RU2190199C1 - Force vector pickup - Google Patents
Force vector pickup Download PDFInfo
- Publication number
- RU2190199C1 RU2190199C1 RU2001108261A RU2001108261A RU2190199C1 RU 2190199 C1 RU2190199 C1 RU 2190199C1 RU 2001108261 A RU2001108261 A RU 2001108261A RU 2001108261 A RU2001108261 A RU 2001108261A RU 2190199 C1 RU2190199 C1 RU 2190199C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- force
- force vector
- strain gauge
- measuring
- vector
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к конструкциям тензометрических датчиков силы и может быть использовано в испытательной и силоизмерительной технике. The invention relates to the construction of strain gauge force sensors and can be used in testing and load-measuring equipment.
Из уровня техники известен тензорезисторный датчик силы типа C1D фирмы НВМ (Германия), имеющий два тензомоста для измерения только осевой составляющей вектора силы, а для снижения влияния поперечных нагрузок на величину измеряемого параметра применен мембранный узел, однако, даже наличие последнего только снижает, а не исключает погрешность измерения осевой компоненты вектора силы от поперечных составляющих. В качестве аналога следует отметить известную схему многокомпонентного тензорезисторного датчика вектора силы, который содержит корпус, балочный упругий элемент с размещенными на нем тензорезисторами, соединенными в мостовые цепи, предназначенные для измерения осевой и поперечной составляющей вектора силы (Э. Бауманн. Измерение сил электрическими методами. - Мир, с.344). Основным недостатком данного датчика является малый предел измерения - до 0,1-0,15 МН. В качестве аналогов следует упомянуть датчики, измеряющие только осевую компоненту вектора силы и в качестве упругого элемента имеющие балки на двух опорах (авт. св. 1654658, БИ 21, 1991 г.), дугообразный упругий элемент-пружину (авт. св. 620947, БИ 31, 1978 г. ). Общими недостатками этих датчиков является измерение только одной компоненты вектора силы и малый предел измерения. The prior art strain gauge force sensor type C1D of the company NVM (Germany) is known, which has two strain gages for measuring only the axial component of the force vector, and to reduce the influence of lateral loads on the value of the measured parameter, a membrane assembly is used, however, even the presence of the latter only reduces, but not eliminates the measurement error of the axial components of the force vector from the transverse components. As an analogue, it is worth noting the well-known scheme of a multicomponent strain gauge force vector sensor, which contains a housing, a beam elastic element with strain gauges placed on it, connected to bridge circuits, designed to measure the axial and transverse components of the force vector (E. Baumann. Measurement of forces by electrical methods. - World, p. 344). The main disadvantage of this sensor is the small measurement limit - up to 0.1-0.15 MN. As analogs, mention should be made of sensors that measure only the axial component of the force vector and have beams on two supports as an elastic element (ed. St. 1654658, BI 21, 1991), an arcuate elastic spring element (ed. St. 620947, BI 31, 1978). Common disadvantages of these sensors are the measurement of only one component of the force vector and the small measurement limit.
В качестве прототипа взята конструкция тензорезисторного датчика вектора силы (Э. Бауманн. Измерение сил электрическими методами. - Мир, с. 344). Датчик содержит корпус, цилиндрический упругий элемент с размещенными на нем тензорезисторными мостами для измерения осевой и поперечных составляющих вектора силы, а также силоопорную и силовоспринимающую части. Недостатками данного датчика является низкая достоверность и надежность измерения осевой и поперечной составляющих вектора силы, что обусловлено применением одного тензорезисторного моста для измерения указанных составляющих вектора силы. Кроме того, схема расположения тензомостов измерения поперечных составляющих вектора силы не позволяет определить координаты точки приложения последнего, т. е. наличия эксцентриситета в приложении нагрузки на датчик. Это не дает возможности корректировки результатов измерения. As a prototype, the design of a strain gauge force vector sensor (E. Baumann. Measurement of forces by electrical methods. - World, p. 344) was taken. The sensor contains a housing, a cylindrical elastic element with strain gauge bridges placed on it for measuring the axial and transverse components of the force vector, as well as the force-supporting and force-sensing parts. The disadvantages of this sensor is the low reliability and reliability of the measurement of the axial and transverse components of the force vector, which is due to the use of one strain gauge bridge to measure these components of the force vector. In addition, the arrangement of strain gages for measuring the transverse components of the force vector does not allow determining the coordinates of the point of application of the latter, i.e., the presence of an eccentricity in the application of the load on the sensor. This makes it impossible to adjust the measurement results.
