Тензорезисторный датчик силы

(19) (11) 4(51) С 01 Ь 1 22 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4-10(21) 3598815/ (22) 25.05,83 (46) 1502.85 (72) Л.М. Вули А.И, Кравченк и В.Ф. Семеню (71) Одесский ого Знамени ности ний равен опреобевого 1 (Ъ) вершины нем с целью повышения чувствител и точности датчика силы, сред диаметр подреэисторных колец 0,3-1,0 наружного диаметра сил разующего звена, а толщина о сечения подрезисторнык колец на произвольной высотеот кольца определяется соотноше 9 6Трудового Крас ический инстиМ о - ,де О еченияольца в сечения подьца,в осноо но перпендикувершины коль при это сечения ванин к вершине ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ОСАХПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ 9 н политехнтут(56) 1. Авторское свидетельство СССР ( 208997, кл. С 01 Ь 1/04, 1966.2. Авторское свидетельство СССР В 455253, кл. С 01 Ь 1/22, 1973.3. Авторское свидетельство СССР Мф 412500, кл. С О 1 Ь 1/22, 1971 (прототип).(54)(57) ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЪЙ ДАТЧИК СИЛЫ, содержащий осесимметричный упругий элемент в виде тела вращения с силопреобразующим звеном в форме пластины, кольца или оболочки и выполненные за одно целое концентрические подрезисторные кольца с рас положенными на них тензорезисторами,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,толщина осевогоподрезисторноговершине, мм;толщина осевогорезисторного колванин, мм;высота падрезисца, мм;высота сечения,лярного оси от ца, мм,м отношение толщины осевогоподрезисторньпс колец в оснтолщине того же сечения вне менее двух.где а - толщина осевого сеченияподрезисторного кольцав вершине, мм;Ь - толщина осевого сечения55 подрезисторного кольца восновании, мм;Н - высота подрезисторногокольца, мм; 11399Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для точного измерения усилий.Известны тензорезисторные датчики силй, содержащие осесимметричный упругий элемент в виде тела вращения с с 14 лопреобразующим звеном в форме пластины, кольца или оболочки и выполненные эа одно целое или жест О ко соединенные с ним концентрические подрезисторные,кольца с расположенными йа них тензорезисторами.При этом толщина осевого сечения колец постоянна вдаль осн Щ н с 22. 5Принцип работы таких датчиков силы основан на том, что при приложении . осевой нагрузки их деформация преобразуется в деформацию подрезисторных колец и расположенных на них тензорезисторов. При этом точность измерения усилия тем выше, чем больше чувствительность упругого элемента при прочих равных условиях, т.е. чем больше деформация тензорезисто- д 5 ров при одном и том же напряженно- деформированном состоянии упругого, элемента.В упругих элементах, содержащих концентрические подрезисторные кольца, повышение. чувствительности возможно путем увеличения высоты колец и соответствующего отдаления тензорезисторов от нейтральной плоскости изгибаемого силопреобразующего звена35 упругого элемента. Однако такое увеличение возможно 1 лишь в определенных, довольно небольших пределах в связи с тем, что при дальнейшем увеличении высоты кольца 4 О из-за прогиба его консольного участка приращение радиальной деформации уменьшается, а увеличение высоты коньца значительно повышает жесткость упругого элемента, что ведет к снижению его чувствительности, В обоих случаях для достижения адекватной величины рабочего коэффициента передачи необходимо увеличить деформацию упругого элемента, что влечет 50 за собой повышение уровня напряжений в нем и ухудшение метрологических характеристик.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство, в котором подрезисторные кольца упругого элемента имеют осевое сече 80 1ние,уменьшающееся к периферийному торцу 31.На фиг. 1 представлена деформация подрезисторных колец растяжений АС и сжатия АВ при различном исполнении осевого сечения колец.В упругих элементах, у которых подрезисторные кольца имеют постоянную толщину, Форма упругой линии их осевого сечения изображена кривыми АВ и АС . Из-за прогиба консольного участка кольца (фиг. 1) его радиальная деформация ЬВ значительно меньше радиального перемещения К, нормалей АВ, и АСЭ, а относительно прямолинейный участок кольца ограничен небольшой высотой Д Н а . В упругом элементе, подрезисторные кольца которого имеют осевое сечение, уменьшающееся к периферийному торцу, упругие линии осевого сечения АВ, и АС, обеспечивают большую радиальную деформациюК, и имеют больший относительно прямолинейный участок Н одцако сохраняют присущие кольцам поспоянного сечения недостатки, обусловленные про - гибом их сечения.