RU2698073C1

RU2698073C1 - Sensitive element

Info

Publication number: RU2698073C1
Application number: RU2018129110A
Authority: RU
Inventors: Василий Корнилович Голованов
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2019-08-21

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, in particular, can be used for reliable and accurate measurement of high-value forces in a wide range. Sensitive element comprises an elastic cylindrical rod, both ends of which are equipped with force-receiving elements in form of top and bottom covers with conic recesses of specified taper made on their inner surfaces, along which covers are pressed to upper and lower chamfers of specified taper, made on elastic cylindrical rod, smoothly mating with its cylindrical and end spherical surfaces, respectively, and multi-directionally located with interference in the recesses strain gauge compression wire and resistance strain gage expansion wire, wherein the resistance strain gage thread is made along the whole chamfer height, and the resistance strain gage thread is made at resistance strain gage places.

EFFECT: dynamic loads measurement in wide range with high accuracy and reliability, including high value.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности может быть использовано для надежного и точного измерения усилий большой величины в широком диапазоне.The invention relates to measuring equipment, in particular, can be used for reliable and accurate measurement of large forces in a wide range.

Известен чувствительный элемент, содержащий упругий цилиндрический стержень, оба конца которого, снабжены рычагами одинаковой длины и расположенными перпендикулярно его оси. На боковой поверхности упругого стержня с сечением в виде прямоугольника со скругленными фасками, на которых выполнена нарезка в виде резьбы, и в ее пазах прижата, с помощью натяга тензорезисторная проволока тензорезисторов сжатия и растяжения [Пат. RU 2629918, МПК G01L 1/00, 04.09.2017].A known sensitive element containing an elastic cylindrical rod, both ends of which are equipped with levers of the same length and located perpendicular to its axis. On the lateral surface of an elastic rod with a cross section in the form of a rectangle with rounded chamfers, on which a thread is made, and in its grooves, it is pressed using an interference fit, strain gauge wire of compressive and tensile strain gages [Pat. RU 2629918, IPC G01L 1/00, 09/04/2017].

Недостатком указанной конструкции является то, что при использовании ее для измерения больших нагрузок, значительно увеличиваются габариты чувствительного элемента (ее целесообразно использовать для измерения малых нагрузок). При этом возрастает величина изгибной деформации, как самого упругого стержня, так и рычагов, что снижает точность измерения нагрузок.The disadvantage of this design is that when used to measure large loads, the dimensions of the sensing element increase significantly (it is advisable to use it to measure small loads). In this case, the magnitude of the bending deformation of both the elastic rod and the levers increases, which reduces the accuracy of the measurement of loads.

Наиболее близким является чувствительный элемент, содержащий упругий цилиндрический стержень, с нарезкой глубиной 1,5-2 диаметра тензорезисторной проволоки, оба конца которого снабжены силовоспринимающими элементами - рычагами одинаковой длины, расположенными перпендикулярно оси упругого стержня, и тензорезисторную проволоку сжатия и растяжения, разнонаправленно расположенную с натягом во впадинах нарезки [А.с. SU 1550339, МПК G01L 1/22; 15.03.1990].The closest is a sensitive element containing an elastic cylindrical rod, with a depth of 1.5-2 cutting the diameter of the strain gauge wire, both ends of which are equipped with force-sensing elements - levers of the same length, perpendicular to the axis of the elastic rod, and strain gauge wire of compression and tension, multidirectional located with interference fit in the hollows of the cut [A. SU 1550339, IPC G01L 1/22; 03/15/1990].

Недостатком указанной, конструкции, является затруднительность размещения тензорезисторной проволоки в пазах нарезки, так чтобы проволока не касалась корпуса чувствительного элемента. Особенная сложность установки тензорезисторной проволоки наблюдается в верхних и нижних частях нарезки. Это объясняется тем, что направление нарезки изменяется, становится противоположным. Плавное изменение осуществляется по цилиндрической поверхности. Поэтому на этих участках тензорезисторная проволока испытывает как деформацию сжатия, так и растяжения, что уменьшает суммарную величину деформации сжатия. Это в конечном итоге уменьшает диапазон измерения нагрузок, особенно в начале диапазона, за счет снижения чувствительность измерения. Все это понижает точность измерения чувствительным элементом нагрузок.The disadvantage of this design is the difficulty of placing the strain gauge wire in the grooves of the thread, so that the wire does not touch the housing of the sensing element. The particular difficulty of installing a strain gauge wire is observed in the upper and lower parts of the cut. This is due to the fact that the direction of cutting changes, becomes the opposite. Smooth change is carried out on a cylindrical surface. Therefore, in these areas, the strain gauge wire experiences both compression and tensile deformations, which reduces the total amount of compression deformation. This ultimately reduces the range of measurement of loads, especially at the beginning of the range, due to lower sensitivity of the measurement. All this reduces the measurement accuracy of the load sensing element.

