EA004197B1 - Тензометрический датчик для измерения механических деформаций заклинивания при первоначальной установке и автоматическая калибровка на основе этого заклинивания - Google Patents

Abstract

Предлагаемое изобретение касается тензометрического датчика, чувствительного к деформациям подлежащего контролю механического органа и содержащего деформируемую металлическую пластину (1, 22), на которой установлена и позиционирована мостовая измерительная схема из чувствительных элементов (2, 23). Деформируемая пластина (1, 22) является чувствительной к механическим деформациям растяжения и сжатия контролируемой детали и воспринимает создаваемые в этой детали усилия через два опорных элемента (4, 5, 20), жестко связанных с деталью. Предлагаемый тензометрический датчик содержит фиксирующий кожух (31), устанавливаемый в процессе калибровки датчика на его несущие элементы (4, 5, 20) и закрепляющий в заданном положении деформируемую пластину.

Description

Датчики - это элементы, с помощью которых определяют размерные параметры различных физических явлений, которыми эти явления характеризуются. Эти датчики преобразуют определенное состояние или его изменение в соответствующие электрические сигналы. Таким образом, датчики позволяют иметь представление о течении процесса, получить информацию о статическом и динамическом прохождении процесса, для контроля которого датчики используются.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время датчики различного типа имеют широкое распространение и используются практически во всех областях человеческой деятельности. Эти датчики измеряют температуру, давление, характеристики пространственного положения и различные уровни, если говорить об основных группах используемых в настоящее время датчиков.

Технические описания и каталоги, составленные специалистами, представляют характеристики датчиков и особенности их применения. Благодаря каталогам имеется возможность получить информацию о том, для каких состояний физической среды рассматриваемый датчик выдает согласованные значения соответствующих электрических сигналов.

В этом случае используют выражение шкала преобразования. Это означает, что существует когерентное или логичное соотношение между физической величиной и выдаваемым с датчика электрическим сигналом. Например, если рассматривается датчик давления, то для некоторой величины давления, измеренной датчиком, получают выходной электрический сигнал в виде напряжения или тока.

Для рассматриваемой физической области и имеющихся электротехнических и электронных технологий более или менее просто разработать и изготовить требуемый датчик. Простота изготовления и эксплуатации датчика определяет его стоимость, возможные области использования и вероятный рынок реализации.

Некоторые датчики являются весьма сложными для изготовления, что определяется природой измеряемого физического параметра и возможностью доступа к нему. Что касается датчиков, предназначенных для измерения механических усилий, то принцип измерения усилия, которое возникает в металлической детали, по существу достаточно прост, но регистрация этого усилия в достаточно экономичной форме представляет определенные трудности.

При измерении усилий, которые могут быть приложены к металлической детали, за основу обычно берется деформация материала, из которого изготовлена деталь, и который подвергается воздействию механических усилий растяжения, сжатия, кручения и/или комбинации этих усилий.

Величина возникающих в детали деформаций в функции воздействующих на нее усилий определяет градиент, то есть точность, с которой можно оценить элементарную деформацию. Таким образом, основополагающее значение приобретает знание законов соответствия возникающих деформаций, выраженных в микронах или миллиметрах, тем усилиям, которые приложены к детали.

Градиент определяется путем математического исследования сопротивления используемых материалов, с которым необходимо связать, в соответствии с конструкцией детали, моделирование по принципу конечных элементов, чтобы установить закон соответствия возникающих деформаций приложенным усилиям.

Однако, трудно знать всю совокупность возможных градиентов, принимая во внимание разнообразие используемых материалов и геометрических форм деталей. Каждая деталь представляет собой специфический случай, и для использования датчика, предназначенного для измерения усилий или деформаций, должны быть соблюдены определенные правила.

В частности, необходимо знать точное расположение мест, где возникают усилия, а также максимальные и минимальные деформации, которые могут возникнуть в детали под действием результирующей силы.

После того, как элементы известны, определенная совокупность компонентов позволяет получить электрический сигнал, который является репрезентативным для деформаций, возникающих в рассматриваемой детали. В данном случае имеются в виду компоненты типа тензометрических датчиков, пьезорезистивных измерительных элементов, емкостных измерительных элементов и оптических измерительных устройств, которые позволяют измерить изменение гранулометрической ориентации контролируемых материалов или их ферромагнитных компонентов, перемещение которых в магнитном поле определяет электрический сигнал, находящийся в определенном соотношении с деформацией детали.

Даже в тех условиях, когда эти компоненты хорошо известны, их установка на рассматриваемый механический орган сопряжена с определенными трудностями, и повторяемость получаемой информации не является вполне достоверной как при установке этих компонентов на контролируемую деталь, так и при замене одного датчика на другой.

В большинстве случаев возникает необходимость в повторной калибровке датчика и, соответственно, в юстировке величин электрических сигналов, которые характеризуют нулевое и последующие значения шкалы измерений.

Датчики, специально предназначенные для измерения механических усилий, используются, главным образом, двумя способами.

Первый из этих способов состоит в приклеивании моста измерительных элементов, который представляет собой тензометрический датчик, на участок детали, где возникают деформации. В этом случае величина выходного электрического сигнала в значительной мере связана с точностью, которая может быть обеспечена при позиционировании и ориентировании измерительного моста на детали, а также с однородностью величины давления, с которым этот измерительный мост введен в контакт с контролируемой деталью.

