RU2280847C2

RU2280847C2 - Force pickup

Info

Publication number: RU2280847C2
Application number: RU2004118780/28A
Authority: RU
Inventors: гин Сергей Васильевич Брод (RU); Сергей Васильевич Бродягин; Евгений В чеславович Патокин (RU); Евгений Вячеславович Патокин
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-07-27
Also published as: RU2004118780A

Abstract

FIELD: force-measurement equipment.

SUBSTANCE: force pickup can be used in branches of industry where it is necessary to measure compression and expansion strength, for example, for measurement forces during inspection of technological processes. Pickup has group of three beams being capable of working for shift. Beams are disposed radial and are uniformly distributed along circle. They are connected by elastic center. Pickup also has resistance-strain gauges disposed on beams and force-taking members. Pickup is additionally provided with identical group of beams. External ends of beams of any group are connected pair-wise tightly by surfaces turned to each other to form through groove between elastic centers and pair-wise beams. Axial holes for force-taking members are made in elastic centers of groups of beams. Shift deformations are provided within area of mounting of resistance-strain gauges at nominal strength due to formation of groove between groups of beams.

EFFECT: improved efficiency of operation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимо измерение усилий сжатия и растяжения, например для измерения усилий при контроле технологических процессов.The invention relates to load-measuring equipment and can be used in various industries where it is necessary to measure the compressive and tensile forces, for example, to measure forces in the control of technological processes.

Известен датчик силы, содержащий балку с жестким центром, тензорезистор и силовоспринимающие элементы. Тензорезистор смонтирован на балке, выполненной в виде пластины, поперек действующего усилия.A known force sensor containing a beam with a rigid center, a strain gauge and power sensing elements. The strain gauge is mounted on a beam made in the form of a plate across the current force.

Пластина закреплена между двумя силовоспринимающими элементами, имеющими центральные бобышки, передающие усилие на чувствительный элемент. Силовоспринимающие элементы имеют фланцы, соединенные с краем пластины, и стенки, расположенные между передающими нагрузку бобышками и фланцами. Пластина и силовоспринимающие элементы помещены в корпусе на скользящей посадке и приварены к нему. К одной стороне корпуса крепится крышка, которая воспринимает реакцию прибора на приложенную нагрузку [1].The plate is fixed between two force-sensing elements having central bosses that transmit force to the sensing element. The power-sensing elements have flanges connected to the edge of the plate and walls located between the load-carrying bosses and flanges. The plate and power-sensing elements are placed in a housing on a sliding fit and welded to it. A cover is attached to one side of the case, which perceives the response of the device to the applied load [1].

Данный датчик позволяет измерять усилия растяжения и сжатия. Однако конструкция датчика и крепление чувствительной пластины вызывают дополнительные напряжения от усилий закрепления в зоне установки тензорезисторов, что увеличивает неинформативную часть измерительного сигнала. Таким образом, увеличивается погрешность измерения датчика (ухудшаются метрологические характеристики прибора, в том числе и линейность выходного сигнала).This sensor allows you to measure tensile and compression forces. However, the design of the sensor and the fastening of the sensitive plate cause additional stresses from the fixing forces in the installation zone of the strain gauges, which increases the non-informative part of the measuring signal. Thus, the measurement error of the sensor increases (the metrological characteristics of the device deteriorate, including the linearity of the output signal).

Расчеты показали, что описанный датчик с номинальным измеряемым усилием, например, 10 тс весит 22-25 кг, тогда как предлагаемый датчик с тем же номинальным измеряемым усилием весит 7-9 кг.Calculations showed that the described sensor with a nominal measured force, for example, 10 tf, weighs 22-25 kg, while the proposed sensor with the same nominal measured force weighs 7-9 kg.

Известен датчик силы, содержащий балки с тензорезисторами. Две балки выполнены в виде кольца, вытянутого в продольном направлении для увеличения плеча силы, изгибающей перемычки, что повышает чувствительность прибора [2].A known force sensor containing beams with strain gauges. Two beams are made in the form of a ring elongated in the longitudinal direction to increase the shoulder strength, bending jumpers, which increases the sensitivity of the device [2].

