RU2476838C2 - Multicomponent displacement sensor - Google Patents
Multicomponent displacement sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2476838C2 RU2476838C2 RU2011112618/28A RU2011112618A RU2476838C2 RU 2476838 C2 RU2476838 C2 RU 2476838C2 RU 2011112618/28 A RU2011112618/28 A RU 2011112618/28A RU 2011112618 A RU2011112618 A RU 2011112618A RU 2476838 C2 RU2476838 C2 RU 2476838C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- force
- piezoelectric
- ball
- bearing
- receiving element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения деформаций и перемещений, и предназначено для измерения статических или плавно меняющихся радиальных перемещений.The invention relates to measuring equipment, in particular to devices for measuring deformations and displacements, and is intended for measuring static or smoothly changing radial displacements.
Известен «Датчик силы» (SU №1723468 A1, 30.03.1992, G01L 1/22), содержащий корпус с закрепленным в нем упругим элементом, выполненным в виде соосно расположенных колец, соединенных между собой радиальными перемычками, на которых размещены тензодатчики, при этом радиальные перемычки упругих элементов выполнены со встречным углом наклона к центральной оси датчика. Недостатком этой конструкции является взаимовлияние упругих элементов при их совместной деформации, ухудшающее качество датчика по показателю нелинейности.The well-known "Force Sensor" (SU No. 1723468 A1, 03/30/1992,
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является «Упругий элемент устройства для измерения радиальных давлений» (RU №2293294 C2, 10.02.2007, G01L 1/22), содержащий полое тело цилиндрической формы с расположенными прорезями минимальной ширины, а перемычки между ними представляют собой консольные балки с закрепленными на них тензорезисторами. Недостатками данного технического решения является сложность тарирования датчика, зависимость деформаций упругих элементов от перекоса датчика.The closest to the invention in technical essence and the achieved result is the "Elastic element of the device for measuring radial pressures" (RU No. 2293294 C2, 02/10/2007,
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет непрерывного измерения составляющих радиальных перемещений по всем направлениям.The objective of the invention is to expand the functionality of the device due to the continuous measurement of the components of radial displacements in all directions.
Задача изобретения решается тем, что многокомпонентный датчик перемещений выполнен следующим образом. Силоприемный элемент выполнен из двух продольно соединенных упругих стержней, соединенных торцами посредством шарового шарнира, на котором размещен элемент передачи усилий в виде шарикоподшипника, установленного внутренним кольцом на силовоспринимающем элементе в зоне наибольшего прогиба, чувствительный элемент выполнен в виде деформируемого внешнего кольца упомянутого шарикоподшипника, расположенного концентрично внутреннему кольцу, на внутренней поверхности деформируемого кольца выполнены окна для размещения пьезоэлементов, причем сепаратор подшипника фиксирован от кольцевого перемещения относительно опорного кольца так, что каждый шарик подшипника соприкасается с рабочей поверхностью пьезоэлемента, так что центры шариков совпадают с направлением радиальных перемещений чувствительного элемента датчика, при этом все пьезоэлементы, расположенные во внешнем кольце чувствительного элемента в области его меньшей жесткости, ориентированы и подключены в электрические схемы таким образом, что выходной сигнал каждой схемы зависит лишь от одной составляющей перемещения, которую измеряет данный канал, а упомянутый силоприемный элемент выполнен из двух стержней разной жесткости, причем первый стержень малой жесткости защемлен в резьбовой втулке корпуса с возможностью осевого перемещения, а второй стержень, с одной стороны, скреплен с первым стержнем с помощью шарового шарнира и посредством контакта с чувствительным элементом с возможностью радиальных перемещений, а с другой стороны, шарнирно закреплен в выходной части корпуса с помощью конической резьбовой втулки.The objective of the invention is solved in that a multicomponent displacement sensor is made as follows. The power receiving element is made of two longitudinally connected elastic rods connected by the ends by means of a ball joint, on which the force transmission element is located in the form of a ball bearing mounted on the force-sensing element in the zone of greatest deflection, the sensitive element is made in the form of a deformable outer ring of the mentioned ball bearing located concentrically the inner ring, on the inner surface of the deformable ring made windows to accommodate piezoelectric elements, moreover, the bearing cage is fixed from the annular movement relative to the support ring so that each bearing ball is in contact with the working surface of the piezoelectric element, so that the centers of the balls coincide with the direction of radial movements of the sensor element of the sensor, while all the piezoelectric elements located in the outer ring of the sensor element in the region of its smaller stiffness, oriented and connected to the electrical circuit in such a way that the output signal of each circuit depends on only one component n the displacement measured by this channel, and said power receiving element is made of two rods of different stiffness, the first rod of low rigidity being pinched in the threaded sleeve of the housing with axial movement, and the second rod, on the one hand, is fastened to the first rod using a ball joint and by contact with the sensing element with the possibility of radial movements, and on the other hand, pivotally mounted in the output part of the housing using a tapered threaded sleeve.