Однако, мост измерительных элементов не может быть точно позиционирован по отношению к тому месту, где возникают усилия, воздействующие на деталь, поскольку выходной электрический сигнал с резистивного измерительного моста определяется соотношением: К=рЬ/8, где В - величина электрического сопротивления, которая изменяется в функции удлинения и изменения поперечного сечения электрического проводника, образующего измерительный мост, Ь - длина электрического проводника, и 8 - площадь его поперечного сечения.

Величины Ь и 8 могут быть различными в зависимости от способа размещения измерительного моста.

Это справедливо для любых измерительных мостов, независимо от использования в качестве измерительных элементов пьезорезистивных, емкостных или других технологических приборов, в случаях, когда датчики устанавливаются непосредственно на поверхности не прошедшей специальной обработки контролируемой детали, имеющей средние или большие размеры.

Второй способ состоит в приклеивании измерительного моста тензометрического датчика на специальную металлическую пластину, характеристики которой известны (СА 2.198.537 от 26 февраля 1997 г.). Эта система измерения обеспечивает повторяемость механических деформаций пластины в соответствии с изменениями электрического сопротивления элемента измерительного моста, если используется резистивный мост, с последующей установкой этой пластины на подлежащий контролю механический орган, на который воздействуют механические усилия.

Проблема состоит в том, что материалы, из которых изготовлены пластины, имеют природу, отличную от природы тех материалов, из которых изготовлены подлежащие контролю механические органы, при этом согласование монтажа пластины с механическими органами представляет трудности, касающиеся размещения тензометрического датчика при сохранении достоверности соответствия между измеряемой физической величиной и выходным электрическим сигналом, откалиброванным в процессе изготовления датчика. Необходимо принимать во внимание особенности монтажа датчика, чтобы оптимизировать шкалу механического преобразования механических усилий в электрический сигнал.

В патенте США 5.522.270 описан прибор для измерения механического возмущения, действующего на механический орган, и способ установки этого прибора.

Датчик генерирует электрический ток в соответствии с возмущением, действующим на деталь. Датчик предварительно сложен так, как это показано на фиг. 5, и имеет четыре точки натяжения, располагающиеся на складках. Проблема состоит в том, что эти точки натяжения делают продольный изгиб значительно менее точным.

Кроме того, проблематичной является повторяемость профиля продольного изгиба, поскольку каждая пластина реагирует на механическое воздействие различным образом по причине наличия упомянутых точек натяжения. При растяжении датчика в точках А и В пластина может изгибаться в продольном направлении, но калибровка будет очень неточной, поскольку приложенные усилия модифицируются складками. Растягивание пластины датчика не позволяет обеспечить линейную деформацию.

Кроме того, предложенные способы крепления осуществляются с полным защемлением концов. Они могут вызвать в этой пластине и, в частности, на радиусах сгиба, очень высокие механические напряжения. При этом пластина весьма чувствительна к нежелательным механическим напряжениям типа деформаций, связанных с ее положением, и тепловым напряжениям, возникающим вследствие изменения температуры детали, на которой производится измерение.

Эти механические напряжения могут приводить к формированию сигнала, существенно превышающего подлежащую измерению величину. При этом необходимо найти конфигурацию пластины, которая позволила бы обеспечить повторяемость продольных изгибов и конструкции прибора.

Краткое изложение существа изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача устранения указанных недостатков и осуществления возможно более достоверного соотношения между подлежащей контролю механической деталью и датчиком.

В предлагаемом изобретении рассматривается тензометрический датчик, используемый в качестве средства измерения усилий. В нем описаны способы, которые позволяют установить датчик на подлежащее контролю устройство и обеспечить повторяемость результатов.

Следует осуществить повторяемость соотношения деформаций используемого датчика, которым он подвергается в процессе эксплуатации, с повторяемостью выдаваемого этим датчиком электрического сигнала.

Повторяемость подразумевает, что закон соответствия деформации детали, подвергающейся контролю, будет согласован с деформацией внутренней пластины в датчике, и что первоначальное крепление датчика и регулировка его шкалы преобразования будут сопоставимы как перед, так и после его монтажа на упомянутой детали.

Например, фирма МультиДин поставляет на рынок датчик, оборудованный двумя несущими деталями пластины, на которой установлен измерительный мост типа тех, которые описаны в существующей литературе. При монтаже этого датчика совместно с контролируемыми механическими органами деформация, которая возникает в датчике, передается на несущие детали пластины и вызывает соответствующее растяжение или сжатие этой пластины.

В измерительном мосту это приводит к изменению электрического сопротивления элементов, которые образуют ветви моста, и, следовательно, к изменению электрического сигнала на выходных клеммах измерительного моста.

Таким образом, кривая калибровки датчика, определенная при его изготовлении, нарушается, что требует при установке проведения новой калибровки, которая не гарантирует правильности соответствия между измеряемой физической величиной и выходным электрическим сигналом датчика и приводит к увеличению времени и стоимости монтажа.

Предлагаемое изобретение может заменить все типы тензометрических датчиков и может быть использовано в качестве датчика усилий, моментов сил и, в определенных случаях, в качестве датчика перемещений.

Ниже перечислены основные проблемы существующих в настоящее время датчиков, которые могут быть заменены датчиком в соответствии с предлагаемым изобретением.