Этот датчик позволяет измерять только усилия растяжения, он достаточно технологичен и имеет небольшой вес.This sensor allows you to measure only tensile forces, it is quite technologically advanced and has a small weight.

Однако неопределенность в плече силы увеличивает погрешность датчика. Точка перегиба балки кольца может перемещаться под действием деформации, что приводит к изменению плеча силы и, следовательно, к нелинейности характеристики преобразования.However, the uncertainty in the arm of the force increases the error of the sensor. The inflection point of the beam of the ring can move under the action of deformation, which leads to a change in the shoulder forces and, consequently, to the nonlinearity of the transformation characteristics.

Известен датчик силы, содержащий балки, работающие на сдвиг, радиально расположенные и равномерно распределенные по окружности, соединенные жестким центром, и тензорезисторы. Внешние концы балок опираются на корпус [3].A known force sensor containing shear beams, radially spaced and evenly distributed around a circle, connected by a rigid center, and strain gauges. The outer ends of the beams rest on the housing [3].

Этот датчик предназначен только для измерения усилий сжатия, его невозможно использовать для измерения усилий растяжения. Недостатком известного датчика является высокая трудоемкость изготовления балок, установки и замены тензорезисторов на внутренних поверхностях балок, а также значительная погрешность измерений.This sensor is intended only for measuring compressive forces, it cannot be used to measure tensile forces. A disadvantage of the known sensor is the high complexity of the manufacture of beams, the installation and replacement of strain gages on the inner surfaces of the beams, as well as a significant measurement error.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является силоизмерительный датчик, содержащий группу из трех балок, работающих на сдвиг, радиально расположенных и равномерно распределенных по окружности, соединенных жестким центром, тензорезисторы, размещенные на балках, и силовоспринимающие элементы. Внешние концы балок выполнены свободными и снабжены силовоспринимающими элементами [4].The closest analogue of the claimed invention is a load cell containing a group of three beams working in shear, radially distributed and evenly distributed around a circle, connected by a rigid center, strain gages placed on the beams, and power sensing elements. The outer ends of the beams are made free and equipped with power-sensing elements [4].

Этот датчик имеет более простую конструкцию и менее трудоемок в изготовлении, чем вышеописанные. Однако он также предназначен только для измерения усилий сжатия и имеет значительную погрешность измерений. Для уменьшения погрешности измерений в нем необходимо обеспечивать высокое качество опорных перемещающихся поверхностей (поверхности датчика и поверхности, на которой установлен датчик) для более легкого перемещения их относительно друг друга.This sensor has a simpler design and less laborious to manufacture than the above. However, it is also intended only for measuring compression forces and has a significant measurement error. To reduce the measurement error in it, it is necessary to ensure high quality of the supporting moving surfaces (the surface of the sensor and the surface on which the sensor is installed) for easier movement of them relative to each other.

Решаемая данным изобретением задача - создание устройства, измеряющего усилия растяжения и сжатия и имеющего малую погрешность измерений.The problem solved by this invention is the creation of a device that measures the tensile and compression forces and has a small measurement error.

Технический результат заключается в том, что при номинальном усилии в зоне установки тензорезисторов обеспечили сдвиговые деформации, необходимые для оптимальной работы тензорезисторов путем образования паза между группами балок.The technical result consists in the fact that with a nominal force in the installation zone of the strain gages, shear deformations are provided, which are necessary for the optimal operation of the strain gages by forming a groove between the groups of beams.

За счет этого получена возможность измерять усилия как растяжения, так и сжатия.Due to this, it was possible to measure both tensile and compressive forces.

Кроме того, при измерении усилий сжатия исключено влияние качества опорных перемещающихся поверхностей на выходной сигнал. Это гарантирует уменьшение погрешности измерений.In addition, when measuring compression forces, the influence of the quality of the supporting moving surfaces on the output signal is excluded. This ensures a reduction in measurement error.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что датчик силы, содержащий группу из трех балок, работающих на сдвиг, радиально расположенных и равномерно распределенных по окружности, соединенных жестким центром, тензорезисторы, размещенные на балках, и силовоспринимающие элементы, согласно изобретению снабжен идентичной группой балок, внешние концы балок каждой группы попарно жестко соединены между собой поверхностями, обращенными друг к другу, образуя между жесткими центрами и парными балками сквозной паз, причем в жестких центрах групп балок выполнены осевые отверстия для силовоспринимающих элементов.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that the force sensor containing a group of three beams working in shear, radially distributed and evenly distributed around the circumference, connected by a rigid center, strain gages placed on the beams, and power sensing elements, according to the invention, is equipped with an identical group beams, the outer ends of the beams of each group are pairwise rigidly interconnected by surfaces facing each other, forming between rigid centers and paired beams through a groove, moreover, in the rigid centers of the beam groups, axial holes are made for the power-sensing elements.

Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше известного (прототипа) являются: "наличие идентичной группы балок и сквозной паз, образованный между жесткими центрами и парными балками", а также выполнение опорных перемещающихся поверхностей условными и находящимися в теле датчика.Distinctive features of the proposed device from the above known (prototype) are: "the presence of an identical group of beams and a through groove formed between the rigid centers and paired beams", as well as the implementation of the supporting moving surfaces conditional and located in the sensor body.

Благодаря наличию этих признаков совместно с признаками, общими с прототипом, становится возможным измерять усилия как растяжения, так и сжатия, т.к. выполнение сквозного паза позволяет распределить напряжение в материале датчика таким образом, что в зоне установки тензорезисторов при номинальном усилии достигается деформация, оптимальная для работы тензорезисторов в режиме измерения усилий растяжения и сжатия.Due to the presence of these features together with features common to the prototype, it becomes possible to measure the forces of both tension and compression, because the through groove makes it possible to distribute the voltage in the sensor material in such a way that in the installation zone of the strain gages at nominal force, a deformation is achieved that is optimal for the work of the strain gages in the mode of measuring tensile and compression forces.

А выполнение опорных перемещающихся поверхностей условными гарантирует снижение погрешности измерений.And the implementation of the supporting moving surfaces conditional guarantees a decrease in measurement error.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.When conducting analysis of the prior art, including searching by patent and scientific and technical sources of information, and identifying sources containing information about analogues of the claimed invention, no analogues were found that are characterized by signs that are identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the set of essential features of the analogue, allowed to identify the set of essential distinguishing features in relation to the applicant's technical result in the claimed device set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлены технические решения, содержащие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого изобретения.To verify the compliance of the claimed invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify signs that match the distinctive features of the claimed device from the prototype. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for the specialist, since the technical level determined by the applicant did not reveal technical solutions containing features similar to the distinguishing features of the claimed invention.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

На чертеже изображен тензорезисторный датчик силы в изометрии.The drawing shows a strain gauge force sensor in isometry.

Тензорезисторный датчик силы содержит две группы балок 1, 2. Каждая группа состоит из трех балок 3, которые радиально расположены и равномерно распределены по окружности. В каждой группе 1 и 2 балки 3 соединены жесткими центрами 4, 5 соответственно, а внешние концы балок каждой группы попарно жестко соединены между собой поверхностями, обращенными друг к другу. Между жесткими центрами 4, 5 и парными балками образован сложный сквозной паз 6. В жестких центрах 4, 5 выполнены осевые отверстия 7 (например, резьбовые) для установки силовоспринимающих элементов и закрепления их на устройствах, передающих измеряемое усилие (например, на силовом стенде).The strain gauge force sensor contains two groups of beams 1, 2. Each group consists of three beams 3, which are radially arranged and evenly distributed around the circumference. In each group 1 and 2, the beams 3 are connected by hard centers 4, 5, respectively, and the outer ends of the beams of each group are pairwise rigidly interconnected by surfaces facing each other. A complex through groove 6 is formed between the rigid centers 4, 5 and the paired beams 6. In the rigid centers 4, 5, axial holes 7 (for example, threaded) are made for installing the power-sensing elements and fixing them to devices transmitting the measured force (for example, on the power stand) .

