RU2437070C2

RU2437070C2 - Tensoresistor force transducer

Info

Publication number: RU2437070C2
Application number: RU2010102390/28A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Михайлович Панькин (RU); Анатолий Михайлович Панькин; Маргарита Вадимовна Ткаченко (RU); Маргарита Вадимовна Ткаченко; Сергей Александрович Шелковников (RU); Сергей Александрович Шелковников
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Тензоприбор"
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2011-12-20
Also published as: RU2010102390A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: tensoresistor force sensor has a housing in form of a parallelogram formed by top and bottom faces and two end-to-end cross-holes with a strap - detecting element in between and tensoresistors. The tensoresistors are placed in zones with maximum deformation on adjacent surfaces of the holes higher and lower than the neutral axis of the housing.

EFFECT: simple design, low labour input in manufacturing and high sensitivity of the device.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано при изготовлении весоизмерительных приборов.The invention relates to load-measuring equipment and can be used in the manufacture of weighting devices.

Известен датчик силы, содержащий жесткие силопередающие элементы, соединенные упругой частью устройства в виде двух балочек с утонениями на концах, образующими упругие шарниры и измерительной перемычкой с тензорезисторами, при этом средняя часть перемычки выполнена в виде кольцеобразного упругого элемента, размещенного в плоскости действия силы с внутренней цилиндрической поверхностью, для размещения тензорезисторов. Стенки кольцеобразного упругого элемента в зонах размещения тензорезисторов выполнены переменной толщины, которые образованы пересекающимися отверстиями с различными координатами (см. описание к патенту №2308010,6, МПК G01L 1/22).A known force sensor containing rigid power transmitting elements connected by the elastic part of the device in the form of two rolls with thinning at the ends forming elastic joints and a measuring jumper with strain gauges, the middle part of the jumper is made in the form of an annular elastic element located in the plane of action of the force with the inner a cylindrical surface to accommodate strain gages. The walls of the annular elastic element in the zones where the strain gages are placed are made of variable thickness, which are formed by intersecting holes with different coordinates (see the description of patent No. 2308010.6, IPC G01L 1/22).

Недостатком аналога является сложность изготовления.The disadvantage of an analogue is the complexity of manufacturing.

Известен датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, в которой размещена упругая балка с пьезопластинами и генератор. Поперечная полость корпуса выполнена из центрального и двух пересекающих его симметрично расположенных сквозных боковых отверстий, диаметр которых больше диаметра центрального отверстия. В центральном отверстии вертикально расположена упругая балка, которая имеет сегментальные выемки, образованные отверстиями. Пьезоэлементы расположены на балке под углом 45 градусов к продольной оси корпуса. Точка пересечения их осей совпадает с центром отверстия. Боковые отверстия с верхней и нижней гранями корпуса образуют упругие шарниры (см. описание к патенту 2130593,6, МПК G01L 1/16, 1/22).A known force sensor containing a housing in the form of a parallelogram with a cavity in the side wall in which is placed an elastic beam with piezoelectric plates and a generator. The transverse cavity of the housing is made of a central and two symmetrical located through lateral holes intersecting it, the diameter of which is larger than the diameter of the central hole. An elastic beam is vertically located in the central hole, which has segmental recesses formed by the holes. Piezoelectric elements are located on the beam at an angle of 45 degrees to the longitudinal axis of the housing. The intersection point of their axes coincides with the center of the hole. Side holes with upper and lower faces of the body form elastic hinges (see the description of patent 2130593.6, IPC G01L 1/16, 1/22).

Этот датчик принят за прототип по наибольшему числу существенных признаков.This sensor is adopted as a prototype for the largest number of essential features.

Недостатками конструкции прототипа является: во-первых, сложность изготовления из-за необходимости выполнения трех отверстий в боковой стенке и шлифования поверхности под наклейку тензорезисторов, а эта поверхность в прототипе - плоское дно глухого центрального отверстия, следовательно, необходимо торцевое шлифование, причем - с двух сторон, следовательно, необходима переустановка детали с поворотом; во-вторых, низкая чувствительность датчика из-за того, что измерение главных напряжений в прототипе производится на нейтральной оси под углом 45 градусов к ней, и они равны максимальным касательным напряжениям в этом сечении, допустимый уровень которых в 1,67 раза меньше допустимого уровня нормальных напряжений, вследствие чего измеряемые деформации в прототипе занижены в 1,67 раз.The disadvantages of the design of the prototype are: firstly, the complexity of manufacturing due to the need to make three holes in the side wall and grinding the surface under the sticker of the strain gauges, and this surface in the prototype is the flat bottom of a blind central hole, therefore, face grinding is required, and from two parties, therefore, it is necessary to reinstall the part with rotation; secondly, the low sensitivity of the sensor due to the fact that the measurement of the main stresses in the prototype is carried out on the neutral axis at an angle of 45 degrees to it, and they are equal to the maximum tangential stresses in this section, the permissible level of which is 1.67 times less than the permissible level normal stresses, as a result of which the measured strains in the prototype are underestimated by 1.67 times.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции, снижение трудоемкости изготовления и повышение чувствительности датчика силы.The present invention is to simplify the design, reduce the complexity of manufacturing and increase the sensitivity of the force sensor.