В этой связи важнейшей задачей является создание новой технологичной конструкции чувствительного элемента, предназначенного для измерения динамические нагрузки большой величины в широком диапазоне, обладающей упрощенной установкой тензорезисторной проволоки на чувствительном элементе.In this regard, the most important task is to create a new technological design of the sensitive element, designed to measure large dynamic loads in a wide range, with a simplified installation of the strain gauge wire on the sensitive element.

Техническим результатом изобретения является измерение динамических нагрузок в широком диапазоне с высокой точностью и надежностью, в том числе большой величины.The technical result of the invention is the measurement of dynamic loads in a wide range with high accuracy and reliability, including large quantities.

Поставленный технический результат достигается при использовании чувствительного элемента, предназначенного для измерения динамических нагрузок, содержащего упругий цилиндрический стержень с разнонаправленной двухзаходной нарезкой глубиной два диаметра тензорезисторной проволоки, оба конца которого снабжены силовоспринимающими элементами, и разнонаправлено расположенные с натягом во впадинах нарезки тензорезисторную проволоку сжатия и тензорезисторную проволоку растяжения, расположенную по цилиндрической поверхности стержня, при этом тензорезисторная проволока сжатия расположена вдоль упругого цилиндрического стержня над тензорезисторной проволокой растяжения, силовоспринимающие элементы выполнены в виде верхней и нижней крышек, с выполненными на их внутренних поверхностях коническими выборками заданной конусности, по которым крышки прижаты, соответственно, к верхней и нижней фаскамThe technical result is achieved by using a sensitive element designed to measure dynamic loads, containing an elastic cylindrical rod with bi-directional two-way cutting, two diameters of the strain gauge wire, both ends of which are equipped with force-sensing elements, and the strain gauge resistor wire and the tension resistor resistor are multidirectional stretching located on the cylindrical surface of the rod I, in this case, the strain gauge compression wire is located along the elastic cylindrical rod above the tensile strain gauge wire, the force-sensing elements are made in the form of upper and lower covers, with conical samples of a given taper made on their inner surfaces, along which the covers are pressed, respectively, to the upper and lower chamfers

заданной конусности, выполненным на упругом цилиндрическом стержне, плавно сопрягающимся с его цилиндрической и торцевыми сферическими поверхностями, причем нарезка под тензорезисторную проволоку сжатия выполнена по всей высоте фасок, вблизи заданной плоскости осевого сечения, а нарезка под тензорезисторную проволоку растяжения выполнена в средней части упругого цилиндрического стержня в местах наложения тензорезисторов сжатия.predetermined taper, made on an elastic cylindrical rod, smoothly mating with its cylindrical and end spherical surfaces, moreover, cutting under the strain gauge compression wire is made along the entire height of the chamfers, near a given plane of the axial section, and cutting under the strain gauge tensile wire is made in the middle part of the elastic cylindrical rod in places where compression strain gages are applied.

Упругий цилиндрический стержень чувствительного элемента выполнен с разнонаправленной нарезкой прямоугольного профиля на части поверхности стержня.The elastic cylindrical rod of the sensing element is made with multidirectional cutting of a rectangular profile on a part of the surface of the rod.

Силовоспринимающие элементы выполнены в виде верхней и нижней крышек, имеющих коническую выборку, заданной конусностью, по которым крышки прижаты соответственно к верхней и нижней фаскам заданной конусности, выполненной на упругом цилиндрическом стержне. Фаски заданной конусности, соответствующей конусности выборок на крышках, выполненные на упругом цилиндрическом стержне плавно сопрягаются с цилиндрической боковой и сферической торцевой поверхностями стержня.The power-receiving elements are made in the form of upper and lower covers having a conical selection defined by taper, according to which the covers are pressed against the upper and lower chamfers of a given taper, made on an elastic cylindrical rod. Chamfers of a given taper corresponding to the taper of the samples on the covers made on an elastic cylindrical rod smoothly mate with the cylindrical side and spherical end surfaces of the rod.

Верхняя крышка сверху ограничена сферической поверхностью, а нижняя снизу имеет кольцевой выступ.The top cover is bounded on top by a spherical surface, and the bottom below has an annular protrusion.