Многие из этих тензометрических устройств адаптированы к определенным типам использования, но все они обладают недостатками. Резистивные измерительные схемы, приклеенные или приваренные к конструкции, на которой предполагается выполнять измерения, являются весьма надежными и точными устройствами. Однако, их установка может быть выполнена только при соблюдении очень больших предосторожностей и при значительной стоимости этих работ. Именно поэтому для текущих измерений эти датчики обычно закрепляют непосредственно на теле испытуемого изделия, что упрощает их установку.

Так называемые внешние средства наблюдения за состоянием данной конструкции с выполнением предварительной подготовки поверхности или без подготовки представляют собой, например, фотометрические средства измерения деформаций, создание на этой конструкции муаровой поверхности, использование растрескивающихся лаков, голографические методы, дифракционные рентгеновские технологии, причем все упомянутые средства являются скорее лабораторными технологиями анализа механических напряжений.

Испытательные образцы, оборудованные измерительными схемами и заменяющие тот или иной элемент конструкции или вставленные в места передачи усилий, являются весьма дорогостоящими, их достаточно трудно устанавливать, и они часто вызывают ослабление конструкции.

Испытательные материалы, закрепленные на конструкциях, обычно имеют большую жесткость, усилия на упорах являются очень высокими, и их влияние на конструкцию может оказаться значительным. Скольжение на упорах достаточно трудно устранить, и это скольжение вызывает значительные погрешности возврата датчика к нулевому положению и, вследствие этого, возникновение гистерезиса.

Установка механических тензометрических датчиков представляет собой достаточно тонкую и сложную операцию при том, что сами эти датчики являются весьма хрупкими и дорогостоящими.

Тензометрические датчики пьезоэлектрического типа работают только на сжатие, требуют при этом высоких давлений, их сложно устанавливать.

И, наконец, датчики пьезорезистивного типа являются весьма хрупкими, поскольку содержат кремниевые элементы, и подвержены очень сильному изменению характеристик при изменении температуры.

Таким образом, задачей изобретения является удержание несущих деталей пластины фиксированными на протяжении периода между моментом, когда выполняется калибровка датчика на лабораторном калибровочном стенде, и моментом его установки на подлежащий контролю механический орган.

Предлагаемое изобретение состоит в регулировке смещения и коэффициента усиления путем механического изменения размеров между осями несущих деталей, а затем после регулировки линейности полученной характеристики в регулировке смещения величины электрического сигнала, соответствующей известному размеру, и, после этого, в блокировке имеющихся степеней свободы с использованием постоянного механического устройства при помощи стяжного хомута или скобы.

Упомянутый стяжной хомут или скоба выполнены в виде пленки, изготовленной из металлического, композиционного или полимерного материала, и этот элемент установлен между несущими деталями. Такое техническое решение позволяет сохранить калибровочную регулировку, выполненную на лабораторном стенде, вплоть до монтажа датчика на соответствующем механическом органе с использованием известных промышленных способов, наΊ пример, приклеивания, припаивания, приваривания.

После того, как датчик и соответствующий механический орган соединены друг с другом и представляют собой единое целое, осуществляют разрыв стяжного хомута или скобы, что обеспечивает установку датчика без регулировки после монтажа. Разрыв стяжного хомута или скобы позволяет обеспечить возможность нормального функционирования этого датчика.

Усовершенствование устройства по сравнению со всеми существующими в настоящее время другими устройствами подобного типа заключается в упрощении его установки и снижении стоимости при сохранении высокой точности и надежности получаемых результатов. Кроме того, это устройство является достаточно прочным, мобильным, пригодным для повторного использования и мало чувствительным к внешним механическим воздействиям.

В другом варианте реализации предлагаемое изобретение содержит тензометрический датчик, имеющий в своем составе два упора, которые могут быть жестко закреплены на соответствующем механическом органе, упругую пластину с изостатическими опорами на своих концах между двумя упомянутыми упорами, при помощи которых упругая пластина удерживается в состоянии некоторого продольного изгиба, и средства, предназначенные для измерения деформации упругой пластины, являющейся следствием перемещения упоров, чтобы определить профиль в механическом органе.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 изображает пластину (вид спереди), на которой размещен измерительный мост;

фиг. 2 - общий вид пластины;

фиг. 3 - схема электрического контура;

фиг. 4 - диаграмма, которая характеризует электрический сигнал, выдаваемый датчиком в случае, когда он смонтирован на лабораторном стенде испытаний системы торможения;

фиг. 5 - пластина (вид спереди) вместе с измерительной мостовой схемой и со стяжным хомутом или скобой блокировки;

фиг. 6 - пластина в состоянии продольного изгиба, зафиксированного ее упорами;

фиг. 6а - вид в плане пластины, используемой в ближайшем техническом решении;

фиг. 7 - опоры пластины;

фиг. 8 - вид спереди устройства в соответствии с предлагаемым изобретением;

фиг. 9 - разрез по линии ΙΧ-ΙΧ на фиг. 8;

фиг. 10 - вид сверху (частичный разрез) устройства в соответствии с предлагаемым изобретением со снятой пластиной;

фиг. 11 - устройство в соответствии с предлагаемым изобретением (вид сбоку);

фиг. 12 - разрез через центр устройства с хрупкими пластинками ;

фиг. 13 - устройство (вид сбоку) вместе с хрупкими пластинками;

фиг. 14 - схема тепловой компенсации;

фиг. 15 - вид спереди предлагаемого устройства, дополненного датчиком, использующим эффект Холла.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации предлагаемого изобретения

Тензометрический датчик (фиг. 1) содержит пластину 1, на которой установлена мостовая измерительная схема 2, содержащая полупроводниковый резистивный чувствительный элемент, пьезорезистивный чувствительный элемент, емкостной чувствительный элемент или любой другой чувствительный к деформациям элемент. Положение мостовой измерительной схемы и пленки клеящего состава 3 позволяют связать между собой элементы 1 и 2.