На фиг.1 представлено устройство в разрезе, на фиг.2 - силовая схема датчика, а на фиг.3 - распределение радиальных перемещений при нагружении в направлении оси OY.Figure 1 shows the device in section, figure 2 is a power diagram of the sensor, and figure 3 is the distribution of radial displacements during loading in the direction of the OY axis.
Устройство содержит разъемный цилиндрический корпус 1, резьбовую втулку 2, размещенную в торце корпуса с возможностью перемещения вдоль продольной оси корпуса и фиксируемую с помощью стопорной гайки, силоприемный элемент 3, выполненный в виде составного упругого цилиндрического стержня. В своей передней части, контактирующей с силоприемным элементом 3, корпус 1 имеет коническую разрезную втулку 4 для крепления силоприемного элемента 3. Упругий стержень 3 выполнен из двух стержней 5, 6, соединенных торцами с помощью шарового шарнира 7. Первый стержень 5 малой жесткости защемлен в резьбовой втулке 2 корпуса с возможностью осевого перемещения. Его назначение - ограничить прогиб силоприемного элемента 3 в зоне максимального прогиба с целью предотвращения разрушения пьезоэлементов. Второй стержень 6 собственно является силоприемным элементом датчика. В крайней левой части его, в зоне максимальных прогибов на корпусе шарового шарнира 7 размещен элемент передачи усилий к чувствительному элементу в виде шарикоподшипника качения 8, который внутренним опорным кольцом 9 запрессован на левой оконечности стержня 6. Сепаратор 10 подшипника 8 зафиксирован относительно опорного кольца 9. Собственно силопередающим элементом являются шарики 11 подшипника 8, передающие усилие от опорного кольца 9 к чувствительному элементу. Чувствительным элементом датчика является наружное деформируемое кольцо 12 подшипника 8, расположенное концентрично внутреннему опорному кольцу 9. Наружное деформируемое кольцо 12 состоит из внешней тонкостенной металлической втулки 13 и скрепленной с ней посредством контакта обоймы 14, из диэлектрического материала, в которой выполнены сквозные окна для размещения пьезодатчиков перемещения 15.The device comprises a detachable
В качестве датчиков перемещений 15 использованы пьезоэлементы прямого пьезоэффекта [1], включенные в измерительную схему, причем электрическая ось пьезоэлемента совпадает с силочувствительной осью, проходящей через центр каждого шарика 11, точку контакта пьезоэлемента и шарика до пересечения с продольной осью датчика. Пьезодатчики 15 установлены с равным шагом дискретности соосно с шариками 11 в окнах обоймы 14. При преобразовании сигналов перемещения в электрические сигналы применяют способ, основанный на использовании прямого пьезоэффекта, когда сигнал перемещения воздействует на пьезоэлемент и вызывает изменение электрического сигнала на выходе пьезоэлемента [2]. Для этого в конструкции датчика пьезоэлементы предварительно поджаты с помощью винтов 16, а измеряемое перемещение прикладывается через упругий преобразователь, которым является тонкостенная втулка 13. При ввинчивании регулировочного винта 16 его концевая часть прогибает оболочку тонкостенной втулки 13 и создает усилие, пропорциональное перемещению, от этого усилия в зоне соприкосновения шарика 11 и пьезоэлемента 15 возникает усилие предварительного нагружения. С помощью выводов каждый пьезодатчик 15 соединяется с внешней электрической схемой, не показанной на чертеже. Индивидуальная тарировка каждого пьезоэлемента позволяет устранить погрешность измерений из-за технологических погрешностей сборки и отклонения параметров пьезоэлементов.Piezoelectric elements of the direct piezoelectric effect [1] are used as displacement sensors [1], which are included in the measuring circuit, the electric axis of the piezoelectric element coinciding with the force-sensitive axis passing through the center of each ball 11, the point of contact of the piezoelectric element and the ball to the intersection with the longitudinal axis of the sensor.
