RU2476838C2

RU2476838C2 - Multicomponent displacement sensor

Info

Publication number: RU2476838C2
Application number: RU2011112618/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Милых; Татьяна Ивановна Лапина
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2013-02-27
Also published as: RU2011112618A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: multicomponent displacement sensor includes a housing and a sensitive element with piezoelectric detectors. Force-receiving element is made of two longitudinally connected elastic bars, the end faces of which are connected by means of a ball hinge, on which a force transfer element is arranged, which is made in the form of a ball bearing installed with its inner race on force-receiving element in maximum deflection zone; sensitive element is made in the form of a deformed outer race of the above bearing, which is located concentrically to inner race. On internal surface of deformed race there are openings for arrangement of piezoelectric elements, and bearing cage is fixed against annular displacement relative to support ring so that each ball of the bearing contacts the working surface of piezoelectric element so that centres of balls coincide with direction of radial movements of sensitive element of the sensor.

EFFECT: enlarging functional capabilities of the device.

3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения деформаций и перемещений, и предназначено для измерения статических или плавно меняющихся радиальных перемещений.The invention relates to measuring equipment, in particular to devices for measuring deformations and displacements, and is intended for measuring static or smoothly changing radial displacements.

Известен «Датчик силы» (SU №1723468 A1, 30.03.1992, G01L 1/22), содержащий корпус с закрепленным в нем упругим элементом, выполненным в виде соосно расположенных колец, соединенных между собой радиальными перемычками, на которых размещены тензодатчики, при этом радиальные перемычки упругих элементов выполнены со встречным углом наклона к центральной оси датчика. Недостатком этой конструкции является взаимовлияние упругих элементов при их совместной деформации, ухудшающее качество датчика по показателю нелинейности.The well-known "Force Sensor" (SU No. 1723468 A1, 03/30/1992, G01L 1/22), comprising a housing with an elastic element fixed therein, made in the form of coaxially arranged rings interconnected by radial jumpers on which load cells are placed, while radial bridges of elastic elements are made with a counter angle of inclination to the central axis of the sensor. The disadvantage of this design is the mutual influence of the elastic elements during their joint deformation, which worsens the quality of the sensor in terms of non-linearity.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является «Упругий элемент устройства для измерения радиальных давлений» (RU №2293294 C2, 10.02.2007, G01L 1/22), содержащий полое тело цилиндрической формы с расположенными прорезями минимальной ширины, а перемычки между ними представляют собой консольные балки с закрепленными на них тензорезисторами. Недостатками данного технического решения является сложность тарирования датчика, зависимость деформаций упругих элементов от перекоса датчика.The closest to the invention in technical essence and the achieved result is the "Elastic element of the device for measuring radial pressures" (RU No. 2293294 C2, 02/10/2007, G01L 1/22), containing a hollow body of cylindrical shape with slots of minimum width, and jumpers between they are cantilever beams with strain gauges fixed to them. The disadvantages of this technical solution is the complexity of the calibration of the sensor, the dependence of the deformation of the elastic elements from the skew of the sensor.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет непрерывного измерения составляющих радиальных перемещений по всем направлениям.The objective of the invention is to expand the functionality of the device due to the continuous measurement of the components of radial displacements in all directions.