Концы пластины содержат несущие детали 4 и 5. Эластичная деформируемая оболочка 6 обеспечивает защиту мостовой измерительной схемы и электронного блока усиления 7 электрических сигналов, выдаваемых мостовой измерительной схемой 2. Связь между мостовой измерительной схемой и электронным блоком усиления выходных сигналов обеспечивается при помощи специальных электрических проводников.

Электронный блок усиления встроен в одну из несущих деталей 4 или 5, и информация от него поступает посредством электрического проводника 8, содержащего на конце электрический соединитель 9. Электрический соединитель может содержать три или четыре контакта.

Информация в зависимости от особенностей применения датчика может также передаваться посредством радиоволн или сверхвысокочастотного излучения, в том случае, когда к электронному модулю усиления 7 добавляют вспомогательный модуль дистанционной передачи, изготавливаемый фирмой Моторола или фирмой 8С8 Томсон.

Работа датчика в соответствии с предлагаемым изобретением осуществляется следующим образом. Пластина схематически представлена на фиг. 2. Механические деформации, измеренные каждой измерительной схемой, могут быть выражены соотношением: е=6Р1/Еае-е, где

Р - приложенное усилие;

е - толщина пластины;

ε - величина деформации;

- расстояние между датчиками измерения усилий;

а - ширина пластины;

Е - модуль Юнга.

Возникающая деформация определяет изменение электрического сопротивления чувст9 вительных элементов измерительной схемы (фиг. 3). Электрическое сопротивление, измеренное на выходных клеммах мостовой схемы, определяется соотношением:

Ό€=Ε/4(ΌΚ1/Κ1-ΌΚ2/Κ2+ΌΚ3/Κ3-ΌΚ4/Κ4), причем К.1 и КЗ - сопротивления датчиков, работающих на растяжение, а К2 и К4 - сопротивления датчиков, работающих на сжатие.

Можно выбрать такую схему, в которой чувствительные элементы смежных ветвей измерительного моста работают в противоположных направлениях, а чувствительные элементы противоположных ветвей работают в одном и том же направлении, причем в этом случае все изменения электрических сопротивлений складываются. Отсюда следует, что

Эе=Ε/4(ΟΚ1/Κ1+ΌΚ2/Κ2+ΌΚ3/Κ3+ΌΚ4/Κ4)==КЕ/4Е>1/1 где Е - электрическое напряжение питания измерительной мостовой схемы; К - коэффициент датчика, и Ό1/1 - полная деформация всех четырех чувствительных элементов.

Чувствительные элементы представляют собой сдвоенные чувствительные элементы типа ХУБкау Ν2Α 06 Т006О 350. Можно использовать и любой другой чувствительный элемент подходящего типа и размеров при условии соблюдения требований расположения и разветвления мостовой измерительной схемы, позволяющих обеспечить правильное сочетание сигналов для подвергающейся изгибу пластины в соответствии с известными технологиями.

Сигнал Эе поступает к точкам 1 и 2 схемы 1В31Ап, которая представляет собой аналоговый компонент фирмы Вигг ΒΐΌ\νπ. смонтированный на усилителе входного сигнала. Регулировка коэффициента усиления обеспечивается при помощи переменного сопротивления, установленного между точками 3 и 4 схемы, и регулировка смещения осуществляется при помощи регулировки резистивной делительной регулируемой мостовой схемы, запитываемой положительным и отрицательным эталонным напряжением, причем средняя точка мостовой схемы подключена к клемме 11. Усиленный сигнал подается на клемму 14 схемы. Контур преобразователя постоянного тока типа ТИС12215 запитывает схему усилителя и мостовую измерительную схему.

Подробное описание основных функций способа в соответствии с предлагаемым изобретением

Способ заключается в приложении сжимающего усилия между несущими деталями 4 и 5 датчика при помощи инструмента стягивания или сжимания. Положение инструмента стягивания контролируется автоматическим устройством позиционирования, управляемым компьютером контроля в процессе регулировки.

Пластина деформируется в функции механического напряжения сжатия или отпускания, и мост чувствительных элементов 2 выдает для каждой величины сжатия сигнал, усиленный электронной схемой. Две точки сжатия позволяют смоделировать усилия сжатия и отрегулировать смещение и линейность получаемой выходной кривой путем воздействия на средства регулировки смещения с последующим воздействием на коэффициент усиления электронного контура и обеспечить получение точек А, В, С и Ό (фиг. 4).

