RU142601U1

RU142601U1 - TENSOR RESISTANCE POWER SENSOR

Info

Publication number: RU142601U1
Application number: RU2014111482/28U
Authority: RU
Inventors: Василий Корнилович Голованов; Светлана Николаевна Мишустина
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-06-27

Abstract

Тензорезисторный датчик силы, содержащий осесимметричную пластину, выполненную за одно целое со столбиками, расположенными по концентрическим окружностям и соединенными с подрезисторными кольцами и размещенными на них винтовыми проволочными тензорезисторами, с выполненными вертикальными выборками материала, глубина которых равна высоте подрезисторных колец, отличающийся тем, что по обе стороны осесимметричной пластины расположены два жестких кольца меньшего и большего диаметров, имеющих соответственно оболочки меньшего и большего диаметров, соединенных за одно целое с осесимметричной пластиной, а выборки материала на подрезисторных кольцах выполнены в форме цилиндров с меньшими и большими диаметрами, при этом выборки материала с меньшим диаметром расположены над столбиками, между внутренней и внешней цилиндрическими поверхностями подрезисторных колец, выборки материала с большим диаметром расположены между столбиками и смещены к внутренней цилиндрической поверхности подрезиторных колец, пересекая ее, а ширина сечения столбиков в радиальном направлении увеличивается от подрезисторных колец к осесимметричной пластине.A strain gauge force transducer containing an axisymmetric plate made in one piece with columns arranged in concentric circles and connected to resistive rings and screw helical strain gauges placed on them, with vertical material samples made, the depth of which is equal to the height of the resistor rings, characterized in that on both sides of the axisymmetric plate there are two rigid rings of smaller and larger diameters, respectively having shells of a smaller and a larger about diameters connected in one piece with an axisymmetric plate, and the material samples on the resistor rings are made in the form of cylinders with smaller and larger diameters, while the material samples with a smaller diameter are located above the columns, between the inner and outer cylindrical surfaces of the resistor rings, the material samples with large diameters are located between the columns and are shifted to the inner cylindrical surface of the resonator rings, crossing it, and the width of the cross section of the columns in the radial direction is It differs from sub-resistor rings to an axisymmetric plate.

Description

Полезная модель относится к весовой технике, в частности к тензорезисторным датчикам силы, предназначенным для точного измерений сил, в том числе в агрессивных средах.The utility model relates to weight engineering, in particular to strain gauge force sensors, designed for accurate measurement of forces, including in aggressive environments.

Известен силоизмерительный датчик (А.С. 424025, МПК G01L 1/22, опубл. 17.09.74. Бюл. №14), содержащий упругий элемент в виде диска с силовоспринимающей частью и стойки для бесклеевых тензорезисторов растяжения сжатия расположенных по окружности с обоих торцов упругого диска, при этом отношение диаметра окружности стоек для тензорезисторов растяжения к диаметру окружности стоек для тензорезисторов сжатия выбрано в пределах 0,6-0,8.Known load cell (AS 424025, IPC G01L 1/22, publ. 17.09.74. Bull. No. 14) containing an elastic element in the form of a disk with a power-sensing part and a rack for glueless tensile strain gages compression compression located on a circle from both ends an elastic disk, the ratio of the diameter of the circumference of the struts for tensile strain gauges to the diameter of the circumference of the struts for compression strain gauges is selected in the range of 0.6-0.8.

