RU2130593C1

RU2130593C1 - Force sensor

Info

Publication number: RU2130593C1
Application number: RU97104141A
Authority: RU
Inventors: С.С. Гроховский; Н.И. Прохоров
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью по разработке и производству весовой техники "Мера"
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 1999-05-20

Abstract

FIELD: force measuring technique; electronic balance, dynamometers and other measuring devices provided with force sensors. SUBSTANCE: force sensor has housing in form of parallelogram with cavity in its side wall where flexible beam with piezoelectric plates and generator are arranged. Transversal cavity of housing is made from one central and two symmetrical side through holes intersecting the central hole; diameter of side holes exceeds that of central hole. Central hole is used to receive flexible vertical beam provided with segment recesses formed by holes; it is also provided with through hole. Piezoelectric elements are mounted on beam at angle of 45 deg relative to longitudinal axis of housing; point of intersection of their axes coincides with center on hole. Side holes form flexible hinges together with upper and lower faces of housing. platform balance is secured on sensor housing in hole. EFFECT: simplified construction and ease in service. 1 dwg

Description

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в электронных весах, динамометрах и других измерительных устройствах с датчиком силы. The invention relates to load-measuring equipment and can be used in electronic scales, dynamometers and other measuring devices with a force sensor.

Известны датчики силы, содержащие корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, выполненной в виде двух сквозных отверстий, соединенных между собой пазом, и чувствительные элементы, закрепленные на верхней и нижней гранях корпуса в зоне упругих шарниров [1, 2, 3]. Known force sensors containing a housing in the form of a parallelogram with a cavity in the side wall made in the form of two through holes connected by a groove, and sensitive elements mounted on the upper and lower faces of the housing in the area of elastic joints [1, 2, 3].

Недостатком указанных датчиков является то, что чувствительные элементы закреплены в наиболее напряженных местах датчика и подвержены при его нагружении не только растяжению и сжатию, но и изгибу, который оказывает паразитное влияние на работу датчика. The disadvantage of these sensors is that the sensitive elements are fixed in the most stressful places of the sensor and are subject to not only tension and compression, but also bending, which has a parasitic effect on the operation of the sensor.

Известен также датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке с продольными дугообразными выемками на ее поверхности, образующими упругие шарниры, размещенную в полости горизонтальную балку прямоугольного сечения со сквозным отверстием, на верхней грани которой закреплены чувствительные элементы [4]. A force sensor is also known, comprising a housing in the form of a parallelogram with a cavity in the side wall with longitudinal arcuate recesses on its surface, forming elastic hinges, a horizontal beam of rectangular cross-section with a through hole located on the cavity, on the upper edge of which sensitive elements are fixed [4].

В этом датчике чувствительные элементы, расположенные на упругой балке, в меньшей степени подвержены изгибу. Однако его паразитное влияние на работу датчика не устранено. Кроме того, датчик сложен по конструкции, обладает невысокой технологичностью. In this sensor, sensitive elements located on an elastic beam are less susceptible to bending. However, its parasitic effect on the operation of the sensor is not eliminated. In addition, the sensor is complex in design, has a low adaptability.

Наиболее близким по технической сущности является датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, в которой размещена упругая балка прямоугольного сечения со сквозным отверстием, на боковых поверхностях которой закреплены чувствительные элементы в виде двух пьезопластин прямоугольной формы, оси которых взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45^o к продольной оси корпуса, а точка пересечения этих осей совпадает с центром сквозного отверстия; генератор, соединенный с электродами пьезопластин [5].The closest in technical essence is a force sensor containing a parallelogram housing with a cavity in the side wall, in which an elastic beam of rectangular cross section with a through hole is placed, on the side surfaces of which are sensitive elements in the form of two rectangular piezoelectric plates whose axes are mutually perpendicular and located at an angle of 45 ^o to the longitudinal axis of the housing, and the intersection point of these axes coincides with the center of the through hole; a generator connected to piezoelectric plate electrodes [5].

На поверхности полости этого датчика для образования упругих шарниров также выполнены четыре продольные дугообразные выемки. Пьезоэлементы, расположенные на боковых стенках упругой балки, подвержены только растяжению и сжатию. Однако ближайший аналог имеет сложную конструкцию и обладает невысокой технологичностью. Four longitudinal arcuate notches are also made on the surface of the cavity of this sensor to form elastic joints. Piezoelectric elements located on the side walls of an elastic beam are subject only to tension and compression. However, the closest analogue has a complex structure and has low adaptability.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является упрощение конструкции и повышение технологичности. The technical result to which the invention is directed is to simplify the design and increase manufacturability.

