датчик усилий для тензометрических весов

Формула изобретения

1. Датчик усилий для тензометрических весов, содержащий упругий параллелограммный элемент, имеющий два силовых плеча, соединенных упругими силовыми балочками с утонениями на концевых участках, образующими упругие шарниры, и размещенную внутри него симметрично относительно упругих шарниров силовых балочек упругую измерительную балочку из монокристалла кремния с тензорезисторами и концевыми полками, одна из которых жестко соединена с первым силовым плечом, а другая связана с вторым силовым плечом через силопередающее устройство, отличающийся тем, что в нем силовые плечи выполнены с разнесенными по высоте внутренними консольными выступами, силопередающее устройство изготовлено за одно целое с параллелограммным элементом и выполнено в виде платформы и двух вертикальных ленточных тяг толщиной 80-120 мкм, соединяющих платформу с консольным выступом на втором силовом плече с образованием параллелограммной подвески, а упругая измерительная балочка закреплена одной концевой полкой на консольном выступе первого силового плеча, а другой - на платформе силопередающего устройства.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что длина упругой измерительной балочки равна 1,0 - 0,8 длины силовых балочек.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в высокоточных тензометрических весах, а также в качестве преобразователя механических величин (давления, перемещения, деформации, усилия) в электрический сигнал.

В весовых системах широко используются датчики для измерения усилий при взвешивании с упругими элементами в форме параллелограмма. Примером такого датчика является устройство (патент США N 4107985, кл. 73-141 A, G 01 L 1/22, G 01 G 3/14, G 01 G 3/08, опубл. 22.08.78). Датчик содержит упругий параллелограммный элемент, имеющий два силовых плеча, соединенные упругими силовыми балочками, и размещенную внутри него упругую измерительную балочку с тензорезисторами, имеющую две консоли, соединенные утоненным участком. Размещение тензорезисторов вблизи нейтральной линии деформации на достаточно жестких консолях снижает точность измерения усилий, что делает это решение неприемлемым для высокоточных тензометрических весов. Кроме того, для повышения точности измерения усилий упругие балочки работают в зоне малых перемещений и имеют малое внутреннее демпфирование, поэтому при появлении даже малых колебаний датчик может долго не возвращаться к установившемуся значению.

Известен также датчик усилий для тензометрических весов (патент США N4196784, кл. 177-211, опубл. 08.04.80). Датчик содержит упругий параллелограммный элемент, имеющий два силовых плеча, соединенные упругими силовыми балочками, и размещенный внутри него силоизмерительный элемент, также выполненный в виде упругого параллелограммного элемента, включающего два плеча, соединенные двумя упругими балочками, параллельными силовым балочкам внешнего параллелограммного элемента, одна из которых образует упругую измерительную балочку с тензорезисторами. Первое плечо внутреннего параллелограммного элемента жестко закреплено на первом силовом плече внешнего параллелограммного элемента, а второе плечо снабжено выступом, соединенным со вторым силовым плечом внешнего параллелограммного элемента через силопередающее устройство, содержащее шток и конусные регулируемые точечные опоры. Работоспособность датчика достигается за счет создания предварительного усилия поджатия на штоке. Такое выполнение датчика, если не учитывать силы трения, должно исключить нагружение внутреннего параллелограммного элемента моментом от эксцентричного приложения нагрузки и усилиями вдоль его упругих балочек. Однако наличие трения в точечных опорах приводит к появлению в них тангенциальных контактных напряжений, усилий вдоль упругих балочек внутреннего параллелограммного элемента и гистерезиса при приложении и снятии нагрузки, что понижает точность измерения усилий. При этом возникает неустранимое противоречие: для исключения возможных люфтов надо увеличить предварительное усилие поджатия на штоке, а для уменьшения влияния трения в точечных опорах на точность измерения необходимо нулевое усилие поджатия, что делает неприемлемой данную конструкцию для использования в высокоточных тензометрических весах. Данная конструкция также чувствительна к изменению температуры, так как при повышении температуры могут появиться дополнительные нагрузки или люфты, связанные с неравномерностью температурных деформаций штока и внутреннего параллелограммного элемента. Конструкция также сложна в регулировке и чувствительна к вибрациям, особенно если они действуют перпендикулярно штоку.