Затем к датчику прикладывают минимальное усилие сжатия, чтобы обеспечить так называемую нижнюю величину ν1, то есть получить величину электрического сигнала, соответствующую точке А (фиг. 4). После того, как желаемая кривая будет получена, устанавливают скобу блокировки. Датчик, оборудованный такой скобой блокировки, показан на фиг. 5.

Фиксация обеспечивается при помощи скобы, которая определяет постоянное расстояние между несущими деталями. Таким образом, степень сжатия или растяжения пластины является неизменной перед ее установкой на механический орган. Размер скобы определяется в процессе регулировки датчика на лабораторном стенде по длине Ь1, которая соответствует очень небольшому, практически всегда одинаковому растяжению данной пластины, позволяющему обеспечить величину электрического сигнала ν1, также практически всегда одинакового.

Крепление датчика на механическом органе осуществляют приклеиванием. После того, как два элемента присоединены или приварены один к другому, или когда уже больше не существует возможности скольжения между соответствующим механическим органом и датчиком, скобу перерезают, обеспечивая тем самым нормальное функционирование датчика. Скоба гарантирует достоверность величины электрического сигнала ν1 после установки датчика на контролируемую деталь.

Задача изобретения состоит в том, чтобы получить тензометрические датчики, которые легко могут быть автоматически установлены на соответствующих механических органах и обеспечивают при этом возможность получения одного и того же электрического сигнала для идентичных механических органов. Предлагаемый способ включает множество вариантов применения и касается, в частности, установки тензометрических датчиков, предназначенных для измерения тормозных усилий в системе торможения.

Датчик (фиг. 6) представляет другой пример реализации, где основной элемент образован тонкой пластиной 22, изготовленной из упругого материала и имеющей некоторую первоначальную кривизну или не имеющей первоначальной кривизны. Пластина 22 показана в поперечном разрезе на фиг. 6а. Используемый для изготовления пластины материал может представлять собой, например, титановый сплав (ТА6И) или алюминиевый сплав (7075).

Пластина зажата между двумя упорами 20 по своей продольной оси. Два упора удерживают пластину с некоторым продольным изгибом изостатически. Для этого достаточно, чтобы длина Ь48 между двумя упорами была немного меньше первоначальной длины Ь1 пластины, причем разность значений длины Ь47-Ь48 превышает максимально возможное расширение поверхности.

Чтобы обеспечить изостатическое положение, упоры 20 должны быть возможно больше приближены друг к другу, как это показано на фиг. 7. При этом один из шарниров 25, блокированный по оси х и по оси у, может свободно вращаться, а другой шарнир 26, блокированный по оси у, может свободно поступательно перемещаться вдоль оси х, чтобы обеспечить возможность измерения перемещения на другом конце.

Можно реализовать упомянутые упоры тремя различными способами.

Первый состоит в формировании упоров путем механической обработки, выполняемой непосредственно на подлежащей контролю детали (фиг. 6).

Второй способ состоит в привинчивании или приклеивании упоров на подлежащую контролю деталь (фиг. 8).

И последний, третий, способ состоит в соединении упоров между собой с использованием материала, обладающего малой упругостью, чтобы не создавать усилий в точках крепления.

Увеличение или сокращение длины ЬО между упорами 20 вызывает изгиб пластины. Измерительная мостовая схема чувствительных элементов 23, наложенная и закрепленная при помощи тонкого слоя клея 24 или каким-либо другим способом, предпочтительно в середине пластины 22, позволяет измерить величину деформаций, которым подвергается пластина 22. Измерительная мостовая схема чувствительных элементов 23 может представлять собой схему с резистивными полупроводниковыми элементами, пьезорезистивными элементами, емкостными элементами или элементами другого типа.

Измерительная мостовая схема чувствительных элементов 23 (фиг. 8) связана с несущей деталью 27 электронной схемы 28, располагающейся выше пластины 22 и отделенной от нее достаточно большим свободным пространством. Несущая деталь 27 опирается на упоры 20. Электронная схема усиления 28 связана при помощи электрического соединителя 30 с электрическим проводником 29, который позволяет передать информацию от датчика за пределы измерительного устройства.

Одна измерительная мостовая схема чувствительных элементов может быть использована как на верхней стороне, так и на нижней стороне пластины 22. При некотором увеличении стоимости устройства можно распределить четыре чувствительных элемента мостовой измерительной схемы попарно с каждой из сторон пластины и обеспечить таким образом более высокую чувствительность устройства.

Основной характеристикой устройства является то, что оно обеспечивает простоту установки, поскольку имеется возможность предварительно отрегулировать исходное нулевое положение перед закреплением устройства на подлежащей контролю детали. При этом необходимо осуществлять монтаж в соответствии с вариантами, показанными на фиг. 8-11.

Для крепления используется скоба или кожух 31. Кожух 31 имеет достаточную жесткость и содержит два винта 21 крепления и две наружные наклонные поверхности 33, располагающиеся против упоров 20. Имеется небольшой зазор 34 между нижней частью кожуха 31 и верхней частью упоров 20.

Перед установкой устройства на подлежащую контролю конструкцию, где необходимо выполнить измерения, кожух 31 позволяет удерживать вместе все части устройства, защищая пластину 22 и упоры 20. Винты 21 позволяют зафиксировать исходное нулевое положение, соединяя кожух 31 с упорами 20. После того, как нижняя часть устройства приклеена к поверхности, на которой необходимо выполнить измерения, винты 21 извлекают.