Указанный результат достигается тем, что датчик силы, содержащий корпус в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, в которой размещена упругая балка прямоугольного сечения со сквозным отверстием, на боковых поверхностях которой закреплены чувствительные элементы в виде двух пьезопластин прямоугольной формы, оси которых взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45^o к продольной оси корпуса, а точка пересечения этих осей совпадает с центром сквозного отверстия; генератор, соединенный с электродами пьезопластин, полость выполнена в виде трех параллельно расположенных по середине боковой стенки круглых отверстий - одного центрального и двух пересекающих его и упругую балку симметрично расположенных сквозных боковых отверстий, образующих упругие шарниры и выполненных с диаметром большим, чем диаметр центрального отверстия, а в последнем упругая балка расположена вертикально и имеет в поперечных стенках сегментальные выемки, образованные боковыми отверстиями.This result is achieved by the fact that the force sensor containing the housing in the form of a parallelogram with a cavity in the side wall in which there is an elastic beam of rectangular cross section with a through hole, on the lateral surfaces of which are sensitive elements in the form of two rectangular piezoelectric plates whose axes are mutually perpendicular and located at an angle of 45 ^o to the longitudinal axis of the housing, and the intersection point of these axes coincides with the center of the through hole; a generator connected to the piezoelectric plate electrodes, the cavity is made in the form of three round holes parallel to the middle of the side wall - one central and two symmetrically located through side holes intersecting it and the elastic beam, forming elastic joints and made with a diameter larger than the diameter of the central hole, and in the latter, the elastic beam is located vertically and has segmental recesses in the transverse walls formed by side openings.

На чертеже изображен датчик силы, общий вид. Датчик содержит корпус 1, чувствительные элементы 2 и генератор (на чертеже не показан). The drawing shows a force sensor, General view. The sensor comprises a housing 1, sensors 2 and a generator (not shown in the drawing).

Корпус 1 выполнен в виде параллелограмма с полостью в боковой стенке, которая выполнена в виде трех параллельно расположенных по середине боковой стенки круглых отверстий; одного центрального 3 и двух пересекающих его и симметрично расположенных сквозных боковых отверстий 4 с диаметром большим, чем диаметр центрального отверстия 3. В центральном отверстии 3 размещена вертикально расположенная упругая балка 5, выполненная за одно целое с корпусом 1. Поперечные стенки балки 5 имеют сегментальные выемки 6, образованные пересекающими балку боковыми отверстиями 4. Балка 5 прямоугольного сечения имеет сквозное отверстие 7. На ее боковых поверхностях закреплены чувствительные элементы 2 в виде двух пьезопластин прямоугольной формы, оси которых взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45^o к продольной оси корпуса. Точка пересечения осей пьезопластин 2 совпадает с центром сквозного отверстия 7 упругой балки 5. Электроды пьезопластин 2 соединены с генератором. Симметрично расположенные боковые отверстия 4 между верхней и нижней гранями корпуса образуют упругие шарниры 8, 9, 10, 11. Корпус 1 выполнен с отверстием 12 для закрепления в нем весовой платформы и отверстием (на чертеже не показано) для закрепления его на основании.The housing 1 is made in the form of a parallelogram with a cavity in the side wall, which is made in the form of three round holes parallel to the middle of the side wall; one central 3 and two intersecting it and symmetrically located through lateral holes 4 with a diameter larger than the diameter of the central hole 3. In the central hole 3 there is a vertically located elastic beam 5, made in one piece with the housing 1. The transverse walls of the beam 5 have segmental recesses 6 formed by side openings intersecting the beam 4. The rectangular beam 5 has a through hole 7. Sensitive elements 2 are fixed on its lateral surfaces in the form of two piezoelectric plates straight angular shape, the axes of which are mutually perpendicular and are located at an angle of 45 ^o to the longitudinal axis of the housing. The intersection point of the axes of the piezoelectric plates 2 coincides with the center of the through hole 7 of the elastic beam 5. The electrodes of the piezoelectric plates 2 are connected to the generator. Symmetrically located side holes 4 between the upper and lower faces of the body form elastic joints 8, 9, 10, 11. The body 1 is made with a hole 12 for securing the weight platform and an opening (not shown) for securing it to the base.

Датчик работает следующим образом. The sensor operates as follows.