Задача изобретения решается тем, что многокомпонентный датчик перемещений выполнен следующим образом. Силоприемный элемент выполнен из двух продольно соединенных упругих стержней, соединенных торцами посредством шарового шарнира, на котором размещен элемент передачи усилий в виде шарикоподшипника, установленного внутренним кольцом на силовоспринимающем элементе в зоне наибольшего прогиба, чувствительный элемент выполнен в виде деформируемого внешнего кольца упомянутого шарикоподшипника, расположенного концентрично внутреннему кольцу, на внутренней поверхности деформируемого кольца выполнены окна для размещения пьезоэлементов, причем сепаратор подшипника фиксирован от кольцевого перемещения относительно опорного кольца так, что каждый шарик подшипника соприкасается с рабочей поверхностью пьезоэлемента, так что центры шариков совпадают с направлением радиальных перемещений чувствительного элемента датчика, при этом все пьезоэлементы, расположенные во внешнем кольце чувствительного элемента в области его меньшей жесткости, ориентированы и подключены в электрические схемы таким образом, что выходной сигнал каждой схемы зависит лишь от одной составляющей перемещения, которую измеряет данный канал, а упомянутый силоприемный элемент выполнен из двух стержней разной жесткости, причем первый стержень малой жесткости защемлен в резьбовой втулке корпуса с возможностью осевого перемещения, а второй стержень, с одной стороны, скреплен с первым стержнем с помощью шарового шарнира и посредством контакта с чувствительным элементом с возможностью радиальных перемещений, а с другой стороны, шарнирно закреплен в выходной части корпуса с помощью конической резьбовой втулки.The objective of the invention is solved in that a multicomponent displacement sensor is made as follows. The power receiving element is made of two longitudinally connected elastic rods connected by the ends by means of a ball joint, on which the force transmission element is located in the form of a ball bearing mounted on the force-sensing element in the zone of greatest deflection, the sensitive element is made in the form of a deformable outer ring of the mentioned ball bearing located concentrically the inner ring, on the inner surface of the deformable ring made windows to accommodate piezoelectric elements, moreover, the bearing cage is fixed from the annular movement relative to the support ring so that each bearing ball is in contact with the working surface of the piezoelectric element, so that the centers of the balls coincide with the direction of radial movements of the sensor element of the sensor, while all the piezoelectric elements located in the outer ring of the sensor element in the region of its smaller stiffness, oriented and connected to the electrical circuit in such a way that the output signal of each circuit depends on only one component n the displacement measured by this channel, and said power receiving element is made of two rods of different stiffness, the first rod of low rigidity being pinched in the threaded sleeve of the housing with axial movement, and the second rod, on the one hand, is fastened to the first rod using a ball joint and by contact with the sensing element with the possibility of radial movements, and on the other hand, pivotally mounted in the output part of the housing using a tapered threaded sleeve.

На фиг.1 представлено устройство в разрезе, на фиг.2 - силовая схема датчика, а на фиг.3 - распределение радиальных перемещений при нагружении в направлении оси OY.Figure 1 shows the device in section, figure 2 is a power diagram of the sensor, and figure 3 is the distribution of radial displacements during loading in the direction of the OY axis.

Устройство содержит разъемный цилиндрический корпус 1, резьбовую втулку 2, размещенную в торце корпуса с возможностью перемещения вдоль продольной оси корпуса и фиксируемую с помощью стопорной гайки, силоприемный элемент 3, выполненный в виде составного упругого цилиндрического стержня. В своей передней части, контактирующей с силоприемным элементом 3, корпус 1 имеет коническую разрезную втулку 4 для крепления силоприемного элемента 3. Упругий стержень 3 выполнен из двух стержней 5, 6, соединенных торцами с помощью шарового шарнира 7. Первый стержень 5 малой жесткости защемлен в резьбовой втулке 2 корпуса с возможностью осевого перемещения. Его назначение - ограничить прогиб силоприемного элемента 3 в зоне максимального прогиба с целью предотвращения разрушения пьезоэлементов. Второй стержень 6 собственно является силоприемным элементом датчика. В крайней левой части его, в зоне максимальных прогибов на корпусе шарового шарнира 7 размещен элемент передачи усилий к чувствительному элементу в виде шарикоподшипника качения 8, который внутренним опорным кольцом 9 запрессован на левой оконечности стержня 6. Сепаратор 10 подшипника 8 зафиксирован относительно опорного кольца 9. Собственно силопередающим элементом являются шарики 11 подшипника 8, передающие усилие от опорного кольца 9 к чувствительному элементу. Чувствительным элементом датчика является наружное деформируемое кольцо 12 подшипника 8, расположенное концентрично внутреннему опорному кольцу 9. Наружное деформируемое кольцо 12 состоит из внешней тонкостенной металлической втулки 13 и скрепленной с ней посредством контакта обоймы 14, из диэлектрического материала, в которой выполнены сквозные окна для размещения пьезодатчиков перемещения 15.The device comprises a detachable cylindrical body 1, a threaded sleeve 2, located at the end of the body with the possibility of movement along the longitudinal axis of the body and fixed with a lock nut, a power receiving element 3, made in the form of a composite elastic cylindrical rod. In its front part in contact with the force receiving element 3, the housing 1 has a tapered split sleeve 4 for fastening the force receiving element 3. The elastic rod 3 is made of two rods 5, 6 connected by ends with a ball joint 7. The first rod 5 of low stiffness is clamped in threaded sleeve 2 of the housing with the possibility of axial movement. Its purpose is to limit the deflection of the force receiving element 3 in the zone of maximum deflection in order to prevent the destruction of the piezoelectric elements. The second rod 6 is actually a force-receiving element of the sensor. In the extreme left part of it, in the zone of maximum deflections, on the ball joint housing 7 there is an element for transmitting forces to the sensing element in the form of a ball bearing 8, which is pressed into the left end of the rod 6 by the inner support ring 9. The cage 10 of the bearing 8 is fixed relative to the support ring 9. Actually the power-transmitting element is the balls 11 of the bearing 8, transmitting the force from the support ring 9 to the sensing element. The sensitive element of the sensor is the outer deformable ring 12 of the bearing 8, located concentrically to the inner support ring 9. The outer deformable ring 12 consists of an external thin-walled metal sleeve 13 and fastened to it by means of a clip holder 14, made of dielectric material, in which through-holes are made to accommodate piezoelectric sensors displacement 15.