После этого кожух 31 может скользить своими наклонными поверхностями 33 в специальных У-образных канавках. В этот момент кожух 31 служит только для защиты пластины 22 от нежелательных атмосферных влияний и случайных механических воздействий. Поскольку кожух при этом может свободно поступательно перемещаться, он не будет создавать на упорах 20 дополнительных усилий, и устройство сможет эффективно осуществлять измерения механических напряжений в контролируемой детали.

Блокировка нулевого положения представляет собой одно из наиболее трудных в реализации условий. Действительно, ослабление натяжения датчика всего лишь на 0,01 мм в механике представляет собой очень малое расстояние и весьма дорогостоящее в реализации, составляющее половину или даже три четверти всей измеряемой длины. Совокупность операций калибровки, блокировки нулевого положения, установки датчика на место и удаления блокировки нулевого положения должна быть выполнена с зазором менее одного микрона.

Принцип состоит в устранении движений упоров, на которые опирается пластина, вызываемых усилиями установки, сжатия и отпускания. Повороты вокруг осей Οζ и Ох устраняются, когда верхняя поверхность упора опирается на нижнюю поверхность крышки или кожуха 31. Эта опора обеспечивается при помощи винтов 21. Обычно используемые допуски на параллельность и плоскостность без допусков на размерные параметры являются достаточными для того, чтобы обеспечить необходимую точность измерений.

Поворот вокруг оси Оу блокируется в результате наличия наклонных поверхностей 33 на боковой стороне упора и на внутренней стороне боковин кожуха 31. Действительно, нельзя рассчитывать на простую регулировку с зазором по соображениям, изложенным выше. Эти поверхности входят в контакт несколько раньше верхней поверхности, что препятствует поворотному движению. Затем упругость боковин кожуха позволяет обеспечить контакт с верхней поверхностью. В процессе функционирования, как только винты блокировки отпускаются и/или удаляются совсем, кожух может свободно перемещаться в упомянутых У-образных канавках.

Как и все тензометрические датчики, предлагаемый датчик обладает собственным тепловым расширением, а также подвергается воздействию теплового расширения конструкции, на которой он установлен, в зависимости от изменений окружающей температуры. Тепловое расширение вызывает возникновение выходного сигнала с чувствительных элементов. В большинстве случаев этот сигнал является нежелательным и должен быть устранен или компенсирован для сохранения только того сигнала, который связан с контролируемой величиной.

Ни один из известных типов тензометрических датчиков в настоящее время не позволяет осуществить автоматическую тепловую компенсацию путем воздействия на характеристики его удельного сопротивления в зависимости от температуры.

В описываемом устройстве изостатическое положение пластины позволяет легко уравновесить нежелательное тепловое расширение в соответствии с принципом, проиллюстрированным на фиг. 14, где:

Ь0 - расстояние между опорами;

Ь1 - свободная длина пластины;

Ь2 - величина теплового расширения подложки;

Ь3 - величина свободного теплового расширения опоры пластины 3;

Ь4 - величина свободного теплового расширения опоры пластины 4;

α1 - коэффициент теплового расширения пластины;

α2 - коэффициент теплового расширения подложки;

α3 - коэффициент теплового расширения упора 3;

α4 - коэффициент теплового расширения упора 4.

Если ЛЬ0 (ΔΤ)=(α1 + 1)Έ1·ΔΤ, то датчики, расположенные в полном измерительном мосту, уравновешивают естественное тепловое расширение пластины, и при этом выходной сигнал не регистрируется.

Поскольку ΔΕ0 (Т) = α·ΔΤ·Ε1, достаточно выполнения соотношения а2Е2-(а3Е3+аЕ4)=а1Е1 для того, чтобы получить возможность уравновесить различие теплового расширения между датчиком и контролируемой поверхностью. Остаточная компенсация может быть реализована при помощи сопротивлений, располагающихся последовательно или параллельно в мосту Уитсона, или при помощи цифрового устройства.

Когда хотят повысить чувствительность датчика путем укорачивания или уменьшения пластины, критическое усилие продольного изгиба, которое представляет 99% усилий на упорах, может в тех же пропорциях увеличить ущерб, наносимый точности данного устройства и точности регулировки нулевого положения.

Решение этой проблемы состоит в уравновешивании усилий со стороны пластины, которые стремятся раздвинуть упоры, при помощи пружины, которая стягивает эти упоры. Таким образом, результирующая величина в точках крепления представляет собой разность усилий.

Весьма экономичный способ реализации уравновешивающей пружины состоит в использовании рамки 40, изготовленной из литого пластического материала или из другого материала, например, титана или алюминия, которая служит одновременно деталью соединения упоров и несущей конструкцией датчика (фиг. 10).

Рамка 40 образована четырьмя П-образными стойками 41 и их верхними перемычками 42. Побразные стойки 41 связаны между собой центральной частью их верхней перемычки 42, которая по существу выполняет роль пластинчатой пружины. В этом случае можно модулировать жесткость пластинчатой пружины, изменяя кроме поперечного сечения стоек свободную длину перемычки, варьируя соответствующим образом глубину вырезов 43 и модуль упругости используемого материала (армированный или неармированный пластический материал, металл и т.д.).

На фиг. 8-11 схематически представлены различные этапы работы предлагаемого моноблочного датчика.

