Тензорезисторный датчик силы

 

Изобретение относится к силоизмерительной те.хнике и позволяет повысить точность измерений. Выполненный в виде тела враш.ения упругий элемент состоит из силовводящего 1 и силопреобразующего 2 звеньев. Воздейств}1е нагрузки на звено 1 вызывает деформацию звена 2, установленного на кольцевой опоре 7. ТензорезиСторы 5, 6 преобрзуют сжатие оболочки 3 и растяжение оболочки 4 в электрические сигналы . Приведено соотношение, из которого выбирается расстояние от основания упругого элемента до повер.хности контактирования его с кольцевой опорой 7. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1395961

А1 (5И 4 6 01 1 1/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4085385/24-10 (22) 03.07.86 (46) 5.05.88. Бюл № 18 (71) Одесский политехнический институт (72) В. К. Голованов, А. Ф. Дащенко, В. Ф. Семенюк и С. T. Сергеев (53) 531.781 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 412500, кл, (i Ol 1 1/22, 1974.

Авторское свидетельство СССР № 495563, кл. G Ol 1 I /22, 1976. (54) ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛb! (57) Изобретение относится к силоизмерительной технике и позволяет повысить то«ность измерений, Выполненный в виде теlа вращения упругий элемент состоит из силовводящего 1 и силопреобразующего 2 звеньев. Воздействие нагрузки на звено 1 вызывает деформацию звена 2, установленного на кольцевой опоре 7. Тензорезисторы 5, 6 преобрзуют сжатие оболочки 3 и растяжение оболочки 4 в электрические сигналы. Приведено соотношение, из которого выбирается расстояние от основания упругого элемента Io поверхности контактирования его с кольцевой опорой 7. 3 ил.

1395961

Изобретение относится к силоизмери, тельной технике и может быть использова; но для точного измерения усилий.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фи г. 1 изображено конструктивное выполнение датчика; на фиг. 2 — — балка-полоса из круглой пластины силопреобразующей части упругого элемента; на фиг. 3— напряженно-деформируемое состояние балкиполосы, нагруженной распределенной систе- 10 мой сил.

Тензорезисторный датчик силы состоит из силовводящего звена 1, силопреобразующего звена 2, выполненного с опорным

,. выступом и подрезисторными верхней 3 и нижней 4 оболочками, на которых размещены тензорезисторы 5, 6,и установленного на кольцевой опоре 7.

Датчик работает следующим образом.

Нагрузка Р силовводящим звеном 1 и, кольцевой опорой 7 деформирует сило) преобразующее звено 2, в результате чего ( оно поворачивается вокруг опоры и верхняя

,оболочка 3 сжимается, а нижняя растяги,вается, что и преобразуется тензорезисто: рами 5, 6 в изменение электрического сиг- >5, нала.

Определение места расположения опоры в зависимости от конструктивных параметров датчика осуществляется на основании извес1ных зависимостей.

Так как в упругом элементе основным силопреобразующим звеном является кольце. вая пластина (фиг. 1), рассмотрим ее напряженно-деформируемое состояние, Для этого из круглой пластины, основного силопреобразующего звена упругого элемента, 35 мысленно вырежем балочку единичной толщины, проходящую через центр пластины, . к которой приложены некоторая внешняя нагрузка Ро, распределенная на верхнем

; ее торце, и реакция опор Ro. Действие отброшенных частей пластины заменим неко- 4О торой системой сил Т, Q, S (фиг. 2). Заменим теперь систему сил Т, Q, S, действующую в плоскостях разреза, на эквивалентную ей систему сил P)(x), Рз(х), Рз(х), P4(x), действующую уже в торцовых плос- 45 костях балки. Таким образом, приходим к задаче об определении напряженно-деформированного состояния свободно опертой балки-полоеы, загруженной некоторой распределенной системой сил P) (x), Рз(х), Рз(х), P)(õ) (фиг. 3), воспользуемся функ- g0 цией напряжений, представленной рядом

Фурье ф (х, у) = (s! и : цх (С) сh nу-+ С2s11>ny+

+СзусЬк„у+С.)узы„у) +cns(y(.nx (СзсЫ„ +

+C sh()(ny+Cyvcheny+Caysh ny) ).

Соответству)ощие компоненты напряжений и перемещений через функцию напряжений определяются по известным формулам

U (x, y) — (() — ) 1 з 2 ) Йх дх

) д х, у (2) (-1(х, у) — ((1 — ) ) д -- )(1у— ду(х, у)1.