Недостатком такого датчика является то, что необходим корпус, чтобы оградить тензорезисторы от внешней среды, так как они установлены на стойках. Соединение корпуса с упругим диском воспринимает часть приложенного усилия, которое передается деталям указанного соединения, что снижает точность измерения. Наличие корпуса, требует герметичного соединения его с упругим диском, и это соединение при воздействии агрессивной среды разрушается, что приводит к отказу датчика силы.The disadvantage of this sensor is that a housing is needed to protect the strain gages from the external environment, since they are mounted on racks. The connection of the housing with the elastic disk perceives part of the applied force, which is transmitted to the parts of the specified connection, which reduces the measurement accuracy. The presence of the housing requires a hermetic connection with an elastic disk, and this connection is destroyed by the action of an aggressive environment, which leads to a failure of the force sensor.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является тензорезисторный датчик силы (А.С. 1035432, МПК G01L 1/22, опубл. 15.08.83. Бюл. №30), содержащий осесимметричную пластину, выполненную за одно целое со столбиками, расположенными по обе стороны пластины по концентрическим окружностям и соединенными с подрезисторными кольцами с размещенными на них винтовыми проволочными тензорезисторами, при этом в месте соединения столбиков и подрезисторных колец выполнены выборки материала, глубина которых равна высоте колец, а периметр образован цилиндрической поверхностью концентричной внешней поверхности подрезисторного кольца и двумя плоскими гранями, параллельными боковым граням соответствующего столбика,The closest in technical essence and the achieved result is a strain gauge force sensor (A.S. 1035432, IPC G01L 1/22, publ. 15.08.83. Bull. No. 30), containing an axisymmetric plate, made in one piece with the columns located on both sides of the plate along concentric circles and connected to resistor rings with screw wire strain gauges placed on them, while at the junction of the columns and resistor rings material samples are made, the depth of which is equal to the height of the rings, and the perimeter is about it is graded by the cylindrical surface of the concentric outer surface of the resistor ring and two flat faces parallel to the side faces of the corresponding column,

Недостатком указанной конструкции, также как и выше, является то, что необходим корпус для защиты верхнего кольца с проволочными тензорезисторами от воздействия окружающей среды. Поэтому при приложении измеряемого усилия некоторая его часть воспринимается корпусом, что ухудшает показатели точности измерений.The disadvantage of this design, as well as above, is that a housing is needed to protect the upper ring with wire strain gauges from environmental influences. Therefore, when a measured force is applied, some of it is perceived by the body, which worsens the accuracy of measurements.

В этой связи важнейшей задачей является создание новой конструкции тензорезисторного датчика силы, позволяющей с повышенной надежностью передавать деформацию тензорезисторам и измерять динамические нагрузки с высокой точностью.In this regard, the most important task is to create a new design of the strain gauge force sensor, which allows with increased reliability to transmit strain to strain gauges and measure dynamic loads with high accuracy.

Технический результат: повышение надежности и точности измерения динамических нагрузок, в том числе и в агрессивных средах.Effect: increasing the reliability and accuracy of measuring dynamic loads, including in aggressive environments.

Поставленный технический результат достигается тем, что в тензорезисторном датчике силы, содержащем осесимметричную пластину, выполненную за одно целое со столбиками, расположенными по концентрическим окружностям и соединенными с подрезисторными кольцами, с размещенными на них винтовыми проволочными тензорезисторами, с выполненными вертикальными выборками материала, глубина которых равна высоте подрезисторных колец, по обе стороны осесимметричной пластины расположены два жестких кольца меньшего и большего диаметров, имеющих соответственно оболочки меньшего и большего диаметров, выполненные за одно целое с осесимметричной пластиной, а выборки материала на подрезисторных кольцах выполнены в форме цилиндров с меньшими и большими диаметрами, при этом выборки материала с меньшим диаметром расположены над столбиками, между внутренней и внешней цилиндрическими поверхностями подрезисторных колец, выборки материала с большим диаметром расположены между столбиками и смещены к внутренней цилиндрической поверхности подрезиторных колец, пересекая ее, а ширина сечения столбиков в радиальном направлении увеличивается от подрезисторных колец к осесимметричной пластине.The technical result is achieved by the fact that in a strain gauge force sensor containing an axisymmetric plate, made in one piece with columns located along concentric circles and connected to resistor rings, with screw wire strain gauges placed on them, with vertical samples of material with a depth equal to the height of the resistor rings, on both sides of the axisymmetric plate there are two rigid rings of smaller and larger diameters having Naturally, shells of smaller and larger diameters, made in one piece with an axisymmetric plate, and samples of material on the resistor rings are made in the form of cylinders with smaller and larger diameters, while samples of material with a smaller diameter are located above the columns, between the inner and outer cylindrical surfaces of the resistor rings , samples of material with a large diameter are located between the columns and are shifted to the inner cylindrical surface of the resonator rings, intersecting it, and the width of the section tolbikov radially increases from podrezistornyh rings for axisymmetric plate.