Первый из этапов представляет монтаж и удержание пластины. В процессе монтажа датчик подвергается удлинению, пропорциональному усилию продольного изгиба пластины 22 и жесткости рамки 40. Эти усилия, создаваемые пластиной и рамкой, уравновешиваются и удерживают пластину в заданном положении.

Затем выполняют предварительную регулировку исходной точки. Упоры 20 закреплены на калибровочном столе, позволяющем перемещать их друг относительно друга с большой точностью до получения желаемой величины предварительного напряжения для пластины 22, причем винты 21 при этом отпущены.

После этого предварительную регулировку фиксируют. Для этого винты 21 завинчиваются с предварительно определенным моментом за15 тяжки. Таким образом, два упора 20 оказываются жестко закрепленными по отношению к кожуху 31, и пластина надежно удерживается в положении желаемой величины нулевого положения измерения.

И, наконец, всю систему устанавливают на подлежащую контролю деталь. При этом два упора приклеиваются, привариваются или привинчиваются к подлежащей контролю поверхности.

После крепления винты 21 отвинчиваются и извлекаются, в результате датчик готов к работе, причем предварительно отрегулирован.

Жесткость рамки 40 является достаточной для того, чтобы удерживать пластину в процессе ее присоединения, но рассчитывается таким образом, чтобы вызывать лишь весьма незначительные усилия в точках крепления в процессе функционирования датчика.

Предпочтительный способ реализации изобретения может быть немного модифицирован с тем, чтобы изменить характеристики датчика и обеспечить различные измерения.

Например, можно модифицировать параметры пластины следующим образом. Если увеличивают толщину пластины 22, будет повышена чувствительность при увеличении усилий. Можно также использовать длинную пластину с небольшим и постоянным усилием для больших перемещений или короткую пластину для высокой чувствительности при измерении малых деформаций.

Если уменьшают ширину пластины, это приводит к уменьшению усилий на упорах. Если увеличивают межосевое расстояние для одной и той же пластины, это приводит к повышению чувствительности. Можно устранить проблемы неустойчивого равновесия, связанные с продольным изгибом, придавая пластине первоначальную пластическую деформацию.

Можно также заменить измерительный мост чувствительных элементов 23 для различных устройств, например, для чувствительного элемента с эффектом Холла (фиг. 15) или для оптического чувствительного элемента. При этом чувствительный элемент с эффектом Холла действует как электромагнит, когда пластина 22 приближается или удаляется по отношению к его катушке 52.

Не имеет особого значения способ восприятия деформаций, которым подвергается пластина, но выходной сигнал должен быть преобразован в электрические импульсы.

Слегка модифицируя конструкцию кожуха 31, можно выполнить калибровку непосредственно по месту установки. Один из упоров 20 упирается в продольный упор в кожухе 31 своей наружной поверхностью. При этом противоположный упор отталкивается винтом (не показан) для обеспечения желаемой величины напряжения на пластине.

Для блокировки нулевого положения датчика может быть использована разрушаемая перемычка. Способ использования такой перемычки схематически проиллюстрирован на фиг. 12 и 13.

Для этого используются две пластинки 35, изготовленные из хрупкого и достаточно твердого материала, например, из стекла или керамики. При необходимости на каждой из этих пластинок выполняется один или несколько надрезов 36, чтобы сформировать точку разрушения.

Регулировочный стенд должен обеспечивать возможность очень точного перемещения датчика таким образом, чтобы датчик был прижат к нему своими опорными поверхностями 37 и направлялся поверхностями 38, строго параллельными опорным поверхностям пластины 22, по меньшей мере одна из которых перемещается таким образом, чтобы реализовать продольную деформацию пластины.

Для этого датчик закрепляется поверхностями 37 и направляется поверхностями 38, одна из которых служит неподвижной координатой, а другая используется в качестве подвижной координаты.

Пластина 22 переводится в требуемое положение путем перемещения поверхности 38. Затем осуществляется приклеивание пластинок 35 поверхностями 39 к поверхностям упоров 20. После схватывания клея пластинки 35 будут удерживать датчик в предварительно напряженном положении, и этот датчик может быть снят с регулировочного стенда.

Затем датчик закрепляют на подлежащей контролю детали поверхностью 37. После того, как закрепление датчика на подлежащей контролю поверхности выполнено, пластинки 35 разрушают при помощи щипцов или в результате удара, чтобы освободить датчик и обеспечить возможность его нормального функционирования.

Способ обладает многочисленными преимуществами, которые обусловлены основными используемыми принципами. Первое преимущество заключается в использовании изостатического продольного изгиба, благодаря которому создается малое усилие на упорах. Эти усилия на упорах в значительной мере уменьшаются вследствие того, что после продольного изгиба пластина работает на изгиб, а не на растяжение или сжатие.

В частности, для пластины с размерами 25x5x0,3 мм и с перемещением величиной 0,02 мм усилия изменяются в диапазоне от 252 Н до 33,7 Н. Кроме того, для пластины, работающей на растяжение, невозможно правильно зафиксировать пластину, чтобы устранить скольжение точек крепления (при этом чувствительность измерения имеет величину порядка 0,03 мкм), и легко можно создать концентрации механических напряжений, которые приводят к постоянной деформации пластины.

