RU2112942C1

RU2112942C1 - Device measuring force

Info

Publication number: RU2112942C1
Application number: RU95121878A
Authority: RU
Inventors: Д.Т. Шахматов; Е.Д. Шахматов
Original assignee: Обнинский институт атомной энергетики
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1998-06-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device measuring force has two elastic element arrange one inside another and measurement converter mounted on internal element. One of elastic elements is manufactured in the form of cylindrical case and the other one - internal element is made in the form of tube cylindrical part of which borders on parts of tube, one having external conical surface and the other one having internal conical surface. Angle between generating line of each conical surface and axis of cone is equal to 45 deg and conical surfaces and surfaces of cylindrical part of tube bordering on them have longitudinal cuts forming individual tabs. Primary measurement converter can be manufactured in the form of wire ring resistance strain gauge. Measurement converter can be fabricated in the form of two wire ring resistance strain gauges, one in compression zone , the other in tension zone. EFFECT: high measurement accuracy within wide range. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к силоизмерительной технике и предназначено для измерения с повышенной точностью силы в широком диапазоне. The invention relates to load-measuring technique and is intended for measuring with increased accuracy of force in a wide range.

Известно силоизмерительное устройство, в котором кольцевой упругий элемент с первичными преобразователями подвергается в процессе нагружения скручиванию от возникающего момента [1]. Основным недостатком этого устройства является ограниченность упругих характеристик кольцевого элемента, выполненного из стали. A force measuring device is known in which an annular elastic element with primary transducers is subjected to torsion during loading due to an arising moment [1]. The main disadvantage of this device is the limited elastic characteristics of the annular element made of steel.

В другом аналоге осуществлен также принцип деформирования кольца, на котором закреплены тензорезисторы, сигнал которых детектируется напряжениями, возникающими в кольце от нагрузки [2]. In another analog, the principle of ring deformation is also implemented, on which strain gages are fixed, the signal of which is detected by the stresses arising in the ring from the load [2].

Этому аналогу свойственны те же недостатки, что и предыдущему. This analogue has the same drawbacks as the previous one.

В качестве прототипа предлагаемого устройства принято измерительное устройство, в котором силоупругий элемент состоит из двух деталей: внешнего кольца, воспринимающего нагрузку, и кольцевого разрезного элемента с первичным измерительным преобразователем, размещенного внутри первого [2]. As a prototype of the proposed device, a measuring device is adopted, in which the resilient element consists of two parts: an outer ring that receives the load, and an annular split element with a primary measuring transducer located inside the first [2].

Недостатком прототипа является тот же, что и у предыдущих - невозможность повысить чувствительность, а следовательно, снизить погрешность, по причине ограниченных упругих характеристик материалов силоупругих элементов. Кроме того, не предусмотрена защита от внешней среды (герметизация). The disadvantage of the prototype is the same as in the previous ones - the inability to increase the sensitivity, and therefore, reduce the error, due to the limited elastic characteristics of the materials of the elastic elements. In addition, protection from the external environment (sealing) is not provided.

Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении чувствительности и снижении погрешности измерений, а также на достижение герметичности и осесимметричности приложения нагрузки. The invention is aimed at achieving a technical result, which consists in increasing the sensitivity and reducing the measurement error, as well as to achieve tightness and axisymmetry of the load.

Это достигается тем, что устройство для измерения усилий содержит два упругих элемента, первичный измерительный преобразователь, отличающееся тем, что один из упругих элементов выполнен в виде корпуса - цилиндра, внутри которого расположен второй упругий элемент в виде цилиндрической трубки, на которой имеются две конические поверхности с углом конуса 90^o, одна из которых внешняя, другая - внутренняя, при этом конические поверхности и прилегающие к ним цилиндрические части трубки разрезаны в продольном направлении.This is achieved by the fact that the device for measuring forces contains two elastic elements, a primary measuring transducer, characterized in that one of the elastic elements is made in the form of a housing - a cylinder, inside of which there is a second elastic element in the form of a cylindrical tube on which there are two conical surfaces with a cone angle of 90 ^° , one of which is external, the other is internal, while the conical surfaces and the adjacent cylindrical parts of the tube are cut in the longitudinal direction.

В качестве первичных измерительных преобразователей применены проволочные кольцевые тензоpистоpы, один из которых расположен в сжатой, а другой в растянутой зоне конической поверхности. Для этого трубка разделена на две части жестким кольцом. As the primary measuring transducers, wire ring tensors are used, one of which is located in the compressed and the other in the extended zone of the conical surface. For this, the tube is divided into two parts by a rigid ring.

Конструктивная схема устройства представлена на фиг. 1. A structural diagram of the device is shown in FIG. one.

