Динамометр

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУЬЛИН 7 0(19 МИТЕТ СССР ТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОСУДАРСТВЕННЫ ДЕЛАМ ИЗОБРЕ РЕТЕНИЯ ТЕЛЬСТВУ ОПИСАНИЕН АВТОРСКОМУ СВИД(71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола и Институт проблем прочностиАН Украинской ССРе(56) 1, феликсон Е, И. Упругие элементы,илоизмерительных приборов. М., "Машиностроение", 1977, с. 29.2, Авторское свидетельство СССР% 189188, кл. 601 Ь 1/10,24.04,65 (прототип),(54) (57) йИНАМОМЕТР, содержаший упругий элемент с вибропреобразовате- лем,отличавшийся тем,что, с целью повышения точности измерения, уменьшения температурной погрешности и упрощения устройства, вибропреобразова. тель выполнен в виде нитевидного моноткристалла с двумя токовыводами закрепленного на внутренних полках П-образных скоб, расположенных параллельно друг другу, при этм наружнйе полки скоб закреплены на поверхности упругого элемента, а одна из скоб снабжена токовыводом.25 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании динамометров для измерения усилия сжатия.Известны виброчастотные динамометры, содержащие упругий элемент и вибропреобразователь, выполненный в форместруны или стержня, в которых воз.буждают поперечные механические колебания10на собственной частоте. При приложениинагрузки к упругому элементу натяжение вибропреобразователя изменяется.В соответствии с изменением натяжения" изменяется частота собственных колебаний вибронреобразователя, которая слу 15жит для измерения величины действующейсилы. Основная погрешность таких датчиков не более 0,5% Щ .Недостатками данных виброчастотныхдинамометров являются сложность кон 20струкции, большие габариты и масса,неустойчивость работы при действии внешних магнитных полей,Наиболее близким к предлагаемомуявляется вибрационно-частотный динамо.метр для измерения усилиясжатия, содержаший упругий элемент с вибропреобразователем2 ),Недостатками известного динамометраявляются невысокая точность измерения,температурная погрешность и сложностьустройства,Цель изобретения - повышение точности измерения уменьшение температурнойпогрешности и упрощение устройства. 35Поставленная цель достигается тем,что в динамометре содержащем упругийэлемент с вибропреобразователем, последний выполнен в виде нитевидного мо нокристалла с двумя токовыводами, закрепленными на внутренних полках двухП-образных скоб, расположенных параллельно друг другу, при этом наружныеполки скоб, закреплены на поверхностиупругого элемента, а одна из скоб снабжена токовыводом.На фиг. 1 показан виброчастотныйтензопреобразователь; фиг. 2 - предлагаемый динамометр, продольный разрез. 50диброчастотный тензопреобразовательвыполнен в виде пластины с фигурнымвырезом, на которой в точках 1 и 2 эак.реплен концами нитевидный тензочувствительный монокристалл, 3 (например,кремний р-типа проводймости) с токовыводами 4 и 5. Д пластине в точке 6создают электрический контакт, Пластину крепят на поверхности упругого элеМмента 7 в точках 8 и 9 разрезают научастке, показанном на фигуре пунктиром. Сформированные таким способомскобы 10 и 11 обеспечивают механическую связь нитевидного монокристалла супругим элементом и преобразуют деформацию сжатия упругого элемента набазе между точками 8 и 9 в деформа-.цию растяжения нитевидного монокриста-.ла на базе между точками 1 и 2.Динамометр состоит иэ упругого элемента 7 со сплошным или кольцевым поперечным сечением, на котором укреплены скоби 10 и 11 с нитевидным тензочувствительным монокристалаом 3, обраэуюшие вибропреобраэователь. Торцыстержня включены или впаяны в углубления металлических обойм 12 и 13, которые соединены со сферическими опорами14 и 15 и служат для обеспечения оптимальных условий нагружения, способствующих повышению прочности стержня насжатие. Усилие сжатия Е передается наупругий элемент 7 с помощью металлических сферических подпятников 16 и 17,Металлические обоймы 12 и 13 поскользящей посадке третьего класса точности перемешаются в направляюшем корпусе 18, который занимает вертикальноеположение с помошью упругой прокладки19,Перемешение портятников 16 и 17 восевом направлении ограничено шпильками20. В нерабочем состоянии перемещениедеталей 16 и 17,обозначенное на фиг. 2черезд, составляет 1-2 мм.Смотровые окна в корпусе 18 закрыты шитками 21, предохраняющими скобы10 и 11 с монокристаллом 3 от механических повреждений. На этих щитках крепят электрический разъем 22, к которомуприпаиваются токовыводы к кристаллу искобе для возбуждения колебаний и съема сигнала,Контакт упругого элемента 7 с обоймами 12 и 13 исключает с помощью клеевой прослойки 23,Для транспортировки динамометравручную или с помощью грузоподъемныхсредств служат рукоятки 24Упругий элемент изготавливают иэ .монокристаллического кремния, сапфира,кварцевого стекла, ситалла и других хрупких материалов с соответствующимиупругими и прочностными характеристикаГлубина вклеивания каждого торца упругого элемента 7 составляет половинудиаметра элемента, Направляюший корпус3 105 6701 4 18 предназначен для восприятия систе- : ной длины скоб на разность коэффициен.- мой изгибающего момента в тех случаях, тов теплового расширения материалов упкогда при измерениях сжимающих усилий = ругого элемента и скоб. имеет место внецентренное нагружениеупругого элемента. 5 Если упругий элемент, скобы и нитеВлияние иа общую методическую го- видный монокристалп выполнен из одногрешность измерения могут оказать .