Известен датчик усилий, содержащий упругий параллелограммный элемент, имеющий подвижное и неподвижное силовые плечи, соединенные между собой двумя силовыми балочками с утоненными концами, и расположенную между ними третью - измерительную балочку, которая одним из своих концов жестко соединена с неподвижным силовым плечом, а другим - через силопередающее устройство в виде упругого элемента связана с подвижным силовым плечом, при этом измерительная балочка выполнена с утонением в ее средней части, на котором установлены тензорезисторы (General Sensor Technology/Force And Pressure Sensors. Volume 1. Conference Proceedings. June 8-10. 1982. Chicago, IL. USA, p. 77, sketch 9). В известном датчике тензорезисторы смещены относительно середины упругих балочек к одному из их шарниров. Недостатком данного датчика является значительная нелинейность преобразовательной характеристики вследствие смещения тензорезисторов к одному из упругих шарниров силовых балочек и конечной жесткости упругого элемента, связывающего измерительную балочку с подвижным плечом, и обусловленные этим нелинейно зависимые от нагрузки продольные напряжения в местах установки тензорезисторов, что снижает точность измерения. Наиболее сильно эта нелинейность проявляется для устройств, рассчитанных на малые нагрузки, когда жесткость измерительной балочки и упругого элемента, связывающего ее с подвижным плечом, становятся соизмеримыми.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является датчик усилий для тензометрических весов (заявка Российской Федерации N 94023632/28, кл. G 01 L 1/22, опубл. 27.01.96). Датчик содержит упругий параллелограммный элемент, имеющий два силовых плеча, соединенные упругими силовыми балочками с утонениями на концевых участках, образующими упругие шарниры, и размещенный внутри него упругий силоизмерительный элемент, также выполненный в виде упругого параллелограммного элемента, оснащенного упругой измерительной балочкой, выполненной из монокристалла кремния с тензорезисторами и концевыми полками, одна из которых жестко соединена с первым силовым плечом внешнего параллелограммного элемента, а другая - связана со вторым силовым плечом внешнего параллелограммного элемента через силопередающее устройство, выполненное в виде упругого стержневого элемента и Z-образной жесткой опоры. Внутренний силоизмерительный параллелограммный элемент и силопередающее устройство выполнены за одно целое из монокристалла кремния. В данном датчике упругая измерительная балочка расположена симметрично относительно упругих шарниров силовых балочек внешнего параллелограммного элемента. Усилие на измерительную балочку передается через упругий стержень силопередающего устройства, что существенно уменьшает паразитные усилия и моменты от эксцентричного приложения нагрузки. Поскольку измерительная балочка размещена симметрично относительно упругих шарниров силовых балочек внешнего параллелограммного элемента, то ее центр вращения расположен на одной вертикальной линии с центрами вращения указанных балочек, и сохраняется линейная зависимость между углами поворота измерительной и силовых балочек, что повышает точность измерения усилий, особенно при малых углах поворота указанных балочек. Однако в данной конструкции не удается реализовать все преимущества симметричного расположения измерительной балочки относительно упругих шарниров силовых балочек, так как даже тонкий упругий стержень имеет определенную жесткость на изгиб, что приводит к неполной ликвидации продольных усилий в измерительной балочке и появлению погрешностей взвешивания. Вторая причина, приводящая к снижению точности измеряемых усилий, связана с поворотом торца тонкого упругого стержня при его изгибе, что вызывает деформацию внутреннего параллелограммного элемента и нагружение измерительной балочки паразитными усилиями. Паразитные усилия появляются и при эксплуатации датчика при различных температурах, так как разница температурных деформаций внешнего и внутреннего параллелограммных элементов также вызывает изгиб тонкого упругого стержня. Другим недостатком известного датчика является жесткое крепление концевых полок измерительной балочки по верхней и нижней поверхностям, что приводит к дополнительным погрешностям из-за неравномерного защемления указанных полок. Кроме этого, выполнение плеч и внешних балочек внутреннего параллелограммного элемента, а также силопередающего устройства за одно целое из монокристалла кремния снижает технологичность изготовления датчика и повышает его стоимость.