Задачей заявляемого изобретения является разработка датчика, обеспечивающего высокоточное и надежное измерение вектора силы и определение точки ее приложения (эксцентриситета) относительно оси датчика. The task of the invention is to develop a sensor that provides high-precision and reliable measurement of the force vector and determines the point of its application (eccentricity) relative to the axis of the sensor.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом тензорезисторном датчике вектора силы, содержащем корпус, цилиндрический упругий элемент с размещенными на нем тензорезисторными мостами для измерения осевой и поперечных составляющих вектора силы, а также силоопорную и силовоспринимающую части, при этом силоопорная часть выполнена диаметром (1,2-1,3)d и высотой (0,3-0,4)d, где d - диаметр упругого элемента. Высота упругого элемента от силоопорной до силовоспринимающей поверхности составляет (2,5-2,7)d, два тензорезисторных моста измерения осевой составляющей вектора силы размещены в поперечном сечении упругого элемента, находящемся на расстоянии (1,85-1,90)d от силоопорной поверхности, со смещением относительно друг друга на 90o, два тензорезисторных моста измерения поперечной составляющей вектора размещены в этом же сечении также со смещением на угол 90o относительно друг друга.The problem is solved in that in the proposed strain gauge sensor of the force vector containing the housing, a cylindrical elastic element with strain gauge bridges placed on it for measuring the axial and transverse components of the force vector, as well as the force-supporting and force-sensing parts, while the force-supporting part is made with a diameter (1, 2-1.3) d and height (0.3-0.4) d, where d is the diameter of the elastic element. The height of the elastic element from the force-supporting to the force-sensing surface is (2.5-2.7) d, two strain gauge bridges measuring the axial component of the force vector are placed in the cross section of the elastic element at a distance of (1.85-1.90) d from the force-supporting surface, offset 90 o relative to each other, two strain gauge bridges for measuring the transverse component of the vector are also placed in the same section with an offset of 90 o relative to each other.
Кроме того, с целью повышения точности измерения осевой составляющей вектора силы и определения точки его приложения, тензорезиторный датчик вектора силы снабжен двумя дополнительными тензорезисторными мостами измерения поперечной составляющей вектора силы, размещенными в дополнительном сечении на расстоянии (0,8-0,9)d от мостов первого сечения в направлении силоопорной поверхности и имеющие топологию наклейки аналогичных тензомостов в первом сечении. In addition, in order to improve the accuracy of measuring the axial component of the force vector and determine the point of its application, the strain gauge sensor of the force vector is equipped with two additional strain gauge bridges for measuring the transverse component of the force vector, placed in an additional section at a distance of (0.8-0.9) d from bridges of the first section in the direction of the supporting surface and with topology stickers of similar tensor bridges in the first section.
Выполнение тензорезисторного датчика силы с цилиндрическим упругим элементом с указанным соотношением размеров позволяет повысить помехоустойчивость поперечного сечения, в котором размещены тензорезисторы измерения осевой составляющей вектора силы к влиянию неинформативного изгибающего момента от действия поперечных составляющих вектора силы и его внецентрового приложения. The implementation of a strain gauge force sensor with a cylindrical elastic element with the specified aspect ratio allows to increase the noise immunity of the cross section, in which strain gauges measure the axial component of the force vector to the influence of the non-informative bending moment from the action of the transverse components of the force vector and its off-center application.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается от последнего иным расположением тензорезисторных мостов друг относительно друга, что повышает точность измерения, их конкретным местом расположения от силоопорной поверхности, постановкой в зависимость габаритов силоопорной части и высоты упругого элемента относительно его диаметра, при этом введение тензорезисторных мостов, измеряющих поперечные составляющие вектора силы и расположенных в дополнительном сечении строго под аналогичными мостами в первом сечении, позволяет определить эксцентриситет точки приложения вектора силы относительно оси датчика, т.е. данное решение соответствует критерию "новизна". Comparison of the claimed technical solution with the prototype shows that it differs from the latter in a different arrangement of the strain gauge bridges relative to each other, which increases the accuracy of the measurement, their specific location on the force-supporting surface, setting the dimensions of the force-supporting part and the height of the elastic element relative to its diameter, while introduction of strain gauge bridges measuring the transverse components of the force vector and located in an additional section strictly under the analogous bridge and in the first section to determine the eccentricity of the point of application of the force vector with respect to the sensor axis, i.e. This solution meets the criterion of "novelty."
Необходимость применения двух тензомостов, повернутых друг относительно друга на 90o, обусловлена влиянием на показания осевых тензомостов изгибающих компонент вектора силы, действующих под любым азимутным углом, к плоскостям расположения тензорезисторов. Применение тензомостов, измеряющих поперечные составляющие вектора силы и расположенных в дополнительном сечении упругого элемента, позволяет определить эксцентриситет точки приложения силы.The necessity of using two strain gages rotated 90 ° relative to each other is due to the influence of the bending components of the force vector acting at any azimuth angle on the axes of the axial strain gages to the planes of the location of the strain gages. The use of strain gauges measuring the transverse components of the force vector and located in an additional section of the elastic element allows us to determine the eccentricity of the point of application of force.