Для решения поставленной задачи в тензометрическом датчике силы, содержащем корпус в виде параллелограмма, образованного верхней и нижней гранями и двумя сквозными поперечными отверстиями с упругой перемычкой - чувствительным элементом между ними, тензорезисторы размещены в зонах максимальных деформаций на прилегающих поверхностях отверстий выше и ниже нейтральной оси корпуса датчика. Расстояние между отверстиями, являющееся толщиной перемычки, - чувствительного элемента рассчитывается таким образом, чтобы уровень измеряемых деформаций, возникающих при нагружении датчика, соответствовал техническим характеристикам тензорезисторов. С целью увеличения зон равномерного распределения напряжений (деформаций) в местах наклейки тензорезисторов в боковых стенках перемычки - чувствительного элемента выше и ниже нейтральной оси корпуса датчика выполнены пазы.To solve the problem, in a strain gauge force sensor containing a housing in the form of a parallelogram formed by the upper and lower faces and two through transverse holes with an elastic bridge - a sensitive element between them, strain gauges are placed in zones of maximum deformation on the adjacent surfaces of the holes above and below the neutral axis of the housing sensor. The distance between the holes, which is the thickness of the jumper, of the sensitive element, is calculated so that the level of measured strains that occur when the sensor is loaded corresponds to the technical characteristics of the strain gauges. In order to increase the zones of uniform distribution of stresses (deformations) in the places of the stick of strain gauges in the side walls of the jumper, the sensitive element, grooves are made above and below the neutral axis of the sensor housing.

Упрощение конструкции и снижение трудоемкости изготовления достигается за счет того, что в предлагаемом решении боковая полость выполнена только двумя сквозными поперечными отверстиями - исключено третье центральное глухое отверстие. Кроме этого снижение трудоемкости достигается за счет того, что требуемые измерительные деформации получены на прилегающих поверхностях двух сквозных поперечных отверстий, выполненных в виде цилиндров. А внутреннее цилиндрическое шлифование существенно технологичнее торцевого шлифования, как в прототипе, и не требует переустановки детали.Simplification of the design and reduction of the complexity of manufacturing is achieved due to the fact that in the proposed solution, the lateral cavity is made only of two through transverse holes - the third central blind hole is excluded. In addition, the reduction of laboriousness is achieved due to the fact that the required measuring deformations are obtained on the adjacent surfaces of two through transverse holes made in the form of cylinders. And internal cylindrical grinding is much more technologically advanced than face grinding, as in the prototype, and does not require reinstalling the part.

Увеличение чувствительности датчика достигается за счет того, что тензорезисторы измеряют деформации при максимальных нормальных изгибных напряжениях, допустимый уровень которых в 1,67 раза выше допустимого уровня напряжений при определении максимальных касательных напряжений от сдвига, как в прототипе. Вышесказанное подтверждается формулой:An increase in the sensitivity of the sensor is achieved due to the fact that strain gauges measure strains at maximum normal bending stresses, the permissible level of which is 1.67 times higher than the permissible stress level when determining the maximum shear stresses from shear, as in the prototype. The above is confirmed by the formula:

σ1=τmax ≤ [τ]=0,6[σ]=0,6σв/3σ1 = τmax ≤ [τ] = 0.6 [σ] = 0.6σv / 3

σmax ≤ [σ]=σв/3 таким образом, σ1<σmax в 1,67 раза, гдеσmax ≤ [σ] = σv / 3 so that σ1 <σmax is 1.67 times, where

σ1 - главное напряжение;σ1 is the main stress;

[σ] - допустимый уровень нормальных напряжений;[σ] is the permissible level of normal stresses;

τmax - максимальное касательное напряжение;τmax is the maximum tangential stress;

[τ] - допустимый уровень касательных напряжений;[τ] is the permissible level of shear stresses;

σв - напряжение, при котором происходит разрушение образца.σv is the stress at which the destruction of the sample occurs.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

