SU1767367A1 - Многокомпонентный датчик силы - Google Patents

Description

расформируетс  информаци  о параметрах прикладываемого вектора силы. Однако, вследствие различных моментов инерции поперечных сечений перемычки относительно его главных центральных осей, чув- ствительность датчика к крут щему моменту будет меньше чувствительности датчика к любой из остальных п ти измер емым силовым компонентам. Кроме того, сдвиговые т ёнзорезисторы включены в мостовую схему, что обуславливает использование компенсационных (дополнительных ) тензорезисторов, в то врем  как дл  датчика достаточно использовани  6 тензорезисторов .

Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности и экономичности датчика .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в датчике, состо щем из двух расположен- ных друг над другом колец, соединенных между собой расположенными по периметру на одинаковом расст нии друг от друга как минимум трем  перемычками, на внутренней и на внешней поверхност х которых размещены тензорезисторы, поперечное сечение каждой перемычки представл ет собой поворотно-симметричное кольцо, у которого главный пор док его поворотной симметрии равен бесконечности, а на внут- ренней и на внешней поверхност х каждой перемычки размещено, как минимум, по одному тензорезистору раст жени -сжати , причем вертикальна  ось перемычки образует с главной осью каждого из двух накле-

енных на нее тензорезисторов угол

1 а arctg(V2 +V2 +,

где« - коэффифициент Пуассона материа- ла упруго элемента датчика.

На фиг.1 схематично изображен предлагаемый датчик, общий вид; на фиг,2 и 3 - перемычка с размещенными на ней тензо- резисторами.

Датчик работает следующим образом.

Действие на датчик произвольно на; правленного в пространстве вектора силы F в общем случае эквивалентно действию шести силовых компонент: трех сил Fx, Fy, F2 и трех моментов сил Мх, My, Mz. результирующа  действи  на еремычки векторов Fx, Fy и Mz есть вектор Fp, лини  действи  которого лежит в горизонтальной плоскости, а направление линии действи  в общем случае произвольно и определ етс  параметрами векторов Fx, Fy и fjlz. Чувствительность датчика к любой произвольно направленной горизонтальной силовой компоненте будет одинакова в том случае, если момент сопротивлени  поперечного сечени  перемычек относительно любой произвольно направленной горизонтальной оси будет одинаков. Этим свойством обладают поворотно-симметричные фигуры, у которых главный пор док поворотной симметрии равен бесконечности. К таким фигурам относитс  и кольцо. Следовательно, чувствительность датчика, выполненного с кольцевой формой поперечного сечени  перемычек, будет одинакова к любой произвольно направленной силовой компоненте. Кроме того, после наклейки тензорезисторов, вследствие их различной жесткости и погрешностей изготовлени  перемычек, чувствительности перемычек будут различны. Следовательно, уровни выходных сигналов измерительных каналов будут различны, что приведет к усложнению вторичной аппаратуры и снижению точности измерени . Дл  того чтобы устранить эти недостатки, необходимо выровн ть и жесткости перемычек. С этой целью в предлагаемой конструкции у перемычек , обладающих большей жесткостью, возможно с помощью разверток уменьшить площадь поперечного сечени  и тем самым выравн ть жесткости всех перемычек.

Силовую нагрузку, действующую на каждую перемычку, можно представить следующим образом (жесткость всех перемычек одинакова):см.табл.

где Kn K22 Кзз - ;

К42

I

- Кб1 - п , Кбб о-

2п24 -n -r2(1 +/0

Р Х1

8Ш((1-1))

к16 --гг-т;-;|К26| ;

С08(р(1-1))

П Г0

I K34l

1

г0-сов((1-1))

К35

1

Го.8111((1-1))

IK46lW (if(i-i));

| |-2 ТмГ81п 1Г |-1 :

n - количество перемычек;

r0 - радиус колец;

IP - пол рный момент инерции перемычки относительно ее вертикальной оси;

lz - осевой момент инерции перемычки относительно оси L;

I - высота перемычки.

Дл  определени  шести неизвестных силовых компонент необходимо и достаточно располагать шестью независимыми уравнени ми вида

UBNXJ f) (Fx, Fy, Fz, MX, My, Mz), где UBbixj - изменение выходного напр жени  j-ro тензорезистора под воздействием

Fx, Fy, FZ, MX, My, Mz.

Как видно из таблицы, дл  того чтобы получить необходимое количество уравнений требуемого вида, достаточно на каждой перемычке измерить относительные деформации , вызванные вертикальной и горизонтальными силовыми компонентами. С этой целью на каждой из трех перемычек необходимо разместить, как минимум, два не св занных друг с другом рабочих тензорезистора раст жени -сжати .

Тензорезистор будет чувствителен только к вертикальным силовым компонентам в том случае, если его главна  ось параллельна вертикальной оси перемычки. Тензорезистор будет чувствителен только к горизонтальным силовым компонентам в том случае, если его главна  ось образует с вертикальной осью перемычки угол, равны1 45°. Угол, при котором чувствительность тензорезистора к вертикальным и горизонтальным силовым компонентам будет одинакова , определ етс  из услови 

Јг - Јв ;

где fc r , ЕВ относительные деформации тензорезистора при воздействии соответственно горизонтальных и вертикальных силовых компонент.

Откуда

Ј ( cos а-/г sin а)

f ((f-a)-sin(f-a),

где о - напр жение в материале перемычки;

Е - модуль упругости материала перемычки

(см. Проектирование датчиков дл  измерени  механических величин/Под ред. Е.П.Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. С. 75-76; Сопротивление материалов/Под ред. Г.В.Писаренко. - К.: Вйща школа, 1986, с.215-217).

После несложных преобразований пол- учим

« arctg(v2+1V2+.

Технологи  изготовлени  предлагаемого датчика практически не отличаетс  от общеизвестной технологии изготовлени  тензорезисторных датчиков силы (см., например , Проектирование датчиков дл  измерени  механических величин/Под ред.

Е.П.Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979, с. 150-178), а выбор материала упругого элемента , тензорезисторов и св зующего производитс  на основании требований технического задани .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Многокомпонентный датчик силы, содержащий два соосно расположенных жестких кольца, соединенных между собой размещенными равномерно по периметру

   по крайней мере трем  перемычками, на внутренней и внешней поверхност х которых размещены тензорезистры, отличающийс  тем, что, с целью упрощени  датчика за счет уменьшени  количества рабочих тензорезисторов и увеличени  чувствительности , поперечное сечение каждой перемычки выполнено в виде поворотно- симметричного кольца, на внутренней и внешней поверхност х каждой перемычки

   размещено по крайней мере по одному тен- зорезистору раст жени  сжати , при этом угол а. между продольной осью перемычки и главной осью каждого из двух размещенных на ней тензорезисторов выбран из соотношени 

   a arctg(W2+1V2+

   где //- коэффициент пуассона материала 50 упругого элемента

   ЈLI -A

   r

   . C;1:OU