В качестве датчиков перемещений 15 использованы пьезоэлементы прямого пьезоэффекта [1], включенные в измерительную схему, причем электрическая ось пьезоэлемента совпадает с силочувствительной осью, проходящей через центр каждого шарика 11, точку контакта пьезоэлемента и шарика до пересечения с продольной осью датчика. Пьезодатчики 15 установлены с равным шагом дискретности соосно с шариками 11 в окнах обоймы 14. При преобразовании сигналов перемещения в электрические сигналы применяют способ, основанный на использовании прямого пьезоэффекта, когда сигнал перемещения воздействует на пьезоэлемент и вызывает изменение электрического сигнала на выходе пьезоэлемента [2]. Для этого в конструкции датчика пьезоэлементы предварительно поджаты с помощью винтов 16, а измеряемое перемещение прикладывается через упругий преобразователь, которым является тонкостенная втулка 13. При ввинчивании регулировочного винта 16 его концевая часть прогибает оболочку тонкостенной втулки 13 и создает усилие, пропорциональное перемещению, от этого усилия в зоне соприкосновения шарика 11 и пьезоэлемента 15 возникает усилие предварительного нагружения. С помощью выводов каждый пьезодатчик 15 соединяется с внешней электрической схемой, не показанной на чертеже. Индивидуальная тарировка каждого пьезоэлемента позволяет устранить погрешность измерений из-за технологических погрешностей сборки и отклонения параметров пьезоэлементов.Piezoelectric elements of the direct piezoelectric effect [1] are used as displacement sensors [1], which are included in the measuring circuit, the electric axis of the piezoelectric element coinciding with the force-sensitive axis passing through the center of each ball 11, the point of contact of the piezoelectric element and the ball to the intersection with the longitudinal axis of the sensor. Piezoelectric sensors 15 are installed with an equal step of discreteness coaxially with the balls 11 in the windows of the holder 14. When converting movement signals into electrical signals, a method based on the use of the direct piezoelectric effect is used, when the movement signal acts on the piezoelectric element and causes a change in the electric signal at the output of the piezoelectric element [2]. To do this, in the sensor design, the piezoelectric elements are preloaded using screws 16, and the measured displacement is applied through an elastic transducer, which is a thin-walled sleeve 13. When screwing the adjustment screw 16, its end part bends the shell of the thin-walled sleeve 13 and creates a force proportional to the movement from this force in the contact area of the ball 11 and the piezoelectric element 15 there is a preload force. Using the findings, each piezoelectric transducer 15 is connected to an external electrical circuit not shown in the drawing. The individual calibration of each piezoelectric element allows to eliminate the measurement error due to technological errors in the assembly and deviation of the parameters of the piezoelectric elements.

Устройство работает следующим образом. При закреплении силоприемного элемента 3 в корпусе 1 коническая разрезная втулка 4 и резьбовая втулка 2 обеспечивают совместную деформацию изгиба упругих цилиндрических стержней 5, 6 под действием сил, приложенных к измерительной консоли силоприемного элемента 3 датчика.The device operates as follows. When fixing the power receiving element 3 in the housing 1, the conical split sleeve 4 and the threaded sleeve 2 provide joint bending deformation of the elastic cylindrical rods 5, 6 under the action of the forces applied to the measuring console of the power receiving element 3 of the sensor.

