Тензорезисторный мембранный датчик веса и силы
Полезная модель относится к области приборостроения, к датчикам для измерения веса и силы. Цель - уменьшение погрешностей от нелинейности и гистерезиса. Для этого в тензорезисторном мембранном датчике веса и силы, содержащем выполненные заодно целое упругий элемент, профилированную мембрану с силовводящим выступом, на верхней поверхности которой выполнена кольцевая выемка, образованная внешней и внутренней коническими поверхностями, полый цилиндрический корпус, кольцевую опору, расчетно-экспериментальным путем подобраны наилучшие соотношения линейных и угловых размеров, обеспечивающие минимизацию погрешностей от нелинейности и гистерезиса.
Илл. 1.
Полезная модель относится к области приборостроения, к датчикам для измерения веса и силы.
Известен тензорезисторный мембранный датчик веса и силы (патент США 
5024107, «Pressure or force sensor having an axially symmetrical pressure or force-receiving circular plate spring», НКИ 73/862.622, 1991 г.).
В этом устройстве упругий элемент, выполненный в виде осесимметричного тела вращения, содержит профилированную мембрану, на которой размещены тензорезисторы, снабжен недеформируемым жестким периферийным кольцом, которое связано с тонкостенным опорным цилиндром, опирающимся на опорную плиту. Недостатком этого устройства является жесткая связь профилированной мембраны с недеформируемым жестким периферийным кольцом, приводящая к возникновению натяжения мембраны в процессе деформации. Изгиб мембраны под действием веса или силы является полезной деформацией, которую измеряют тензорезисторы, а натяжение - паразитной деформацией. «Расходование» части измеряемого веса или силы на паразитную, неизмеряемую деформацию, увеличивает погрешность от нелинейности.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предложенной полезной модели, т.е. прототипом, является тензорезисторный мембранный датчик силы по заявке на патент Европейского патентного ведомства 0561021, «Kraftmesseinrichtung», МПК5, G01L 1/22, 1992 г.
В прототипе упругий элемент, выполненный в виде осесимметричного тела вращения, содержит профилированную мембрану с силовводящим выступом на верхней поверхности, тензорезисторы, полый цилиндрический корпус, кольцевую опору на нижней поверхности полого цилиндрического корпуса.
Как и в аналоге, недостатком этого устройства является жесткая связь профилированной мембраны с полым цилиндрическим корпусом, приводящая к возникновению натяжения мембраны в процессе деформации, что увеличивает погрешности от нелинейности.
Проскальзывание кольцевой опоры на нижней поверхности полого цилиндрического корпуса по опорной плите приводит к сухому трению, что увеличивает погрешность от гистерезиса.
Целью полезной модели является устранение недостатков прототипа, т.е. повышение точности, обеспечивающее возможность широкого применения тезорезисторных мембранных датчиков веса и силы в весоизмерительных устройствах.
Эта цель достигается тем, что в тензорезисторном мембранном датчике веса и силы, содержащем выполненные заодно целое упругий элемент, профилированную мембрану с силовводящим выступом, на верхней поверхности профилированной мембраны выполнена кольцевая выемка, образованная внешней и внутренней коническими поверхностями, вершины которых лежат на оси симметрии упругого элемента, полый цилиндрический корпус, кольцевую опору на нижней поверхности полого цилиндрического корпуса, тензорезисторы, расположенные на плоской поверхности мембраны, расчетно-экспериментальным путем подобраны наилучшие соотношения линейных и угловых размеров, обеспечивающие минимизацию погрешностей от нелинейности и гистерезиса. В результате этих работ установлено, что углы при вершинах внутренней и внешней конических поверхностей должны удовлетворять неравенству
0,25
/
1,1,
где обозначено:
- угол при вершине внутренней конической поверхности, радиан,
- угол при вершине внешней конической поверхности, радиан,
а средние диаметры кольцевой опоры и полого цилиндрического корпуса должны удовлетворять неравенству
0,75Dко.ср/Dпцк.ср.0,95
где обозначено:
D ко.ср - средний диаметр кольцевой опоры, мм,
Dпцк.ср. - средний диаметр полого цилиндрического корпуса.