Цель изобретения - повышение чувствитЕльности и точности тензорезисторных датчиков силы.Укаэанная цель достигается тем, что в тензорезисторном датчике силы, содержащем осесимметричный упругий элемент. в виде тела вращения с силопреобразующим звеном в форме пластины, кольца или оболочки и выполненные за одно целое концентричес - кие подреэисторные кольца с расположенными на них тензорезисторами, средний диаметр подрезисторных колец равен 0,3-1,0 наружного диаметра силопреобразующего звена, а толщина осевого сечения подрезисторнык колец Ь(г) на произвольной высоте г от вершины кольца определяется соотношением9980 4 сечения п(г) при изгибе, а угол его поворота будет равен 3 113г - высота сечения, перпендикулярного оси от вершины кольца, мм,при этом отношение толщины осевого сечения подрезисторных колец в основании к толщине того же сечения в вершине не менее двух.Оптимальной является форма упругой линии сечения колец, совпадающая с линиями АВ, и АС - норма лями к нейтральной плоскости изогнутой пластины. Все это можно отнести к любым осесимметричным упругим элементам с силопередающим звеном в виде тела вращения (кольцо, оболочка цилиндрическая, коническая и т.д.), рассматривая собственную деформацию подрезисторных колец от воздействия силовых факторов, заменяющих остальную часть упругого 5 где Щ - угол поворьта сечения;В - ширина сечения.Для оболочки равных углов поворота должно соблюдаться условие 1 О(4) не должна обращаться в. нуль.Таким условиям удовлетворяет функция Е2 Н сЬ А Р+40 а)Р( г) = --- асс Се(5)3 аг 1 ппри 5 (Ассл; -2. Ь.Продифференцировав (5) и подставив его в (4), после соответствующих ЗО преобразований получаем1коэффициент Пуансона материала подрезисторного кольца; . модуль упругости 1 рода материала подрезисторного кольца;средний радиус;толщина на произвольной высоте кольца;интенсивность эквивалентной нагрузки. где 1 Так как в реальных конструкциях подрезисторных колец. с 1, тоЫй)ргвторым членом в (1) можно пренебречь,55 и уравнение будет эквивалентно основному дифференциальному уравнению упругой линии стержня переменного элемента.Требованию совпадения упругой линии с нормалями АВ, и АС, отвечают кольца равных углов йоворота поперечных сечений, т.е. такие кольца, у которых в деформированном состоянии все поперечные сечения на любой высоте кольца имеют практически одинаковые углы поворота.Определение конструктивных параметров таких колец осуществляется на основании известных зависимостей.П р и м е р. Так как рассматриваемые подреэисторные кольца представляют собой цилиндрическую оболочку с осевым сечением переменной толщины, то дифференциальное уравнение изгиба такой оболочки имеет вид Так как в выражении (2) от г зависит только подинтегральная функция, то для соблюдения условий (3) эта функция Р(г) на всем протяжении й должна быть практически постоянной, а ее производная Таким образом, параметры подреэисторного кольца в виде оболочки равных углов поворота определяются зависимостью (6). Такие кольца обеспечивают оптимальную реализацию напряженно-деформированного состояния упругого элемента.в деформацию тензореэисторов.Смысловое значение параметров а, Ь и Н представлено на фиг. 2(а,б) на фиг. 3(а,б) приведены примеры конкретного выполнения силоизмерительных элементов для датчиков по настоящему изобретению.Подрезисторные кольца 1 и 2 могут располагаться на торце силопреобразующего звена (фиг. Эа) или на его наружном диаметре (фиг. Эбпоз. 1 и 2). Возможйо также и комбинированное сочетание - на торце и наружном диаметре (фигЭб, поз.1 и 2 ).На фиг. 3 сипопреобразувзцее звено 3 выполнено в виде пластины, однако3 1139980 бЬвсе изложенное относится и к другой резисторных колец равных углов поосесимметричной форме силопреобразую" ворота.щего звена в виде тела вращения, Кроме того, параметры подреэиснапример кольца, оболочки цилиндри- торных колец, определенные по завической, конической и т.д., Во всех 5 симости (6), достаточно точно подэтих случаях независимо от формы даются аппроксимации дугами окружсилопреобразующего звена в виде ностей (фиг. 2 б) соответствующего тела вращения в датчике реализуют-радиуса, что упрощает технологию ся все изложенные достоинства под= их изготовления.1139980 Редактор Н. Гор Подписноета СССР Тираа 897 НИИПИ Государственного коми по делам изобретений и от 035, Москва, Ж, Раушска Заказ 253/ б д. 4/ ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проект Составитель В, Курбатоваа.Техред А.Бабинец Корректор М. Леонткк