Это позволило составить полную систему уравнений для расчета вектора силы. Координата высоты размещения тензорезисторных мостов измерения осевой составляющей вектора силы выбрана из условия минимального влияния неинформативных поперечных силовых помех на формирование сигналов тензорезисторов. This made it possible to compile a complete system of equations for calculating the force vector. The coordinate of the height of the strain gauge bridges for measuring the axial component of the force vector is selected from the condition of minimal influence of non-informative transverse power interference on the formation of the signals of the strain gauges.
Таким образом, предлагаемая конструкция датчика с заявляемой в нем совокупностью признаков позволяет достичь технический результат - обеспечить высокоточное и надежное измерение вектора силы и определение точки ее приложения (эксцентриситета) относительно оси датчика. Такое выполнение конструкции из уровня техники явным образом не вытекает и не было очевидным для специалистов, а имеющиеся отличия непосредственно влияют на решение поставленной задачи. Это дает основание считать данное техническое решение обладающим изобретательским уровнем. Thus, the proposed sensor design with the claimed combination of features in it allows to achieve a technical result - to provide high-precision and reliable measurement of the force vector and determination of the point of its application (eccentricity) relative to the axis of the sensor. Such a design implementation from the prior art does not explicitly follow and was not obvious to specialists, and the existing differences directly affect the solution of the problem. This gives reason to consider this technical solution as inventive.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется графическим материалом (см. чертеж), на котором приняты следующие обозначения:
1 - силовоспринимающая часть упругого элемента;
2 - цилиндрический упругий элемент;
3 - первое поперечное сечение;
4 - тензомосты осевых составляющих вектора силы;
5 - тензомосты поперечных составляющих вектора силы;
6 - дополнительное сечение упругого элемента;
7 - тензомосты поперечных составляющих вектора силы в дополнительном сечении;
8 - силоопорная часть упругого элемента;
d - диаметр упругого элемента:
α - угол, под которым сила воздействует на чувствительный элемент датчика;
а - эксцентриситет (расстояние от оси датчика до точки приложения вектора силы).The essence of the invention is illustrated by graphic material (see drawing), which adopted the following notation:
1 - power-sensing part of the elastic element;
2 - cylindrical elastic element;
3 - the first cross section;
4 - tensi axial components of the force vector;
5 - strain gages of the transverse components of the force vector;
6 is an additional section of an elastic element;
7 - strain gages of the transverse components of the force vector in an additional section;
8 - silo-supporting part of the elastic element;
d is the diameter of the elastic element:
α is the angle at which the force acts on the sensor element;
a - eccentricity (distance from the axis of the sensor to the point of application of the force vector).
Предложенная конструкция датчика силы работает следующим образом. При воздействии на датчик вектора силы под углом α упругий элемент 2 испытывает как сжимающее, так и изгибающее воздействие данного вектора. Сжатие чувствительного элемента по оси воспринимается тензорезисторными мостами 4, расположенными в сечении 3 на расстоянии (1,85-1,90)d от силоопорной части датчика. Тензомосты 4 дублируют друг друга, что повышает достоверность и надежность измерения осевой составляющей вектора силы. Под воздействием поперечной составляющей вектора силы, появляются изгибающие моменты, величина которых измеряется тензорезисторами мостов 5 и 7, расположенными в основном 3 и дополнительном 6 сечениях соответственно, по показаниям которых определяют эксцентриситет точки приложения вектора силы к упругому элементу 2 датчика. The proposed design of the force sensor works as follows. When exposed to a force vector sensor at an angle α, the elastic element 2 experiences both compressive and bending effects of this vector. The compression of the sensor element along the axis is perceived by the strain gauge bridges 4 located in section 3 at a distance of (1.85-1.90) d from the force-supporting part of the sensor. Strain bridges 4 duplicate each other, which increases the reliability and reliability of the measurement of the axial component of the force vector. Under the influence of the transverse component of the force vector, bending moments appear, the magnitude of which is measured by the strain gauges of the bridges 5 and 7, located mainly in 3 and 6 additional sections, respectively, according to the readings of which determine the eccentricity of the point of application of the force vector to the elastic element 2 of the sensor.