Для тензорезисторов сжатия по всей высоте фасок, вблизи заданной плоскости осевого сечения, выполнена по винтовой линии двухзаходная нарезка, которая плавно сопрягается с поверхностями упругого стержня. Для тензорезисторов растяжения, в средней части упругого цилиндрического стержня в местах наложения тензорезисторов сжатия (места, где тензорезисторная проволока сжатия проходит над тензорезисторной проволокой растяжения), с противоположных сторон цилиндрического стержня, выполнена двухзаходная нарезка, плавно сопрягающаяся с цилиндрической поверхностью стержня.For compression strain gages over the entire height of the chamfers, near a given axial section plane, a two-way thread is made along a helical line, which smoothly mates with the surfaces of the elastic rod. For tensile strain gauges, in the middle part of the elastic cylindrical rod in the places where the compression strain gages are applied (the place where the strain gauge compression wire passes over the tensile strain gauge wire), two-way cutting is made on the opposite sides of the cylindrical rod, smoothly mating with the cylindrical surface of the rod.

Глубина впадины нарезки составляет два диаметра тензорезисторной проволоки, расположенной с натягом во впадинах нарезки, образуя тензорезисторы сжатия, а над ними - тензорезисторы растяжения. Тензорезисторная проволока расположена в двухзаходной нарезке, что приводит к одинаковой величине деформации расположенных рядом тензорезисторов.The depth of the groove of the cut is two diameters of the strain gauge wire, located with an interference fit in the grooves of the cut, forming compression strain gages, and above them - tensile strain gages. The strain gauge wire is located in a two-way thread, which leads to the same strain in adjacent strain gages.

Изготовление новой конструкции с нарезкой выполненной только на малой части упругого цилиндрического стержня, именно на верхней и нижней фасках, и на части цилиндрической поверхности, значительно снижают трудоемкость установки тензорезисторной проволоки. Выполнение нарезки прямоугольного профиля, плавно сопрягающегося с поверхностью упругого цилиндра обеспечивает одинаковую установку каждого участка тензорезисторной проволоки.The manufacture of a new design with cutting performed only on a small part of the elastic cylindrical rod, namely on the upper and lower chamfers, and on the part of the cylindrical surface, significantly reduces the complexity of installing the strain gauge wire. The execution of the cutting of a rectangular profile, smoothly mating with the surface of the elastic cylinder provides the same installation of each section of the strain gauge wire.

Применение в конструкции двух крышек цилиндрической формы позволяет не только упростить формирование тензорезисторов сжатия, но и без значительного изменения формы упругого элемента, увеличить зону измерения деформации, так как тензорезисторная проволока, расположена дополнительно и на сферических торцевых поверхностях упругого цилиндрического стержня.The use of two caps of a cylindrical shape in the design allows not only to simplify the formation of compression strain gages, but also without significantly changing the shape of the elastic element, to increase the strain measurement zone, since the strain gauge wire is also located on the spherical end surfaces of the elastic cylindrical rod.

Усилие, приложенное по конической поверхности фасок, раскладывается на три взаимно ортогональные направления: осевое, по касательной и по нормали к параллели конической поверхности фасок. Последние два направления вызывают деформацию сжатия сферической поверхности, что передается тензорезисторам сжатия. Поэтому расширяется предел измерения усилий, в том числе и большой величины.The force applied along the conical surface of the chamfers is decomposed into three mutually orthogonal directions: axial, tangential, and normal to the parallel of the conical surface of the chamfers. The last two directions cause compression deformation of the spherical surface, which is transmitted to the strain gages of compression. Therefore, the limit of the measurement of forces, including large quantities, is expanding.

На фиг. 1 изображен чувствительный элемент, на фиг. 2 изображен вид сверху - «А», на фиг. 3 показано расположение тензорезисторной проволоки сжатия на упругом стержне - выносной элемент «Б», на фиг. 4 показано сопряжение нарезки и расположение тензорезисторной проволоки сжатия на сферической торцевой поверхности упругого стержня - выносной элемент «В», на фиг. 5 показано взаимное расположение тензорезисторных проволок сжатия над тензорезисторными проволоками растяжения - выносной элемент «Г».In FIG. 1 shows a sensor element, FIG. 2 shows a top view - “A”, in FIG. 3 shows the location of the strain gauge compression wire on the elastic rod - remote element "B", in Fig. 4 shows the pairing of the cut and the location of the strain gauge compression wire on the spherical end surface of the elastic rod - remote element "B", in Fig. 5 shows the relative position of the strain gauge compression wires above the strain gauge tensile wires - remote element "G".