Устройство состоит из следующих основных деталей: 1 - корпус; 2 - цилиндрическая трубка с двумя коническими поверхностями а; б; 3 - верхняя крышка с конусом а; 4 - нижняя крышка с коническим гнездом. Трубка 2 имеет жесткое кольцо в с резьбой, благодаря чему области сжатия и растяжения с преобразователями 5, 6 конических поверхностей трубки 2 разделена и на каждую приходится половине линейной деформации корпуса - цилиндра. В местах расположения конических поверхностей и прилегающих к ним цилиндрических частей трубки 2 предусмотрены продольные разрезы m. The device consists of the following main parts: 1 - housing; 2 - a cylindrical tube with two conical surfaces a; b; 3 - top cover with a cone a; 4 - bottom cover with conical socket. The tube 2 has a rigid ring in with a thread, so that the compression and tension areas with transducers 5, 6 of the conical surfaces of the tube 2 are divided and each accounts for half the linear deformation of the cylinder body. At the locations of the conical surfaces and adjacent cylindrical parts of the tube 2, longitudinal sections m are provided.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При приложении нагрузки P корпус 1 испытывает линейную деформацию. Вместе с верхним торцем корпуса 1 перемещается конус крышки 3, который распирает конические лепестки n трубки 2, на цилиндрической поверхности которых навиты витки микропроволоки тензорезисторов 5. Одновременно сжатию подвергается нижняя часть корпуса с коническим гнездом в нижней крышке 4, с помощью которого происходит сжатие внешнего конуса б трубки 2. Оба преобразователя заведены в полумостовую схему измерительного прибора, чем обеспечивается термокомпенсация и усиление сигналов. When the load P is applied, the housing 1 experiences a linear deformation. Together with the upper end of the housing 1, the cone of the cap 3 moves, which bursts the conical lobes n of the tube 2, on the cylindrical surface of which coils of the microwire of the strain gauges are wound 5. The lower part of the casing with the conical socket in the lower cover 4 is simultaneously compressed, by means of which the outer cone is compressed b tubes 2. Both transducers are connected to a half-bridge circuit of the measuring device, which ensures thermal compensation and signal amplification.

После снятия нагрузки упругие силы корпуса и лепестков трубки возвращают тензометрические датчики в исходное положение. After removing the load, the elastic forces of the body and the tube petals return the strain gauges to their original position.

Настройка измерительной схемы вначале производится путем вворачивания крышки 3 с конусом, а затем, в процессе измерений, с помощью крышки 4 и измерительного прибора. Setting up the measuring circuit is first done by screwing the cover 3 with a cone, and then, during the measurement process, using the cover 4 and the measuring device.

Для обоснования более высокой чувствительности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом необходимо рассмотреть деформацию конической поверхности трубки. To justify the higher sensitivity of the proposed device compared with the prototype, it is necessary to consider the deformation of the conical surface of the tube.

На фиг. 2 показана схема действия сил и смещения конической поверхности, где: Δ - половина величины сжатия корпуса под воздействием силы P; X - отгиб лепестка (внутренней его конической поверхности); α - угол образующей конуса с осью. In FIG. 2 shows a diagram of the action of forces and displacement of a conical surface, where: Δ is half the magnitude of the compression of the body under the influence of force P; X is the limb of the petal (its inner conical surface); α is the angle of the generatrix of the cone with the axis.

Под действием силы P корпус датчика сжимается, причем половина перемещения от сжатия приходится на верхнюю часть, а половина на нижнюю. Тогда запишем X = Δtgα . Возьмем для примера максимальный случай α = 45^° , тогда X = Δ . Длина витка тензометрической проволоки увеличивается на величину, равную:
Δl = π(d+2X)-πd = 2πX•n
где
n - число витков.Under the action of force P, the sensor housing contracts, with half of the displacement from compression falling on the upper part and half on the lower. Then we write X = Δtgα. Take for example the maximum case α = 45 ^° , then X = Δ. The length of the coil of strain gauge wire increases by an amount equal to:
Δl = π (d + 2X) -πd = 2πX • n
Where
n is the number of turns.

Относительное удлинение:

Для d = 30 мм и X = 0,075 (данные взяты в качестве примера).Relative extension:

For d = 30 mm and X = 0.075 (data taken as an example).

При чувствительности прибора 1•10^-6 е.о.д. имеем ε = 5000•10^-6 е.о.д.

When the sensitivity of the device is 1 • 10 ^-6 e.d. we have ε = 5000 • 10 ^-6 e.d.

Эта деформация тензометрической микропроволоки, а не материала упругого элемента. This strain is a strain gauge microwire, not a material of an elastic element.

При P = 50 тс чувствительность равна 10 КГС, что составляет погрешность 0,02%. At P = 50 tf, the sensitivity is 10 KGS, which is an error of 0.02%.

