балки между силопередающими элементами 26 закреплена эластичная прокладка 27, ширина которой, предпочтительно, равна ширине балки, а толщина - высоте силопередающих элементов 25. Возможно также выполнение силопередающих элементов 25 и 26 в виде приливов на балке. Зоны присоединения корпуса 18 и крышек 24 герметизированы любым известным способом с использованием любого приемлемого герметика.
В датчике могут быть использованы пленочные тензорезисторы, выпускаемые, например, фирмами "ZEMIC" (КНР), ЗАО "Весоизмерительная компания "Тензо-М", ООО «ВЕДА» (Украина) и др.
Для реализации блока обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста можно использовать перепрограммируемый микроконтроллер MSP430F149 фирмы "Texas Instruments" (США) или другие микроконтроллеры подобного типа. В качестве усилителя можно использовать микросхему AD8555AR фирмы Analog Devices, а согласующее устройство можно реализовать на базе микросхемы TJA1050.
Для описания схемы на фиг.7 введем обозначения для тензорезисторов 11. Датчик, показанный на фиг.1, содержит в каждом гнезде 6 два тензорезистора 11. Соответственно в обозначение каждого тензорезистора входит индекс (номер) гнезда и буквенное обозначение вида напряжений, которому подвергается данный тензорезистор. Например, обозначение R1.c означает, что данное обозначение относится к резистору, подвергающемуся воздействию сжимающих напряжений и расположенному в первом гнезде. Обозначение R1.t означает, что данное обозначение относится к резистору, подвергающемуся воздействию растягивающих напряжений и расположенному также в первом гнезде. Соответственно в данном примере реализации полезной модели будут восемь тензорезисторов: R1.c и R1.t; R2.c и R2.t; R3.c и R3.t; R4.c и R4.t.
Заявляемый датчик работает следующим образом.
Усилие Р, действующее на силоизмерительный элемент 1, вызывает деформацию его чувствительных частей 4 с закрепленными на них тензорезисторами 11, что приводит к изменению их сопротивлений R и разбалансу электрического моста. Сигнал с измерительной диагонали моста поступает на вход усилителя 15. С выхода усилителя 15 сигнал подается на первый (аналоговый) выход датчика и на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 16 для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Согласующее устройство 17 преобразует цифровой сигнал с выхода микроконтроллера 16 в цифровой код последовательного интерфейса с последующей передачей результатов измерения со второго (цифрового) выхода датчика в пункт приема по проводной или беспроводной линии связи.
Хотя в примере реализации полезной модели, приведенном на фиг.1-6, тензорезисторы 11 закреплены на цилиндрических поверхностях 10 всех гнезд 6, для специалистов понятно, что при равномерно распределенной нагрузке Р на силопередающий элемент 25 возможна реализация полезной модели с использованием на силовоспринимающем элементе 1 в каждой паре гнезд 6 двух тензорезисторов 11, закрепленных только на одной из цилиндрических поверхностей 10, как это показано на фиг.8 и 9. При этом воздействие нагрузки Р приводит к одинаковому изменению сопротивления тензорезисторов Rc и Rt, находящихся в разных выемках. В этом случае герметизирующий полимерный материал заполняет только гнездо 6, в котором расположены тензорезисторы 11, но можно заполнить герметизирующим полимерным материалом и второе гнездо, в котором тензорезисторов нет. Возможна реализация полезной модели (при неравномерно распределенной нагрузке Р на силопередающий элемент 25), когда каждая пара гнезд 6 оснащена двумя тензорезисторами 11, закрепленными на цилиндрических поверхностях обоих гнезд, то есть, в каждом гнезде силовоспринимающего элемента расположен только один тензорезистор, как это показано на фиг.10 и 11. При этом воздействие нагрузки Р приводит к одинаковому изменению сопротивления тензорезисторов Rc и Rt. Схема соединения тензорезисторов в электрический мост не представляет труда для специалистов и выбирается в соответствии с общепринятыми рекомендациями.
Предлагаемый датчик может быть изготовлен промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных материалов, электронных компонентов и технологий.
1. Датчик силы, содержащий упругий силовоспринимающий элемент в виде балки прямоугольного сечения, имеющий концевые и центральную опорные части и расположенные между ними чувствительные части, на которых размещены тензорезисторы, регистрирующие деформацию изгиба, соединенные в электрический мост, и блок обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста, отличающийся тем, что на боковых поверхностях силовоспринимающего элемента в каждой чувствительной части выполнена пара идентичных встречно направленных несквозных выемок в виде цилиндрических гнезд, разделенных вертикальной перегородкой, и каждая пара цилиндрических гнезд оснащена, по крайней мере, двумя тензорезисторами, закрепленными на цилиндрической поверхности одного из гнезд указанной пары или на цилиндрических поверхностях обоих указанных гнезд.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что цилиндрические гнезда выполнены одинакового диаметра и глубины.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в перегородках выполнены каналы для электропроводки к тензорезисторам.
4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что полости цилиндрических гнезд с тензорезисторами заполнены герметизирующим полимерным материалом.
5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что блок обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста включает в себя усилитель с программируемым коэффициентом усиления и возможностью программного смещения нуля, микроконтроллер со встроенным или внешним аналого-цифровым преобразователем и согласующее устройство, при этом тензорезисторы соединены в электрический мост, измерительная диагональ которого подключена к входу усилителя, выход которого подключен к аналоговому преобразователю микроконтроллера и является первым выходом датчика, а к выходу микроконтроллера подключено согласующее устройство, выход которого является вторым выходом датчика.
6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что блок обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста содержит корпус, закрепленный на одной из боковых поверхностей силовоспринимающего элемента с перекрытием цилиндрических гнезд с тензорезисторами, и установленную в полости корпуса печатную плату, на которой смонтированы усилитель, микроконтроллер со встроенным или внешним аналого-цифровым преобразователем, и согласующее устройство, при этом на поверхности корпуса закреплены разъемы для соединения датчика с регистрирующей аппаратурой, а силовоспринимающий элемент снабжен крышкой, изолирующей полости цилиндрических гнезд на противоположной боковой поверхности от воздействия внешней среды.