Жесткие кольца и оболочки большего и меньшего диаметров позволяют расположить подрезисторные кольца во внутренней области тензорезисторного датчика силы, при этом жесткие кольца позволяют соединить их с изготовленными отдельно крышками. Таким образом, измеряемое усилие будет полностью передаваться тензорезисторному датчику силы, что способствует передаче более точных данных, и позволяют производить измерения динамических нагрузок в том числе и в агрессивных средах.Rigid rings and shells of larger and smaller diameters make it possible to position the resistor rings in the inner region of the strain gauge force sensor, while the rigid rings allow them to be connected to separately manufactured caps. Thus, the measured force will be completely transmitted to the strain gauge force sensor, which contributes to the transfer of more accurate data, and allow measurements of dynamic loads, including in aggressive environments.

Увеличение ширины сечения столбиков в радиальном направлении от подрезисторных колец к осесимметричной пластине и наличие выборок в подрезисторных кольцах создают условия при которых в оболочке меньшего диаметра снижается уровень максимальных напряжений, следовательно, тензорезисторы получают большую деформацию, что значительно увеличивает точность и надежность измерения динамических нагрузок.An increase in the cross-sectional width of the columns in the radial direction from the resistor rings to the axisymmetric plate and the presence of samples in the resistor rings create conditions under which the maximum stress level decreases in the shell of a smaller diameter, therefore, the strain gauges receive a large deformation, which significantly increases the accuracy and reliability of measuring dynamic loads.

На фиг. 1 изображено осевое сечение тензорезисторного датчика силы и показано осевое сечение; на фиг.2 показан вид сверху.In FIG. 1 shows an axial section of a strain gauge force sensor and shows an axial section; figure 2 shows a top view.

Тензорезисторный датчик силы представленный на фиг. 1, фиг. 2, состоит из осесимметричной пластины 1, выполненной за одно целое со столбиками 2 и 3, расположенными по концентрическим окружностям и соединенными с подрезисторными кольцами 4 и 5 с размещенными на них винтовыми проволочными тензорезисторами 6 и 7, показанными условно, с выполненными вертикальными выборками материала, отмеченными позициями 8 и 9, глубина которых равна высоте подрезисторных колец 4 и 5. По обе стороны осесимметричной пластины 1 расположены два жестких кольца меньшего 10 и большего 11 диаметров, имеющих соответственно оболочки меньшего 12 и большего 13 диаметров, выполненных за одно целое с осесимметричной пластиной 1. На подрезисторных кольцах 4 и 5 выполнены выборки материала в форме цилиндров с меньшими 8 и большими диаметрами 9, при этом выборки материала с меньшим диаметром 8 расположены над столбиками 2 и 3, между внутренней 14 и внешней 15 цилиндрическими поверхностями подрезисторных колец 4 и 5, а выборки материала с большим диаметром 9 расположены между столбиками 2 и 3 и смещены к внутренней цилиндрической поверхности 14 подрезиторных колец 4 и 5, пересекая ее. Ширина сечения столбиков 2 и 3 в радиальном направлении увеличивается от подрезисторных колец 4 и 5 к осесимметричной пластине 1.The strain gauge force sensor shown in FIG. 1, FIG. 2, consists of an axisymmetric plate 1, made in one piece with columns 2 and 3, arranged in concentric circles and connected to the resistor rings 4 and 5 with helical wire strain gages 6 and 7 placed on them, shown conventionally with vertical samples of material, marked positions 8 and 9, the depth of which is equal to the height of the resistor rings 4 and 5. On both sides of the axisymmetric plate 1 are two rigid rings of less than 10 and more than 11 diameters, respectively having shells smaller 12 and larger 13 diameters, made in one piece with an axisymmetric plate 1. On the resistor rings 4 and 5, samples of material in the form of cylinders with smaller 8 and larger diameters 9 are made, while samples of material with a smaller diameter 8 are located above columns 2 and 3 between the inner 14 and outer 15 cylindrical surfaces of the resistor rings 4 and 5, and samples of material with a large diameter 9 are located between columns 2 and 3 and are shifted to the inner cylindrical surface 14 of the resistor rings 4 and 5, intersecting it. The cross-sectional width of the columns 2 and 3 in the radial direction increases from the resistor rings 4 and 5 to the axisymmetric plate 1.