У д о„(х, у) -4-- -, о„(х, у) ду " дх д " х, т,д(х,у) =— дхду

Граничные условия на продольных сторонах согласно схеме нагружения (фиг. 3) запишем в виде

Оу(Х,— ) = — Po (Х) О (Х,— ) = — Р4 (X)

Н Н 2 )(! р (3) т,„(х,-Н-) — Р.,(X) т„(х,- Г-) — Р (х) на свободно отпертых концах о, (+D/2, у) = О, т„„(+ D/2, у ) = + R (у) (4)

Для определения неизвестных коэффициентов С; в выражении (1) разложим нагрузку, стоящую в правых частях уравнения (3), в тригонометрический ряд Фурье

Р„, (х) =2. (А,„„з1п — + В„сов — ), (5) и=о (m=1, 2, 3, 4), где коэффициенты А„и В „определяются по известным зависимостям

В/2

Am„— — ) Р,„(x) sin dx, 2 2цчх

- Ц/2

92

В...= j P(x)cox dx

-Гф (6) Б(х, у)= Х sin 2ïëõ(<- ° h 2nnу+

1 1- - v 2п."т

М4 р д 5 р

Так как круглая пластина в силопреобразующем звене упругого элемента испытывает осесимметричную деформацию, то на нее действует нагрузка Р(), Q, Т четная и нечетная относительно плоскости OYz.

Следовательно, и эквивалентная им система сил P) (x), Рг(х), Рз(х), Р4(х) (фиг. 3), действующая на балку-полосу, также обладает указанным свойством, а тогда из выражения (6) получаем

Аг= А4 = B)n= Вз = 0 (7)

Из выражения (12) следует, что функция напряжений является четной, а для этого нужно выполнить условие

С) =Сз=Сз=С4= 0 . (8)

Подставляя выражение (1) в уравнение (2) с учетом уравнения (8), получаем выражение для перемещения U(x, у) в виде ряда по тригонометрическим функциям

1395961

+ уchDD) ) (9) 2) з

Н х+

10 где

©= () p I

z+x (12)

5(к+ 7 1 z+v) 20

Формула изобретения

+с (,й +-с (l — "-0 ь +

D 1 и9 Р

-(-у cg2n ) -) C,((1= ) Р— с),3у +Б 1пл

Очевидно, что это решение определяет только нулевое перемещение на торцах балки.

Для решения задачи о действии равномерно распределенной нагрузки из уравнения (5) достаточно воспользоваться функцией напряжений в виде полинома пятой степени относительно координат х, у с неизвестными коэффициентами. Определяя эти коэффициенты из основного свойства функции напряжений и граничных условий выражений (3), (4), получаем выражение для радиальных перемещений

)) () ) =-+ ((-" ) ) +

Н Н

+х (у — — y(+vx $ — — у+) )) () 0) где q — приложенная эквивалентная нагрузка;

1 — момент инерции сечения;

Š— модуль упругости.

Из этого выражения определяем такую координату у, которая обеспечивает равенство нулю перемещения в направлении оси х () (+ o ë, » =- zzZ -) I (— ф) + (3(Н 5 )т 3

Из этого уравнения видно, что положен Ic точки, не имеющей перемещений в радиальном направлении, не зависит от величины приложенной нагрузки, а зависит то..(»(() (>( соотношения геометрических размеров.

Решим уравнение (11) относительно у, находим действительный корень

Раскладывая выражения под кубическим

15 корнем в степенной ряд и взяв 5 его членов. после соответствующих преобразований получаем приближенную формулу

h=Н (— +10vH /(D — vH (2+5v)))

Тензорезисторный датчик силы, содержащий установленный на кольцевой опоре и выполненный в виде тела вращения упруний элемент, состоящий из силовводящего и силопреобразующего звеньев с размещенными на основании последнего тензорезисторами, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения, расстояние

h от основания упругого элемента до поверх30 ности контактирования упругого элемента с кольцевой опорой выбрано из соотношения

h= Н (- -+ 10vH- / (D- — () Н- (2+5v) ) ) при D — d)2H, 35 где Н вЂ” толщина силопреобразующего звена упругого элемента; — коэффициент Пуассона;

D, с),— внешний и внутренний диаметры силопреобразующего звена.!

395961

Составитель И.Малы инова

Редакгор Н. Швыдкня Текрсд И. Верес Корректор В. Гирняк

За как 1972141 Тираж 847 Подписное

Â1-! ИИПИ осударственного комитета (ССР во делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раугнская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое нрс; приятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4