Чувствительный элемент состоит из упругого цилиндрического стержня 1 и силовоспринимающих элементов, выполненных в виде верхней 2 и нижней 3 крышек, расположенных по концам упругого цилиндрического стержня 1. На внутренних поверхностях верхней 2 и нижней 3 крышек выполнены конические выборки заданной конусности «1:К», по которым крышки 2 и 3 прижаты, соответственно, к верхней и нижней фаскам заданной конусности «1:К» (величина конусности зависит от измеряемого диапазона), выполненным на упругом цилиндрическом стержне 1 и соответствующим конусности конических выборок на крышках 2 и 3. При этом верхняя крышка 2 сверху ограничена сферической поверхностью, а нижняя 3 снизу имеет кольцевой выступ.The sensitive element consists of an elastic cylindrical rod 1 and force-sensing elements made in the form of upper 2 and lower 3 covers located at the ends of the elastic cylindrical rod 1. On the inner surfaces of the upper 2 and lower 3 covers, conical samples of a given taper “1: K” are made, on which the caps 2 and 3 are pressed, respectively, to the upper and lower chamfers of the specified taper “1: K” (the taper value depends on the measured range), made on an elastic cylindrical rod 1 and corresponding to the cone In this case, the upper cover 2 is bounded from above by a spherical surface, and the lower 3 from below has an annular protrusion.

Верхняя и нижняя фаски, выполненные на упругом цилиндрическом стержне, плавно сопрягаются с его цилиндрической и торцевыми сферическими поверхностями. На поверхности упругого цилиндрического стержня по винтовой линии выполнена разнонаправленная двухзаходная нарезка 4 и 5 с глубиной впадины соответствующей двум диаметрам тензорезисторной проволоки. Нарезка 4 и 5 выполнена прямоугольного профиля и ограничена поверхностями, плавно сопрягающимися с поверхностями упругого стержня 1. При этом нарезка 4 выполнена по всей высоте фасок упругого цилиндрического стержня 1 под углом к его оси. Нарезка 5 выполнена поперек упругого стержня 1 на части его цилиндрической поверхности, в средней части упругого цилиндрического стержня 1 в местах потенциального «наложения» тензорезисторов сжатия 6, 7.The upper and lower chamfers made on an elastic cylindrical rod smoothly mate with its cylindrical and end spherical surfaces. On the surface of an elastic cylindrical rod along a helix, multidirectional two-way cutting 4 and 5 was made with a depth of depression corresponding to two diameters of the strain gauge wire. Cutting 4 and 5 is made of a rectangular profile and is limited to surfaces smoothly mating with the surfaces of the elastic rod 1. At the same time, cutting 4 is made along the entire height of the chamfers of the elastic cylindrical rod 1 at an angle to its axis. Cutting 5 is made across the elastic rod 1 on a part of its cylindrical surface, in the middle part of the elastic cylindrical rod 1 in the places of potential “overlap” of compression resistance gages 6, 7.

Во впадинах нарезки разнонаправлено расположены с натягом тензорезисторная проволока растяжения 8, 9 - расположенная поперек цилиндрической поверхности стержня 1, и тензорезисторная проволока сжатия 6, 7 - расположенная вдоль упругого цилиндрического стержня 1 (под углом к его оси) над тензорезисторной проволокой растяжения 8, 9.In the depressions of the slices, the tensile strain gauge wire 8, 9 is located across the cylindrical surface of the rod 1 and the strain gauge compression wire 6, 7 is located along the elastic cylindrical rod 1 (at an angle to its axis) above the tensile strain gauge wire 8, 9.

Тензорезисторная проволока 6, 7, 8, 9 расположена в двухзаходной нарезке, что приводит к одинаковой величине деформации рядом расположенных тензорезисторов. Это способствует повышению точности измерения приложенной нагрузки.The strain gauge wire 6, 7, 8, 9 is located in a two-way thread, which leads to the same strain in adjacent strain gages. This helps to improve the accuracy of measuring the applied load.