Предлагаемый тнзорезисторный датчик силы работает следующим образом (фиг. 1).Осевая нагрузка P, приложена вдоль оси и действует со стороны жесткого кольца меньшего диаметра 10, а в качестве реакции опоры выступает жесткое кольцо большего диаметра 11. В результате оболочка меньшего диаметра 12 сжимается и влечет изгиб осесимметричной пластины 1. Так как она опирается на оболочку большего диаметра 13, то столбики 2 сжимают верхнее подрезисторное кольцо 4 с тензорезисторами 6, а столбики 3 растягивают нижнее подрезисторное кольцо 5 с тензорезисторами 7. Таким образом, верхние тезорезисторы 6 уменьшают свою длину, а нижние 7 увеличивают, и включенные в электрическую схему мостика Уинстона вырабатывают электрический сигнал пропорциональный приложенному усилию P.The proposed transistor force sensor works as follows (Fig. 1). The axial load P is applied along the axis and acts on the side of the rigid ring of smaller diameter 10, and the rigid ring of larger diameter 11 acts as a support reaction. As a result, the shell of smaller diameter 12 is compressed and entails a bending of the axisymmetric plate 1. Since it rests on a shell of a larger diameter 13, the columns 2 compress the upper resistor ring 4 with the strain gauges 6, and the columns 3 stretch the lower resistor ring 5 with the strain gauge 7. Thus, the upper mesoresistors 6 reduce their length, and the lower 7 increase, and included in the electrical circuit of the Winston bridge generate an electrical signal proportional to the applied force P.

Предлагаемый тензорезисторный датчик силы отличается от прототипа тем, что подрезисторные кольца 4 и 5 с тензорезисторами 6 и 7, расположены во внутренней полости тензорезисторного датчика силы. А жесткие кольца меньшего диаметра 10 и большего 11 не позволяют участвовать в передаче измеряемого усилия корпусным деталям с ними соединенными, например жесткими крышками, которые на фиг. 1 не показаны.The proposed strain gauge force sensor differs from the prototype in that the resistor rings 4 and 5 with the strain gauges 6 and 7 are located in the inner cavity of the strain gauge force sensor. And the rigid rings of a smaller diameter 10 and a larger 11 do not allow the housing parts to be connected to, for example, rigid caps, which are connected to FIG. 1 are not shown.

Отметим также существенное отличие от прототипа, заключающееся в том, что столбики 2 и 3 соединены в средней части осесимметричной пластины 1 и ширина сечения каждого столбика 2, 3 в радиальном направлении увеличивается от подрезисторных колец 4 и 5 к осесимметричной пластине 1, и соединены с внутренней стороны, что снижает в оболочке меньшего диаметра 12 уровень максимальных напряжений.We also note a significant difference from the prototype, namely, that the columns 2 and 3 are connected in the middle part of the axisymmetric plate 1 and the cross-sectional width of each column 2, 3 in the radial direction increases from the resistor rings 4 and 5 to the axisymmetric plate 1, and connected to the inner side, which reduces the maximum stress level in the shell of a smaller diameter 12.

Поэтому в отличие от прототипа деформация передается тензорезисторам с повышенной точностью и надежностью. Все это способствует увеличению точности и надежности измерения динамических нагрузок.Therefore, unlike the prototype, deformation is transmitted to strain gages with increased accuracy and reliability. All this helps to increase the accuracy and reliability of measuring dynamic loads.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно увеличить точность и надежность измерения динамических нагрузок, в том числе и для измерения в агрессивных средах.Thus, the proposed technical solution can significantly increase the accuracy and reliability of measuring dynamic loads, including for measurement in aggressive environments.

Claims

A strain gauge force transducer containing an axisymmetric plate made in one piece with columns arranged in concentric circles and connected to the resistor rings and screw helical strain gauges placed on them, with vertical samples of material, the depth of which is equal to the height of the resistor rings, characterized in that on both sides of the axisymmetric plate there are two rigid rings of smaller and larger diameters, respectively having shells of a smaller and a larger about diameters connected in one piece with an axisymmetric plate, and the material samples on the resistor rings are made in the form of cylinders with smaller and larger diameters, while the material samples with a smaller diameter are located above the columns, between the inner and outer cylindrical surfaces of the resistor rings, the material samples with large diameter are located between the columns and are shifted to the inner cylindrical surface of the resonator rings, intersecting it, and the width of the cross section of the columns in the radial direction is It differs from sub-resistor rings to an axisymmetric plate.