Задача изобретения - создание датчика усилий с повышенной точностью измерения за счет уменьшения погрешностей, связанных со смещением прилагаемого усилия от номинального положения и разностью температурных деформаций измерительной балочки и внешнего параллелограммного элемента.

Дополнительной задачей изобретения является создание датчика усилий с повышенной технологичностью изготовления и меньшей стоимостью.

Поставленные технические задачи решаются тем, что в известном датчике усилий для тензометрических весов, содержащем упругий параллелограммный элемент, имеющий два силовых плеча, соединенные упругими силовыми балочками с утонениями на концевых участках, образующими упругие шарниры, и размещенную внутри него симметрично относительно упругих шарниров силовых балочек упругую измерительную балочку из монокристалла кремния с тензорезистрами и концевыми полками, одна из которых жестко соединена с первым силовым плечом, а другая - связана со вторым силовым плечом через силопередающее устройство, согласно изобретению, силовые плечи выполнены с разнесенными по высоте внутренними консольными выступами, силопередающее устройство изготовлено за одно целое с параллелограммным элементом и выполнено в виде платформы и двух вертикальных ленточных тяг толщиной 80-120 мкм, соединяющих платформу с консольным выступом на втором силовом плече с образованием параллелограммной подвески, а измерительная балочка закреплена одной концевой полкой на консольном выступе первого силового плеча, а второй - на платформе силопередающего устройства.

Целесообразно иметь длину упругой измерительной балочки равной 1,0-0,8 от длины силовых балочек.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом датчике обеспечивается передача на измерительную балочку измеряемого усилия и исключается возможность передачи изгибающих моментов и продольных усилий, так как ленточные тяги силопередающего устройства в заявленном диапазоне изменения их толщины имеют малую поперечную жесткость подвески и не передают никаких поперечных усилий, а также исключают возникновение в ней автоколебаний, что повышает точность измерения усилий. Малая поперечная жесткость параллелограммной подвески обеспечивает также минимальные продольные усилия в измерительной балочке при эксплуатации датчика при различных температурах, что также повышает точность измерения усилий, а также исключает возможность разрушения измерительной балочки при изменении внешней температуры, в том числе при хранении датчика в неотапливаемых помещениях. Это позволяет использовать в датчике более тонкую измерительную балочку без опасения ее разрушения от потери устойчивости при изменении температуры внешней среды. Выполнение силопередающего устройства за одно целое с упругим параллелограммным элементов в виде платформы и двух вертикальных ленточных тяг, соединяющих платформу с консольным выступом на втором силовом плече с образованием параллелограммной подвески, обеспечивает плоскопараллельное перемещение платформы с закрепленной на ней концевой полкой измерительной балочки и неизменность условий нагружения измерительной балочки при различных температурах и нагрузках, а также повышает технологичность изготовления датчика и снижает его стоимость. Закрепление концевых полок измерительной балочки на консольном выступе первого силового плеча и платформе силопередающего устройства исключает неравномерное защемление концов измерительной балочки, что обеспечивает постоянство условий ее нагружения при изменении температуры и взвешивании.

При заявленном соотношении длин измерительной и силовых балочек полностью исключается нагружение измерительной балочки сжимающими усилиями, что позволяет изготавливать ее меньшей толщины и, практически, ограничения на толщину измерительной балочки накладываются только технологией изготовления.

