2. Обзор преобразователей нагрузки

Рассмотреть все известные сегодня датчики силы, представляется невозможным ввиду их огромного разнообразия. Поэтому рассмотрим основные типы преобразователей, наиболее часто применяемых и подходящих для измерения нашей величины.

2.1 Тензорезисторные преобразователи

Тензорезисторный преобразователь(тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия – растяжения.

Тензорезисторный преобразователь силы содержит упругий элемент прямоугольного сечения с четырьмя сквозными отверстиями в боковой грани и пропилами нижней стороны отверстий, над которыми расположена плоская поверхность, где установлены тензорезисторы, присоединительное отверстие для силопередающего элемента (штока), находящееся посередине между парами отверстий. Две площадки с термокомпенсационными резисторами, имеющие таврообразный профиль, расположены над опорным кольцом в одной плоскости с плоскостью упругого элемента, выступающей над опорным кольцом на высоту, определяемую следующим математическим выражением H d+h, где d - диаметр сквозных отверстий, h - наименьшее расстояние между плоской поверхностью упругого элемента и сквозными отверстиями. Упругий элемент и опорное кольцо с площадками выполнены за одно целое. 2

Рисунок 1- тензорезисторный преобразователь силы.

На рисунке 1 изображен тензорезисторный преобразователь силы, который содержит основные конструктивные элементы: упругий элемент 1, опорное кольцо 2, площадки 3 с установленными на них термокомпенсационными резисторами 4. Упругий элемент 1 содержит плоскую поверхность 5 с четырьмя установленными тензорезисторами 6, четыре сквозных отверстия 7 и присоединительное отверстие 8.

Изготовление упругого элемента и опорного кольца за одно целое исключает возможность влияния разнородности материала на термокомпенсационные резисторы, их взаимодействие с тензорезисторами, снижает влияние колебания температуры на показания тензорезисторов, а выполнение площадок тензорезисторного преобразователя силы таврообразного профиля способствует равномерному и быстрому прогреву их за счет увеличения площади, подвергаемой температурному воздействию. Независимость зон деформации от возможного смещения балки, повышение жесткости конструкции преобразователя силы за счет увеличения жесткости заделки упругого элемента на опорном кольце позволяет повысить чувствительность тензорезисторного преобразователя силы. Совокупность указанных технических решений приводит к повышению чувствительности в диапазонах малых давлений и повышению теплоустойчивости.

В то же время выполнение упругого элемента за одно целое с опорным кольцом, имеющим две площадки таврообразного профиля, расположенные в одной плоскости с плоскостью упругого элемента, с установленными термокомпенсационными резисторами, и расположение его над плоскостью опорного кольца на высоту, достаточную для профилирования его по толщине, позволяет повысить функциональность устройства.

Принцип работы заключается в следующем. Измеряемое усилие, воздействуя на упругий элемент через силопередающий элемент (шток), изменяет напряжения растяжения и сжатия на плоской поверхности над сквозными отверстиями, величина и изменение напряжений фиксируется тензорезисторами, расположенными непосредственно над сквозными отверстиями.

Независимость зон деформации от возможного смещения балки при неточном ее изготовлении, повторяемость, линейность распределения напряжений в поперечном направлении упругого элемента позволяет повысить надежность и точность тензорезисторного преобразователя силы.

Недостатком конструкции упругого элемента является низкая жесткость упругого элемента, что снижает чувствительность в диапазоне малых давлений, уменьшает теплоустойчивость и приводит к ухудшению функциональных возможностей.

Достоинством изобретения является стабильность параметров и максимальная чувствительность тензорезисторного преобразователя силы при минимальном силовом воздействии на упругий элемент, а также повышение функциональности конструкции в целом