На боковых поверхностях изгибных участков балок 3 выполнены выемки 8, на внутренних стенках которых размещены тензорезисторы 9, воспринимающие сдвиговые деформации от силовоспринимающих элементов.On the lateral surfaces of the bending sections of the beams 3, recesses 8 are made, on the inner walls of which are strain gauges 9, which perceive shear deformations from force-sensing elements.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Тензорезисторный датчик силы устанавливают между элементами, передающими усилие сжатия или растяжения. Если измеряется усилие сжатия, то элементами могут являться опоры, одна из которых сферическая, другая - плоская. Предположим, что измеряется усилие растяжения. В отверстия 7 устанавливают силовоспринимающие элементы, например рым-болты, которые в свою очередь крепят к устройству, которое воспроизводит усилие (например, к разрывной машине). К рым-болтам прикладывается растягивающее усилие Р_раст., под действием которого расстояние между жесткими центрами 4 и 5 увеличивается благодаря пазу 6, а концы балок каждой группы остаются на прежнем месте. При этом в месте жесткого соединения балки 3 изгибаются и на внутренних поверхностях выемок 8 возникают сдвиговые деформации, которые преобразуются тензорезисторами 9.A strain gauge force sensor is installed between the elements transmitting the compression or tensile forces. If the compression force is measured, then the elements may be supports, one of which is spherical, the other is flat. Suppose tensile force is measured. Power-sensing elements, for example, eyebolts, are installed in the holes 7, which, in turn, are attached to a device that reproduces the force (for example, to a tensile testing machine). A tensile force P rast is applied to the eyebolts _. under the action of which the distance between the rigid centers 4 and 5 increases due to the groove 6, and the ends of the beams of each group remain in the same place. In this case, in the place of the rigid connection, the beams 3 are bent and shear deformations occur on the inner surfaces of the recesses 8, which are transformed by the strain gauges 9.

На предприятии были проведены испытания датчика силы. Результаты испытаний показали, что датчик имеет категорию точности 0,1 по ГОСТ 28836-90.At the enterprise, a force sensor was tested. The test results showed that the sensor has an accuracy category of 0.1 according to GOST 28836-90.

Путем введения идентичной группы балок и образования между ними сквозного паза появилась возможность создать устройство, измеряющее усилия растяжения и сжатия, а также снизить погрешность измерений за счет выполнения опорных перемещающихся поверхностей условными и находящимися в теле датчика.By introducing an identical group of beams and forming a through groove between them, it became possible to create a device that measures the tensile and compressive forces, as well as to reduce the measurement error by performing reference moving surfaces that are conditional and located in the sensor body.

Преимущество изобретения состоит в том, что возможность измерения усилий растяжения и сжатия значительно расширяет область применения датчика как силоизмерительного прибора в различных отраслях промышленности. При этом затраты на изготовление датчика существенно меньше, чем у аналогичных устройств, т.к. к опорным перемещающимся поверхностям не предъявляется высоких требований.An advantage of the invention is that the ability to measure tensile and compression forces significantly expands the scope of the sensor as a force measuring device in various industries. At the same time, the cost of manufacturing the sensor is significantly less than that of similar devices, because high moving requirements are not imposed on supporting moving surfaces.

Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:Thus, the information presented indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в различных отраслях промышленности для измерения усилий растяжения и сжатия;- a tool embodying the claimed device in its implementation, is intended for use in various industries for measuring tensile and compression forces;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.- for the claimed device in the form in which it is described in the claims, the possibility of its implementation is confirmed.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "промышленная применимость".Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №3272006, кл. 73-141, 1963 г.1. US patent No. 3272006, CL. 73-141, 1963

2. Патент США №3315202, кл. 338-5, 1964 г.2. US patent No. 3315202, CL. 338-5, 1964

3. Патент США №3037178, кл. 338-5, 1966 г.3. US patent No. 3037178, CL. 338-5, 1966

4. Патент РФ №2073219, кл. G 01 L 1/22, G 01 В 5/30, 1992 г.4. RF patent No. 2073219, cl. G 01 L 1/22, G 01 B 5/30, 1992

Claims

A force sensor containing a group of three shear beams radially spaced and evenly distributed around a circle connected by a rigid center, strain gages placed on the beams, and force sensing elements, characterized in that it is equipped with an identical group of beams, the outer ends of the beams of each group pairwise rigidly interconnected by surfaces facing each other, forming a through groove between the rigid centers and paired beams, and axial holes for forces are made in the rigid centers of the beam groups sensing elements.