аз- го материала, например, кремния, то услоличные значения коэффициентов темпера- вие температурной компенсации выполнятурного расширения упругого элемента 7, ется при любых соотношениях их длин. скоб ХО и 11, а также монокристалпа О3 (фиг, 1). Компенсацию температурной Для измерения больших усилий сжатия погрешности, обусловленной разнородно- одним динамометром на пределы 250, стью материалов, производят путем со, 100 тс упругий элемент может . ответствующего выбора длины скоб в за- быть изготовлен иэ кварца, оптического стекла, ситалла. У динамометров, предвисимости от значений коэффициентов от значений температурного расширения назначенных для измерения усилий сжатия, материалов упомянутых выше элементов меньше 100 тс, упругий элемент целесо-конструкции динамометра. образно изготавливать из монокристалПусть в общем случае упругий эле- лического кремнии. . мент 7, скобы 10 и 11 и нитевидный 2 о Динамометр работает следующим обмонокристалл 3 выполнен из материалов разомс различными коэффициентами термичес- Между одним из контактов к кристаллу кого расширения О с( с соответ и 5 и контактом 6 подается перемен 1 Яственно, Обозначим расстояние между . ное напряжение на частоте собственных точками крепления скоб к упругому эле механических колебаний нитевидного моменту 8 и 9 через , через= (О + нокристалла. Электростатическое взаимо 2 - с 4И )обозначим сумму длин скоб 10 и 11 действие между кристаллом 3 и скобойСокоторые на фиг. 1,соответственно равны 10 вьгэывает поперечные колебания моно- расстояниям между точками 2 и 9 и точ- крисалла, частота которых будет завиками 1 и 8, Длину нитевидного монокрис-зо сеть от его деформации, обусловленной талла, равную расстоянию между точка- деформацией упругого элемента, а следоми 1 и 2, обзначим через 3, ватепьно, величиньг . действующей наПри изменении температуры на Д"дли- датчик сипы.на нитевидного монокристалла изменит- При поперечных механических колебаниях тензочувствитепьного нитевидногося на величинуЬс=аътсЭ 5монокристалла его электрическое сопротивление изменяется с удвоенной частоЧтобы в монокрисалл н возник -ких колебаний, поскольку за период ме- стояние между точками его крепленияменяет свою длину от некоторой минирасширения ско и упру ого ле мапьной соответствующей среднему поломента на такую же вели у = 2 ен ю кристалла до некоторой максималь-,чин Ь =ожфьт 92. А 1ной соответствующей наибольшему егоотклонению от среднего положения, ВследУчитывай, что 14, 2 исвЯзаны 45 ствие изменения электрического.сопротивсоотношением Р= Р- ЮЗ, и исключив пения монокристалла при подаче на кониэ предыдущего выражения , получим такты 4 и: В постоянного электрическогопосле приравнивания величины Ь 1 усло- напряжения через него. протекает пульсир.вие для температурной компенсации в рычащий ток. Выделенная переменная со 6 (4, -3, )"(с -3,).ставпяющая этого тока (или напряжения)2 х 1-Ъ ьимеет удвоенную частоту по отношению кТаким образом, условием компенса- частоте механических колебаний и служит ции температурнбй погрвшности предлага- информативным параметром о частоте коемого динамометра является равенство прэ лебаний кристалла, т.е. о величине дейст- изведения длйны нитевидного мрнокристаювующей силы. Работу такого вибропреобла на разность коэффициентов теплового . разоввтеля осчпествляют либо в режиме расширения материалов упругого элеввн- вынужденных колебаний, либо в режиме авта и монокристапла произведению суммар- токолебаний.5 1 0167Особенностью вибропреобразователя на основе нитевидного тензочувствительного монокристалла является большой диапазон изменения частоты собственных колебаний при его деформации. Этот диа пазон удваивается при регистрации электрических колебаний за счет тензоэффекта. Твк, например, нитевидный монокристалл кремния длиной 10 мм и диаметром 10 мкм при деформации в пределах0 0-10-ф относительных единиц изменяет частоту собственных колебаний от1,5 кГц, до 45 кГц. Соответственно диапазон частот изменения его электросопротивления вследствие тензоэффекта состав 15 ляет 3-90 кГц. Чувствительность к деформации виброчастотного преобразователя-8 с таким монокристаллом равна 210 Относительных единиц на герц, Диапазон частот еще более расширяется, а чувст вительность к деформации повьпнается при выборе более тонких и коротких кристаллов к деформациям (мехайическнм напряжениям) для вибропреобразователей силоизмерительных при боров, выпускаемых25 г 01 6прдмьпиленностью недостижимы: Для сравнения укажем, что девиация частоты при номинальных нагрузках вибрационном: частотного динамометра, выбранного в качестве прототипа, составляет всего 25-30% по сравнению с почти 30-кратным изменением частоты у предлагаемого вибропреобразователя.Использование для упругих элементов динамометров материалов с высокой прочностью на сжатие (кварцевое стекло, ситалл) позволяет создать измерительные устройства на такие высокие пределы измерений, которые в настоящее время сушествуюшими средствами не обеспечиваются (500 тс, 1000 тс и выше), При этом предлагаемые динамометры характеризуются небольшими габаритами и массой. Например, динамометр на 1000 тс будет иметь диаметр упругого элемента из кварца всего 12 см и массу в несколько десятков яйограммов. Виброчастотный датчик силы на 100 тс имеет массу в несколько сот килограммов.