На фиг.1 показан разрез предложенной полезной модели.
Тензорезисторный датчик веса и силы содержит выполненные заодно целое упругий элемент 1, профилированную мембрану 2 с силовводящим выступом 3, на верхней поверхности 4 профилированной мембраны 2 выполнена кольцевая выемка 5, образованная внешней 6 и внутренней 7 коническими поверхностями, вершины которых 8 и 9 лежат на оси симметрии 10 упругого элемента 1, полый цилиндрический корпус 11, кольцевую опору 12 на нижней поверхности полого цилиндрического корпуса 11. Периферийные тензорезисторы 13 и центральные тензорезисторы 14 расположены на плоской поверхности мембраны.
Углы при вершинах внешней 6 и внутренней 7 конических поверхностей удовлетворяют неравенству
0,25/1,1,
где обозначено:
- угол при вершине внутренней конической поверхности, радиан,
- угол при вершине внешней конической поверхности, радиан.
Средние диаметры кольцевой опоры 12 и полого цилиндрического корпуса 11 удовлетворяют неравенству
0,75Dко.cp/Dпцк.ср.0,95
где обозначено:
D ко.ср - средний диаметр кольцевой опоры, мм,
Dпцк.ср. - средний диаметр полого цилиндрического корпуса.
Тензорезисторный датчик веса и силы опирается на жесткую плиту 15
Устройство работает следующим образом.
Измеряемая сила «P» через силовводящий выступ 3 деформирует профилированную мембрану 2. Периферийные тензорезисторы 13 сжимаются, центральные тензорезисторы 14 растягиваются. Тензорезисторы 13 и 14 преобразуют деформацию мембраны в изменения своих сопротивлений, которые в свою очередь, преобразутся посредством вторичной электронной аппаратуры (на чертеже не показана) в сигнал, пропорциональный измеряемой силе «P».
Выбранные соотношения угловых размеров внешней 6 и внутренней 7 конических поверхностей исключает натяжение профилированной мембраны 2 в процессе деформации при нагружении силой «Р», несмотря на жесткую связь профилированной мембраны 2 с полым цилиндрическим корпусом 11, что минимизирует погрешность от нелинейности и гистерезиса.
Выбранные соотношения линейных размеров полого цилиндрического корпуса 11 и кольцевой опоры 12 обеспечивают отсутствие проскальзывания кольцевой опоры 12 по жесткой плите 15 в процессе деформации при нагружении силой «Р». Поэтому между кольцевой опорой 12 и жесткой плитой 15 не возникает сухого трения, что минимизирует погрешность от гистерезиса.
Тензорезисторный мембранный датчик веса и силы, содержащий выполненные заодно целое упругий элемент, профилированную мембрану с силовводящим выступом, на верхней поверхности профилированной мембраны выполнена кольцевая выемка, образованная внешней и внутренней коническими поверхностями, вершины которых лежат на оси симметрии упругого элемента, полый цилиндрический корпус, кольцевую опору на нижней поверхности полого цилиндрического корпуса, тензорезисторы, расположенные на плоской поверхности мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, углы при вершинах внутренней и внешней конических поверхностей удовлетворяют неравенству
0,25/1,1,
где - угол при вершине внутренней конической поверхности, рад (безразмерный);
- угол при вершине внешней конической поверхности, рад (безразмерный),
а средние диаметры кольцевой опоры и полого цилиндрического корпуса удовлетворяют неравенству
0,75Dко.ср/Dпцк.ср0,95,
где Dко.ср - средний диаметр кольцевой опоры, мм;
Dпцк.ср - средний диаметр полого цилиндрического корпуса.