Предлагаемый чувствительный элемент работает следующим образом. Измеряемая нагрузка Р приложена к верхней крышке 2 и опирается на нижнюю 3, воздействует на упругий цилиндрический стержень 1 по конической поверхности фасок. Это усилие раскладывается на три взаимно ортогональные направления: осевое, по касательной и по нормали к параллели конической поверхности фасок. Эти усилия вызывают деформацию сжатия сферической и цилиндрической поверхностей упругого цилиндрического стержня 1, что передается тензорезисторам сжатия 6 и 7. Осевое сжатие цилиндрической поверхности упругого цилиндрического стержня 1 вызывает расширение цилиндрической поверхности, что передается тензорезисторам растяжения 8 и 9.The proposed sensitive element operates as follows. The measured load P is applied to the upper cover 2 and rests on the lower 3, acts on the elastic cylindrical rod 1 along the conical surface of the chamfers. This force is decomposed into three mutually orthogonal directions: axial, tangential, and normal to the parallel to the conical surface of the chamfers. These forces cause compression deformation of the spherical and cylindrical surfaces of the elastic cylindrical rod 1, which is transmitted to the strain gauges 6 and 7. Axial compression of the cylindrical surface of the elastic cylindrical rod 1 causes the expansion of the cylindrical surface, which is transmitted to the strain gauges 8 and 9.

Поэтому электрическое сопротивление тензорезисторов 8 и 9 увеличивается, а тензорезисторов 6 и 7 уменьшается. Следовательно, тензорезисторы 8, 9 и 6, 7 включенные в соответствующие плечи электрического моста Уинстона, на выходе дают электрическое напряжение. Поэтому электрический разбаланс моста Уинстона будет являться мерой измеряемого усилия.Therefore, the electrical resistance of the strain gauges 8 and 9 increases, and the strain gauges 6 and 7 decreases. Consequently, the strain gages 8, 9 and 6, 7 included in the respective shoulders of the Winston electric bridge, produce electrical voltage at the output. Therefore, the electrical imbalance of the Winston bridge will be a measure of the measured force.

Применение в конструкции двух крышек ограниченных изнутри коническими поверхностями, прижатыми к фаскам упругого цилиндрического стержня, позволяет в нем равномерно распределить поле напряжений. Поэтому тензорезисторам передается деформация значительной величины.The use of two covers in the design, bounded internally by conical surfaces pressed against the chamfers of an elastic cylindrical rod, makes it possible to uniformly distribute the stress field. Therefore, strain gauges are transmitted deformation of a significant magnitude.

Таким образом, при использовании чувствительного элемента, содержащего упругий цилиндрический стержень, оба конца которого снабжены силовоспринимающими элементами, в виде верхней и нижней крышек, с выполненными на их внутренних поверхностях коническими выборками заданной конусности, по которым крышки прижаты, соответственно, к верхней и нижней фаскам заданной конусности, выполненным на упругом цилиндрическом стержне, плавно сопрягающимся с его цилиндрической и торцевыми сферическими поверхностями, в котором нарезка под тензорезисторную проволоку сжатия выполнена по всей высоте фасок, вблизи заданной плоскости осевого сечения, а нарезка под тензорезисторную проволоку растяжения выполнена в средней части упругого цилиндрического стержня в местах наложения тензорезисторов сжатия, и разнонаправлено расположенные с натягом во впадинах нарезки тензорезисторную проволоку сжатия и тензорезисторную проволоку растяжения, обеспечивается измерение динамических нагрузок в широком диапазоне с высокой точностью и надежностью, в том числе большой величины.Thus, when using a sensitive element containing an elastic cylindrical rod, both ends of which are equipped with power-sensing elements, in the form of upper and lower covers, with conical samples of a given taper made on their inner surfaces, along which the covers are pressed, respectively, to the upper and lower chamfers predetermined taper, made on an elastic cylindrical rod, smoothly mating with its cylindrical and end spherical surfaces, in which cutting under the strain gauge the compression wire is made along the entire height of the chamfers, near a given axial section plane, and cutting under the strain gauge tensile wire is made in the middle part of the elastic cylindrical rod in the places where the strain gages are superimposed, and the strain gauge compression wire and the strain gauge provides the measurement of dynamic loads in a wide range with high accuracy and reliability, including large quantities.

Claims

A sensitive element designed to measure dynamic loads, containing an elastic cylindrical rod with two-way bidirectional threaded depths of two diameters of a strain gauge wire, both ends of which are equipped with force-sensing elements, and a tensile resistive compression wire and tensor resistor wire rod, characterized in that the strain gauge compression wire is located along the elastic cylindrical rod above the tensile strain gauge wire, the force-sensing elements are made in the form of upper and lower covers with conical samples of a given taper made on their inner surfaces, according to which the caps are pressed respectively to the upper and lower chamfers of a given taper, made on an elastic cylindrical rod that smoothly mates with its cylindrical and end spherical surfaces, and cutting under the strain gauge compression wire is made over the entire height e chamfers at a predetermined axial sectional plane, and cutting the wire under tension strain formed in the middle portion of the elastic cylindrical rod in places overlay compression gages.