Технический результат от использования изобретения заключается в уменьшении погрешности измерения усилий.

Неизвестны датчики усилий для тензометрических весов с указанной совокупностью существенных признаков и заявленная совокупность существенных признаков не вытекает явным образом из современного уровня техники, что подтверждает соответствие изобретения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик, общий вид; на фиг. 2 - узел А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1 в увеличенном масштабе; на фиг. 4 - схема соединения тензорезисторов.

Датчик содержит упругий параллелограммный элемент, имеющий два силовых плеча 1 и 2, соединенные между собой двумя упругими силовыми балочками 3 и 4 с утонениями 5 на концевых участках, образующими упругие шарниры. Силовые плечи 1 и 2 выполнены с разнесенными по высоте внутренними консольными выступами 6 и 7 соответственно. Внутри параллелограммного элемента размещены упругая измерительная балочка 8 с утонениями 9, образующими упругие шарниры, и концевыми полками 10, а также изготовленное за одно целое с параллелограммным элементом силопередающее устройство 11, включающее платформу 12 и две вертикальные ленточные тяги 13 толщиной 80 - 120 мкм, соединяющие платформу 12 с консольным выступом 7 на силовом плече 2 с образованием параллелограммной подвески.

Измерительная балочка 8 изготовлена из монокристаллического кремния с диффузионными тензорезисторами 14 и 15 на нагруженных поверхностях в зоне утонений 9, с длиной, равной 0,8 от длины силовых балочек 3 и 4, и закреплена одной концевой полкой 10 на консольном выступе 6 силового плеча 1, а другой - на платформе 12 силопередающего устройства 11. Тензорезисторы 14 и 15 соединены в мост Уинстона, одна из диагоналей которого подключена к источнику стабилизированного питания Uп, а другая - к измерительно-информационному блоку (на чертеже не показано). Силовое плечо 1 образует неподвижное основание датчика, а силовое плечо 2 - подвижное основание.

Предлагаемый датчик работает следующим образом.

При нагружении датчика силой P силовое плечо 2 перемещается в направлении действия указанной силы. Это перемещение через ленточные тяги 13 и платформу 12 передается на измерительную балочку 8. Так как платформа 12 соединена ленточными тягами 13 с консольным выступом 7 на силовом плече 2 с образованием параллелограммной подвески, то перемещение силового плеча 2 вызывает плоскопараллельное перемещение платформы 12 с закрепленной на ней концевой полкой 10 измерительной балочки 8 и, соответственно, деформацию измерительной балочки. На тензорезисторы 14 и 15 воздействуют механические напряжения от изгиба, пропорциональные приложенной силе, причем на парах тензорезисторов 14 и 15 изгибные напряжения имеют разный знак. Тензорезисторы изменяют свое сопротивление, происходит разбаланс моста Уинстона и на его измерительной диагонали возникает напряжение, измеряемое информационно-измерительным блоком. При смещении усилия относительно номинального положения на параллелограммном элементе возникают дополнительные изгибающие моменты, однако они не передаются на измерительную балочку 8, так как ленточные тяги 13 не передают никаких поперечных усилий. Малая толщина ленточных тяг 13 гарантирует, что изгибы в точках их крепления к платформе 12 и консольному выступу 7 силового плеча 2 при относительных горизонтальных перемещениях параллелограммного элемента и измерительной балочки 8 не окажут существенного влияния на точность измерений.

В случае изменения температуры при эксплуатации датчика температурная деформация измерительной балочки 8 будет отличаться от аналогичных деформаций силовых балочек 3 и 4. Разница в температурных деформациях указанных балочек приведет к смещению платформы 12 и некоторому изгибу измерительной балочки 8, который может быть учтен при восстановлении нуля в начале взвешивания и не приведет к ухудшению точности измерений.

Изобретение может быть изготовлено промышленным способом с использованием современных материалов и технологий, что подтверждает его промышленную применимость.