Устройство работает следующим образом. При закреплении силоприемного элемента 3 в корпусе 1 коническая разрезная втулка 4 и резьбовая втулка 2 обеспечивают совместную деформацию изгиба упругих цилиндрических стержней 5, 6 под действием сил, приложенных к измерительной консоли силоприемного элемента 3 датчика.The device operates as follows. When fixing the power receiving
Перед началом испытаний датчик тарируется по каждому каналу измерений, для этого каждый пьезодатчик нагружается с помощью регулировочных винтов 16. При ввинчивании винта 16 его концевая часть прогибает оболочку тонкостенной втулки 13 и создает усилие, пропорциональное перемещению, что фиксируется регистрирующим прибором. Датчик по всем направлениям перемещений работает идентично, поэтому рассмотрим его работу в направлении одной из осей. На фиг.2 показан совместный прогиб упругих стержней 5 и 6, передача усилия на пьезодатчики перемещений 15, лежащие в плоскости чертежа. При перемещении иглы силоприемного элемента 3, связанной посредством контакта с исследуемым объектом, в радиальном направлении, например в направлении оси Y (на фиг.2 показано стрелкой), правая консольная часть силоприемного стержня 6 изгибается относительно узла шарнирного закрепления, а элемент передачи усилия в виде подшипника 8 перемещается вверх, при этом усилие через шарик 11 передается на верхний пьезодатчик 15, который сжимается вдоль силочувствительной оси, а нижний пьезодатчик 15 разгружается относительно усилия предварительного нагружения, остальные датчики нагружаются промежуточными усилиями. Нагружение пьезодатчиков 15 вызывает появление электрических сигналов на выходе пьезоэлемента, пропорциональных радиальному перемещению. Максимальный коэффициент преобразования достигается при приложении усилия в направлении силочувствительной оси пьезоэлемента. Электрические сигналы с пьезодатчиков 15 каждого измерительного канала регистрируются и записываются регистрирующим прибором. На диаграмме (фиг.3) показано распределение сигналов при нагружении в направлении оси OY.Before testing, the sensor is calibrated for each measurement channel; for this, each piezoelectric transducer is loaded with adjusting screws 16. When the screw 16 is screwed in, its end part bends the shell of the thin-walled sleeve 13 and creates a force proportional to the movement, which is recorded by the recording device. The sensor works identically in all directions of movement, so let's consider its work in the direction of one of the axes. Figure 2 shows the joint deflection of the
Предлагаемое техническое решение обладает рядом преимуществ, обеспечивающих положительный эффект:The proposed technical solution has several advantages that provide a positive effect:
- предотвращает выход из строя пьезоэлементов чувствительного элемента, ограничивая радиальные деформации;- prevents the failure of the piezoelectric elements of the sensing element, limiting radial deformation;
- обеспечивает удобство тарировки пьезоэлементов;- provides ease of calibration of piezoelectric elements;
- позволяет создать датчик перемещений с малыми габаритами. - allows you to create a displacement sensor with small dimensions.
Наряду с этим устройство сохраняет положительные свойства прототипа, а именно может быть использовано для измерения перемещений по выбранным направлениям, кроме этого, производит измерение радиальных составляющих перемещений независимо от ориентации датчика в пространстве.Along with this, the device retains the positive properties of the prototype, namely it can be used to measure displacements in selected directions, in addition, it measures the radial components of displacements, regardless of the orientation of the sensor in space.
Таким образом, в расширении функциональных возможностей устройства за счет избирательного по всем направлениям пространства измерения радиальных перемещений конкретно выражается положительный эффект предлагаемого устройства.Thus, in expanding the functionality of the device due to the selective measurement of radial displacements in all directions, the positive effect of the proposed device is specifically expressed.
ЛитератураLiterature
1. Фесенко Е.Г. и др. Новые пьезокерамические материалы. - Ростов-на-Дону: Изд. Ростовского ГУ, 1983. - С.18.1. Fesenko E.G. et al. New piezoceramic materials. - Rostov-on-Don: Ed. Rostov State University, 1983. - P.18.
2. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезокерамические элементы в приборостроении. - Л.: Машиностроение, 1986. - С.185.2. Dzhagupov R.G., Erofeev A.A. Piezoceramic elements in instrument making. - L .: Engineering, 1986. - P.185.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011112618/28A RU2476838C2 (en) | 2011-04-01 | 2011-04-01 | Multicomponent displacement sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011112618/28A RU2476838C2 (en) | 2011-04-01 | 2011-04-01 | Multicomponent displacement sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011112618A RU2011112618A (en) | 2012-10-10 |
RU2476838C2 true RU2476838C2 (en) | 2013-02-27 |
Family
ID=47079147
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011112618/28A RU2476838C2 (en) | 2011-04-01 | 2011-04-01 | Multicomponent displacement sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2476838C2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117906557B (en) * | 2024-03-20 | 2024-05-28 | 济南市勘察测绘研究院 | Measuring instrument and using method thereof |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1723468A1 (en) * | 1990-03-05 | 1992-03-30 | Одесский Политехнический Институт | Force transducer |
RU2003106298A (en) * | 2003-03-06 | 2004-09-10 | Михаил Сергеевич Воеводенко | MULTI-COMPONENT POWER SENSOR |
RU2293294C2 (en) * | 2005-04-06 | 2007-02-10 | Открытое акционерное общество "Заволжский моторный завод" | Elastic member of device for measurement of radial pressure |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2251670C2 (en) * | 2003-03-06 | 2005-05-10 | Воеводенко Михаил Сергеевич | Multicomponent power action detector |
-
2011
- 2011-04-01 RU RU2011112618/28A patent/RU2476838C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1723468A1 (en) * | 1990-03-05 | 1992-03-30 | Одесский Политехнический Институт | Force transducer |
RU2003106298A (en) * | 2003-03-06 | 2004-09-10 | Михаил Сергеевич Воеводенко | MULTI-COMPONENT POWER SENSOR |
RU2293294C2 (en) * | 2005-04-06 | 2007-02-10 | Открытое акционерное общество "Заволжский моторный завод" | Elastic member of device for measurement of radial pressure |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011112618A (en) | 2012-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10078026B2 (en) | Multi-component force-torque sensing device with reduced cross-talk for twist-compression testing machine | |
US20070095156A1 (en) | Flexure system for strain-based instruments | |
JP4519941B1 (en) | Sensor | |
US20210102857A1 (en) | Force measurement device | |
CN112067187A (en) | Coupling type three-dimensional decoupling wireless passive sensor | |
US7716998B2 (en) | Device for measuring reaction moments and forces on a lever | |
US7971495B2 (en) | Measuring a tensile force | |
Kluger et al. | A high-resolution and large force-range load cell by means of nonlinear cantilever beams | |
RU2476838C2 (en) | Multicomponent displacement sensor | |
RU2422785C1 (en) | Multicomponent displacement pickup | |
Chen et al. | A novel flexure-based uniaxial force sensor with large range and high resolution | |
RU2283483C1 (en) | Device for measuring tractive force | |
CN112683440B (en) | Four-claw universal joint type inter-dimension decoupling two-dimensional wireless passive sensor | |
CN112729654B (en) | Four-claw universal joint type inter-dimensional decoupling three-dimensional wireless passive sensor | |
JP5039512B2 (en) | Fluid force measuring device | |
JP2013234975A (en) | Force sensor | |
CN107748034B (en) | Counter arm support and torque detection device of detected equipment | |
CN108151944B (en) | Flexible large deformation constant force transmits three-dimensional force sensing mechanisms | |
CN114441070A (en) | Roeberg structure sensor with unbalance loading resisting function and weighing equipment | |
CN112362217A (en) | Load cell and motion control device having the same | |
Park et al. | EVALUATION OF MULTI-COMPONENT FORCE TRANSDUCERS HAVING COLUMN TYPE SENSING ELEMENT | |
US20230375320A1 (en) | Linear Displacement Transducer | |
CN116337292B (en) | Rigid-flexible composite guide force sensor structure and application thereof | |
RU2475699C2 (en) | Measuring device of penpoint movement parameters | |
RU2475842C1 (en) | Digital multi-component motion sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140402 |