на фиг.1 изображен датчик силы, содержащий корпус 1 в виде параллелограмма, силопередающие элементы 2 и 3, соединенные упругой параллелограммной системой, образованной в корпусе 1 двумя сквозными поперечными отверстиями 4 и гранями, верхней 5 и нижней 6. Упругая перемычка между отверстиями является чувствительным элементом 7. На прилегающие цилиндрические поверхности отверстий, образующие чувствительный элемент 7 выше и ниже нейтральной оси корпуса 8, - в верхних деформируемых зонах наклеены тензорезисторы 9, а ниже - в нижних аналогичных зонах - тензорезисторы 10. Для удлинения зон с равномерным распределением деформаций в боковых стенках чувствительного элемента 7 выполнены пазы 11 и 12, которые «утоняют» чувствительный элемент 7 в его малонапряженных зонах для поднятия в них напряжений (уровней деформаций);figure 1 shows a force sensor containing the housing 1 in the form of a parallelogram, the power transmitting elements 2 and 3 connected by an elastic parallelogram system formed in the housing 1 by two through transverse holes 4 and the faces, the upper 5 and lower 6. The elastic bridge between the holes is sensitive element 7. On the adjacent cylindrical surface of the holes forming the sensing element 7 above and below the neutral axis of the housing 8, strain gages 9 are glued in the upper deformable zones, and lower in the lower similar zones - the strain gauges 10. For elongation zones with uniform deformation distribution in the side walls of the sensor 7 are slots 11 and 12 which "thinned" sensor element 7 in its malonapryazhennyh zones to raise them stress (strain levels);

на фиг.2 - схема соединения тензорезисторов 9 и 10;figure 2 - connection diagram of the strain gauges 9 and 10;

на фиг.3 - распределение напряжений в расчетной модели датчика, полученное методом конечных элементов с помощью специальной программы;figure 3 - stress distribution in the calculation model of the sensor obtained by the finite element method using a special program;

на фиг.4 - фрагмент фиг.3 с указанием величин напряжений в узлах расчетной модели датчика, расположенных в зоне наклейки одного из тензорезисторов.figure 4 is a fragment of figure 3 indicating the magnitude of the stresses in the nodes of the calculated model of the sensor located in the sticker area of one of the strain gauges.

Датчик работает следующим образом.The sensor operates as follows.

При действии силы Р силопередающий элемент 1 перемещается в направлении силы и происходит поворот перемычки - чувствительного элемента 7. В результате чего на прилегающих поверхностях сквозных отверстий 4 выше и ниже нейтральной оси 8 корпуса 1 возникают деформации сжатия и растяжения, которые соответственно изменяют сопротивления тензорезисторов. Разнополярные деформации позволяют соединить тензорезисторы 9 и 10 по схеме полного дифференциального моста (фиг.2), отличающегося высокой чувствительностью преобразования деформаций в электрическое напряжение.Under the action of force P, the force-transmitting element 1 moves in the direction of force and the jumper, the sensitive element 7, rotates. As a result, compressive and tensile strains occur on the adjacent surfaces of the through holes 4 above and below the neutral axis 8 of the housing 1, which accordingly change the resistance of the strain gauges. Bipolar deformations allow you to connect the strain gauges 9 and 10 according to the scheme of a full differential bridge (figure 2), characterized by a high sensitivity of the transformation of deformations into electrical voltage.

Благодаря тому, что передача усилий на чувствительный элемент 7 происходит в зоне нейтральной оси 8 корпуса 1 устройства, зависимость от внешних паразитных моментов минимизирована. Кроме того, тензорезисторы R1 и R2, размещенные в верхней части, и тензорезисторы R3 и R4, расположенные в нижней части, включены в одни и те же плечи моста, что дополнительно компенсирует остаточное влияние деформаций от внешнего момента на результат измерений.Due to the fact that the transmission of forces to the sensing element 7 occurs in the zone of the neutral axis 8 of the device body 1, the dependence on external spurious moments is minimized. In addition, the strain gauges R1 and R2 located in the upper part and the strain gauges R3 and R4 located in the lower part are included in the same bridge arms, which additionally compensates for the residual effect of deformations from the external moment on the measurement result.

За счет того, что тензорезисторы размещены в зонах с равномерным распределением деформаций по длине измерительной решетки, достигается максимальный коэффициент преобразования механических деформаций в изменение сопротивлений.Due to the fact that the strain gauges are located in areas with a uniform distribution of deformations along the length of the measuring grating, the maximum coefficient of conversion of mechanical deformations to a change in resistances is achieved.

Применение предлагаемого датчика в производстве позволит обеспечить высокую точность измерения усилий. На предлагаемый датчик разработана конструкторская документация, изготовлены и успешно испытаны опытные образцы на номиналы измеряемых усилий от 150 кг до 7000 кг. Общая погрешность измерения не превышает 0,02%, нелинейность - не более 0,01%.The use of the proposed sensor in production will allow for high accuracy of force measurement. Design documentation has been developed for the proposed sensor, prototypes have been manufactured and successfully tested for nominal values of measured forces from 150 kg to 7000 kg. The total measurement error does not exceed 0.02%, non-linearity - not more than 0.01%.

Claims

1. A strain gauge force sensor containing a housing in the form of a parallelogram formed by the upper and lower faces and two through transverse holes with a jumper - a sensitive element between them, and strain gages, characterized in that the strain gages are placed in zones of maximum deformation on the adjacent surfaces of the holes above and below neutral axis of the housing.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the sensitive element is made with grooves in the side walls above and below the neutral axis of the housing.