Из анализа результатов испытаний экспериментальных образцов заявляемого датчика установлено:
- нелинейность и гистерезис выходного сигнала датчика при измерении осевой нагрузки не превышает 0,07-0,1%;
- величина среднеквадратичного отклонения случайной составляющей погрешности каналов измерения осевой составляющей вектора силы не превышает 0,12%;
- нелинейность и гистерезис выходного сигнала канала измерения поперечных составляющих вектора силы датчиков находятся в пределах: 0,07-0,54% и 0,09-0,68% соответственно для основных (первое поперечное сечение) и дополнительных (второе сечение) тензомостов.From the analysis of the test results of the experimental samples of the inventive sensor it is established:
- non-linearity and hysteresis of the output signal of the sensor when measuring axial load does not exceed 0.07-0.1%;
- the value of the standard deviation of the random component of the error of the measurement channels of the axial component of the force vector does not exceed 0.12%;
- nonlinearity and hysteresis of the output signal of the channel for measuring the transverse components of the sensor force vector are in the range: 0.07-0.54% and 0.09-0.68%, respectively, for the main (first cross-section) and additional (second cross-section) strain gages.
Таким образом, категория точности экспериментальных образцов датчика вектора силы составляет:
- по каналам измерения осевой составляющей вектора силы - 0,15;
- по каналам измерения поперечных составляющих вектора силы - 1,0.Thus, the accuracy category of the experimental samples of the force vector sensor is:
- along the channels for measuring the axial component of the force vector - 0.15;
- along the channels for measuring the transverse components of the force vector - 1.0.
Изготовление датчиков не вызовет затруднений, так как его составные элементы выпускаются отечественной промышленностью. Упругий элемент может быть изготовлен из стали типа 30ХГСА, 40Х13 или аналогичной им. Необходимость же в использовании датчика, обеспечивающего достоверное и надежное измерение вектора силы, особенно для испытательной техники, не вызывает сомнений, а значит предложение обладает промышленной применимостью. The manufacture of sensors will not cause difficulties, since its components are produced by domestic industry. The elastic element can be made of steel type 30HGSA, 40X13 or similar. The need to use a sensor that provides reliable and reliable measurement of the force vector, especially for testing equipment, is not in doubt, which means the proposal has industrial applicability.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001108261A RU2190199C1 (en) | 2001-03-27 | 2001-03-27 | Force vector pickup |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001108261A RU2190199C1 (en) | 2001-03-27 | 2001-03-27 | Force vector pickup |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2190199C1 true RU2190199C1 (en) | 2002-09-27 |
Family
ID=20247698
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001108261A RU2190199C1 (en) | 2001-03-27 | 2001-03-27 | Force vector pickup |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2190199C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2566646C2 (en) * | 2014-02-19 | 2015-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (ТюмГНГУ) | Lab unit to define stress at drill bit |
| CH715774A1 (en) * | 2019-01-25 | 2020-07-31 | Imh Energy Sa | Deformation measuring device. |
-
2001
- 2001-03-27 RU RU2001108261A patent/RU2190199C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2566646C2 (en) * | 2014-02-19 | 2015-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (ТюмГНГУ) | Lab unit to define stress at drill bit |
| CH715774A1 (en) * | 2019-01-25 | 2020-07-31 | Imh Energy Sa | Deformation measuring device. |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108519175B (en) | Variable-range soil pressure measuring method based on Bragg fiber grating | |
| CN108760109B (en) | Variable-range soil pressure measuring device and method based on Bragg fiber grating | |
| Li et al. | Development and application of a relative displacement sensor for structural health monitoring of composite bridges | |
| US4459863A (en) | Shear beam load cell | |
| US3376537A (en) | Shear strain load cell | |
| US3949603A (en) | Strain gage transducer | |
| US4454769A (en) | Radial force measuring cell | |
| US7100458B2 (en) | Flexure system for strain-based instruments | |
| CN105092121A (en) | Method of measuring radial force of rigid pipe | |
| US20160161348A1 (en) | Rod-Shaped Force Transducer With Simplified Adjustment | |
| CN110132161A (en) | A method of based on strain measurement mid-span deflection in bridge span | |
| RU2190199C1 (en) | Force vector pickup | |
| US10041856B2 (en) | Method and apparatus for measuring physical displacement | |
| US3205706A (en) | Ring-type load cell | |
| US4344495A (en) | Equipment for the measurement of minute weight forces | |
| CN105157591A (en) | High-sensitivity high-resolution high-precision fiber Bragg grating array strain sensor | |
| CN208488197U (en) | A kind of primary structure member and the strain transducer with the primary structure member | |
| CN113984254A (en) | Clamp force measuring sensor | |
| CN207866237U (en) | Beam type obliquity sensor | |
| KR100571294B1 (en) | Angle measurement method using fiber optic sensor | |
| SU1015318A1 (en) | Multi-component dynamometer | |
| RU2175117C1 (en) | Sensor for measurement of longitudinal force | |
| RU2145700C1 (en) | Load-receiving device of balance | |
| Kleckers | Fibre Bragg sensors compared with electrical strain gauges for use in force measurement-Prospects and potentials | |
| SU1237920A1 (en) | Device for measuring dynamic loads |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080328 |