В заявленном устройстве полностью отсутствует момент сил в точках крепления и уменьшены усилия, что делает данное устройство пригодным для приклеивания, поскольку клеевые составы обычно хорошо сопротивляются усилиям сдвига, а также формируется квазипостоянное усилие в рассматриваемом диапазоне измерений, что гарантирует обеспечение заданных характеристик в достаточно большом диапазоне измерений.

Изостатический продольный изгиб позволяет обеспечить очень хороший возврат к нулевому положению и малый гистерезис. При любой системе фиксации в том случае, когда усилия превышают определенное пороговое значение, возникает скольжение. При обратном движении упругие возвратные усилия системы оказываются несколько меньшими, чем усилия трения, и система занимает новое положение равновесия в новом нулевом состоянии.

Этот эффект имеет место в каждом цикле, вследствие чего происходит постепенный дрейф нулевого положения или возрастающая погрешность, если усилия изменяют свое направление. В рассматриваемом случае эти усилия всегда ориентированы в одном и том же направлении на всем пространстве измерения и существуют всегда, причем величина этих усилий является малой и достаточно постоянной, что обеспечивает наименьший возможный дрейф нулевого положения.

Claims (19)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Тензометрический датчик, устанавливаемый на механическом органе, в котором возникают усилия, подлежащие измерению, содержащий плоскую деформируемую металлическую пластину, чувствительную к механическим деформациям растяжения и сжатия, снабженную измерительными чувствительными элементами, размещенными и позиционированными на ней, и оборудованную скобкой механической блокировки, устанавливаемой между двумя несущими деталями пластины и служащей для их фиксации после процесса калибровки.
2. 2. Тензометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что содержит скобу блокировки и выдает выходной сигнал в виде электрической величины в соответствии с положением скобы.
3. 3. Тензометрический датчик по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что скоба блокировки установлена между несущими деталями пластины датчика.
4. 4. Тензометрический датчик по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в нем осуществляется разрушение скобы после того, как датчик установлен на подлежащем контролю органе, и в котором существует определенное соответствие между величиной усилия предварительного механического напряжения, которому подвергается пластина, и величиной выходного электрического сигнала датчика перед разрушением скобы блокировки.
5. 5. Тензометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что скоба блокировки представляет собой жесткий элемент, который разрезается в том случае, когда тензометрический датчик окончательно закреплен на подлежащем контролю механическом органе.
6. 6. Тензометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что скоба механической блокировки имеет форму жесткого кожуха, а несущие детали пластины датчика жестко соединены с кожухом в процессе его регулировки.
7. 7. Тензометрический датчик по п.6, отличающийся тем, что кожух содержит средства, предназначенные для обеспечения несущим деталям в форме упоров возможности скольжения в кожухе вдоль продольной оси пластины, и специальные средства предусмотрены для фиксации этих несущих деталей для ограничения движения деталей относительно кожуха.
8. 8. Тензометрический датчик по любому из пп.1, 7, отличающийся тем, что несущие детали представляют собой упоры, а пластина является упругой в положении изостатического упора своими концами в упоры и удерживается изогнутой в результате ее продольного изгиба.
9. 9. Тензометрический датчик по п.8, отличающийся тем, что пластина подвергнута постоянной деформации для придания ей определенной исходной кривизны.
10. 10. Тензометрический датчик по любому из пп.7, 8, 9, отличающийся тем, что упоры освобождены от механического напряжения для обеспечения свободы функционирования датчика после его окончательного монтажа на подлежащем контролю механическом органе.
11. 11. Тензометрический датчик по п.10, отличающийся тем, что кожух содержит по меньшей мере две параллельные боковины, содержащие наклонные поверхности на внутренней стороне кожуха, которые входят во взаимодействие с каждым из упоров, причем внутренние поверхности боковин кожуха содержат продольные канавки, предназначенные для поступательного перемещения упоров вдоль продольной оси.
12. 12. Тензометрический датчик по любому из пп.7-11, отличающийся тем, что упоры связаны между собой при помощи устройства, являющегося пружиной, противодействующей деформации пластины датчика.
13. 13. Тензометрический датчик по п.12, отличающийся тем, что пружина образована плоским элементом, обладающим заданной упругостью за счет выполненных в нем вырезов.
14. 14. Тензометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что плоская пластина является прямоугольной и содержит центральный участок и два концевых участка, причем ширина центрального участка имеет величину, меньшую чем ширина двух концевых участков.
15. 15. Тензометрический датчик по п.14, отличающийся тем, что упоры связаны между собой при помощи устройства, являющегося пружиной, противодействующей деформации пластины датчика.
16. 16. Тензометрический датчик по п.14, отличающийся тем, что плоская пластина имеет Iобразную форму.
17. 17. Тензометрический датчик, содержащий упругую пластину, находящуюся в состоянии продольного изгиба, два концевых упора упругой пластины и средства для измерения деформации подлежащей контролю детали, при этом упругая пластина жестко соединена с упорами, связанными между собой посредством упругого элемента, уравновешивающего упругую пластину.
18. 18. Тензометрический датчик по п.17, отличающийся тем, что плоская пластина является прямоугольной и содержит центральный участок и два концевых участка, причем ширина центрального участка имеет величину, меньшую чем ширина двух концевых участков.
19. 19. Тензометрический датчик по п.18, отличающийся тем, что плоская пластина имеет Iобразную форму.