Из рассмотренного выше можно сделать вывод о том, что при абсолютной деформации половина длины корпуса устройства δ = 0,075 мм диаметр растянутой зоны трубчатого элемента в месте расположения тензорезистора 5 увеличивается на двойную величину осевого сжатия половины корпуса датчика, т.е. X₁ = 2 • 0,075 = 0,15 мм. Поскольку разрезы дают возможность отгибаться лепестками трубки 2 на любую заранее рассчитанную величину (все зависит от длины разреза), не превышая напряжений в корне лепестков σ_пц (напряжения пропорциональности), то повышение чувствительности датчика можно достичь за счет увеличения деформации тензочувствительности микропроволоки, у которой механические характеристики значительно выше любой легированной стали, а также за счет размера диаметра d намотки тензорезистора.From the above, we can conclude that with absolute deformation, half the length of the device casing δ = 0.075 mm, the diameter of the stretched zone of the tubular element at the location of the strain gauge 5 increases by twice the axial compression of half the sensor casing, i.e. X ₁ = 2 • 0.075 = 0.15 mm. Since the cuts make it possible to bend the petals of the tube 2 to any pre-calculated value (it all depends on the length of the cut) without exceeding the stresses at the root of the petals σ _pc (proportional stresses), an increase in the sensitivity of the sensor can be achieved by increasing the strain sensitivity of the microwire, which has mechanical the characteristics are significantly higher than any alloy steel, and also due to the size of the diameter d of the winding of the strain gauge.

Что же касается стабильности показаний датчиков, их ползучести и дрейфа нуля, то из литературных источников и лабораторных исследований известно, что у кольцевых тензорезисторов они отсутствуют или очень малы. As for the stability of the sensor readings, their creep and zero drift, it is known from literary sources and laboratory studies that they are absent or very small in ring strain gages.

В нижней половине трубчатого элемента цилиндрическая часть разреза не имеет в месте укладки тензочувствительной микропроволоки и несколько отодвинута от конуса утоньшенной частью трубки. Деформация тензочувствительной микропроволоки в этом случае практически близка к деформации материала (учитывая чувствительность датчика). При действии нагрузки P в этом случае сжатие внешней конической поверхности передается цилиндрической частью 6, где расположен тензорезистор 6. In the lower half of the tubular element, the cylindrical part of the section does not have a strain-sensitive microwire in place of laying, and is slightly moved away from the cone by the thinned part of the tube. The deformation of the strain-sensitive microwire in this case is almost close to the deformation of the material (taking into account the sensitivity of the sensor). Under the action of the load P, in this case, the compression of the external conical surface is transmitted by the cylindrical part 6, where the strain gauge 6 is located.

Следует отметить также конструктивную компактность, малогабаритность, возможность полной герметизации устройства. It should also be noted constructive compactness, small size, the ability to completely seal the device.

Таким образом, отличительной особенностью прилагаемого устройства для измерения усилий является выполнение конструктивной схемы с двумя упругими элементами, взаимосвязанными деформацией, причем линейная деформация одного (сжатие) передается второму с увеличением в радиальном направлении вдвое (в месте растяжения первичных преобразователей), а в месте сжатой зоны до ≈ 1,5 (могут изменяться в зависимости от угла конических поверхностей и конструкции места под преобразователи). Обеспечивая в корне лепестков трубки 2 напряжение пропорциональности, конструктивная схема позволяет увеличить сигнал от преобразователей (по сравнению с прототипом и аналогами в максимальном исполнении) почти в 8 раз. Этим устройством можно осуществлять регистрацию нагрузок в широком диапазоне с высокой чувствительностью и погрешностью < 0,05% (по экспериментальным данным). Thus, a distinctive feature of the attached device for measuring forces is the implementation of a structural scheme with two elastic elements interconnected by deformation, moreover, the linear deformation of one (compression) is transmitted to the second with a double increase in the radial direction (at the place of stretching of the primary transducers), and at the place of the compressed zone up to ≈ 1.5 (may vary depending on the angle of the conical surfaces and the design of the place for the converters). Providing the proportional voltage at the root of the petals of the tube 2, the structural circuit allows to increase the signal from the converters (compared to the prototype and analogues in the maximum performance) by almost 8 times. This device can record loads in a wide range with high sensitivity and error <0.05% (according to experimental data).

Claims

1. A device for measuring forces, comprising two elastic elements placed one inside the other and a primary measuring transducer located on the internal elastic element, characterized in that one of the elastic elements is made in the form of a cylindrical body, and the other is internal in the form of a tube, the part of which is made cylindrical adjacent to the parts of the tube, one of which has an external and the other internal conical surface, the angle between the generatrix of each of the conical surfaces and the axis of the cone equal to 45 ^o , and on the conical surfaces and adjacent surfaces of the cylindrical part of the tube, longitudinal cuts are made, forming separate petals.

2. The device according to claim 1, characterized in that the primary measuring transducer is made in the form of a wire ring strain gauge.

3. The device according to claim 1, characterized in that the primary measuring transducer is made in the form of two wire ring strain gages, one of which is located in the compression zone, and the other in the tension zone of the internal elastic element.

4. The device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in the locations of the strain gauges made helical grooves.

5. The device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a rigid ring with a thread separating the compression and tension zones is made on the inner elastic element.