Под действием измеряемой силы (веса) F на упругий корпус 1 на боковых поверхностях деформируемой балки 5 возникают напряжения растяжения и сжатия, ориентированные вдоль соответствующих диагоналей балки. Пьезоэлементы 2 воспринимают напряжения: один растяжения, другой сжатия. При этом изменяются их резонансные частоты с разными знаками. При изменении резонансных частот пьезоэлементов соответственно изменяются частоты, генерируемые возбуждающими пьезоэлементы генераторами. Далее блок вычитания частот (на чертеже не показан) выдает разностную частоту, являющуюся функцией измеряемого усилия (веса). Under the action of the measured force (weight) F on the elastic body 1 on the lateral surfaces of the deformable beam 5, tensile and compressive stresses arise, oriented along the corresponding diagonals of the beam. Piezoelectric elements 2 perceive stress: one is tensile, the other is compression. In this case, their resonance frequencies with different signs change. When the resonant frequencies of the piezoelectric elements are changed, the frequencies generated by the exciting piezoelectric elements by the generators accordingly change. Further, the frequency subtraction unit (not shown in the drawing) provides a difference frequency, which is a function of the measured force (weight).

Предлагаемый датчик по сравнению с прототипом имеет более простую конструкцию и обладает более высокой технологичностью, так как в нем упругие шарниры образованы только двумя сверлениями боковых отверстий 4, а упругая балка за счет ее вертикального расположения - упомянутыми сверлениями и сверлениями центрального отверстия 3. The proposed sensor in comparison with the prototype has a simpler design and has a higher adaptability, since in it the elastic hinges are formed by only two drills of the side holes 4, and the elastic beam due to its vertical arrangement is mentioned by the drills and drills of the central hole 3.

Кроме того, неточность изготовления толщины упругих шарниров 8, 9, 10, 11 в данном датчике в меньшей степени сказывается на балансировке его в продольной плоскости. При этой балансировке в зависимости от направления продольного дисбаланса подпиливают шарниры 8, 9 или 10, 11 и фактически добиваются равенства суммарных толщин указанных пар шарниров. В процессе изготовления данного датчика независимо от смещения боковых отверстий 4 относительно продольной оси упомянутая толщина шарниров остается постоянной, в связи с чем предлагаемый датчик оказывается практически отбалансированным в продольной плоскости (погрешность будет определяться только очень малыми величинами непараллельности верхней и нижней граней датчика и отличия диаметров боковых отверстий). In addition, the inaccuracy of manufacturing the thickness of the elastic joints 8, 9, 10, 11 in this sensor to a lesser extent affects its balancing in the longitudinal plane. With this balancing, depending on the direction of the longitudinal imbalance, the joints 8, 9 or 10, 11 are filed, and in fact, the total thicknesses of the indicated pairs of joints are equal. During the manufacturing process of this sensor, regardless of the offset of the side holes 4 relative to the longitudinal axis, the mentioned thickness of the hinges remains constant, and therefore the proposed sensor is practically balanced in the longitudinal plane (the error will be determined only by very small values of the parallelism of the upper and lower edges of the sensor and differences in the diameters of the side holes).

Корпус датчика изготовлен из относительно дешевой обычной конструкционной стали, которая легко обрабатывается, что приводит к общему снижению затрат на изготовление. The sensor body is made of relatively cheap conventional structural steel that is easy to process, resulting in an overall reduction in manufacturing costs.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1649314, G 01 L 1/22, 1986.Sources of information
1. USSR author's certificate N 1649314, G 01 L 1/22, 1986.

2. Патент США N 2866059, НКИ 338-5, 1958. 2. US patent N 2866059, NKI 338-5, 1958.

3. Заявка ФРГ N 2900614, C 01 L 1/22, 1979. 3. The application of Germany N 2900614, C 01 L 1/22, 1979.

4. Патент США N 4107985, НКИ 73-141А, 1978. 4. US patent N 4107985, NKI 73-141A, 1978.

5. Патент РФ N 2014579, G 01 L 1/22, публ. 1994. 5. RF patent N 2014579, G 01 L 1/22, publ. 1994.

Claims

A force sensor comprising a parallelogram housing with a cavity in the side wall, in which an elastic beam of rectangular cross section with a through hole is placed, on the lateral surfaces of which are sensitive elements in the form of two rectangular piezoelectric plates whose axes are mutually perpendicular and are located at an angle of 45 ^o to the longitudinal axis of the housing, and the point of intersection of these axes coincides with the center of the through hole, as well as a generator connected to the electrodes of the piezoelectric plates, characterized in that the cavity is made in three parallel circular holes located in the middle of the side wall — one central and two symmetrically located through side holes intersecting it and the elastic beam, made with a diameter larger than the diameter of the central hole in which the elastic beam is vertical and has segmental recesses in the transverse walls formed side holes, while the side holes between the upper and lower faces of the body form elastic hinges.