Перед началом испытаний датчик тарируется по каждому каналу измерений, для этого каждый пьезодатчик нагружается с помощью регулировочных винтов 16. При ввинчивании винта 16 его концевая часть прогибает оболочку тонкостенной втулки 13 и создает усилие, пропорциональное перемещению, что фиксируется регистрирующим прибором. Датчик по всем направлениям перемещений работает идентично, поэтому рассмотрим его работу в направлении одной из осей. На фиг.2 показан совместный прогиб упругих стержней 5 и 6, передача усилия на пьезодатчики перемещений 15, лежащие в плоскости чертежа. При перемещении иглы силоприемного элемента 3, связанной посредством контакта с исследуемым объектом, в радиальном направлении, например в направлении оси Y (на фиг.2 показано стрелкой), правая консольная часть силоприемного стержня 6 изгибается относительно узла шарнирного закрепления, а элемент передачи усилия в виде подшипника 8 перемещается вверх, при этом усилие через шарик 11 передается на верхний пьезодатчик 15, который сжимается вдоль силочувствительной оси, а нижний пьезодатчик 15 разгружается относительно усилия предварительного нагружения, остальные датчики нагружаются промежуточными усилиями. Нагружение пьезодатчиков 15 вызывает появление электрических сигналов на выходе пьезоэлемента, пропорциональных радиальному перемещению. Максимальный коэффициент преобразования достигается при приложении усилия в направлении силочувствительной оси пьезоэлемента. Электрические сигналы с пьезодатчиков 15 каждого измерительного канала регистрируются и записываются регистрирующим прибором. На диаграмме (фиг.3) показано распределение сигналов при нагружении в направлении оси OY.Before testing, the sensor is calibrated for each measurement channel; for this, each piezoelectric transducer is loaded with adjusting screws 16. When the screw 16 is screwed in, its end part bends the shell of the thin-walled sleeve 13 and creates a force proportional to the movement, which is recorded by the recording device. The sensor works identically in all directions of movement, so let's consider its work in the direction of one of the axes. Figure 2 shows the joint deflection of the elastic rods 5 and 6, the transfer of force to the piezoelectric displacement 15, lying in the plane of the drawing. When moving the needle of the force-receiving element 3, connected by contact with the test object, in the radial direction, for example, in the direction of the Y-axis (shown in figure 2 by an arrow), the right cantilever part of the force-receiving rod 6 is bent relative to the hinge assembly, and the force transmission element is in the form of the bearing 8 moves upward, while the force through the ball 11 is transmitted to the upper piezoelectric transducer 15, which is compressed along the force-sensitive axis, and the lower piezoelectric transducer 15 is unloaded relative to the preliminary force agruzheniya remaining sensors loaded intermediate effort. The loading of the piezoelectric sensors 15 causes the appearance of electrical signals at the output of the piezoelectric element, proportional to the radial movement. The maximum conversion coefficient is achieved by applying force in the direction of the force-sensitive axis of the piezoelectric element. Electrical signals from the piezoelectric sensors 15 of each measuring channel are recorded and recorded by a recording device. The diagram (figure 3) shows the distribution of signals during loading in the direction of the OY axis.

Предлагаемое техническое решение обладает рядом преимуществ, обеспечивающих положительный эффект:The proposed technical solution has several advantages that provide a positive effect:

- предотвращает выход из строя пьезоэлементов чувствительного элемента, ограничивая радиальные деформации;- prevents the failure of the piezoelectric elements of the sensing element, limiting radial deformation;

- обеспечивает удобство тарировки пьезоэлементов;- provides ease of calibration of piezoelectric elements;

- позволяет создать датчик перемещений с малыми габаритами. - allows you to create a displacement sensor with small dimensions.

Наряду с этим устройство сохраняет положительные свойства прототипа, а именно может быть использовано для измерения перемещений по выбранным направлениям, кроме этого, производит измерение радиальных составляющих перемещений независимо от ориентации датчика в пространстве.Along with this, the device retains the positive properties of the prototype, namely it can be used to measure displacements in selected directions, in addition, it measures the radial components of displacements, regardless of the orientation of the sensor in space.

Таким образом, в расширении функциональных возможностей устройства за счет избирательного по всем направлениям пространства измерения радиальных перемещений конкретно выражается положительный эффект предлагаемого устройства.Thus, in expanding the functionality of the device due to the selective measurement of radial displacements in all directions, the positive effect of the proposed device is specifically expressed.

ЛитератураLiterature

1. Фесенко Е.Г. и др. Новые пьезокерамические материалы. - Ростов-на-Дону: Изд. Ростовского ГУ, 1983. - С.18.1. Fesenko E.G. et al. New piezoceramic materials. - Rostov-on-Don: Ed. Rostov State University, 1983. - P.18.

2. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезокерамические элементы в приборостроении. - Л.: Машиностроение, 1986. - С.185.2. Dzhagupov R.G., Erofeev A.A. Piezoceramic elements in instrument making. - L .: Engineering, 1986. - P.185.

Claims

Многокомпонентный датчик перемещений, содержащий корпус, силоприемный элемент, чувствительный элемент с пьезодатчиками, отличающийся тем, что силоприемный элемент выполнен из двух продольно соединенных упругих стержней, соединенных торцами посредством шарового шарнира, на котором размещен элемент передачи усилий в виде шарикоподшипника, установленного внутренним кольцом на силовоспринимающем элементе в зоне наибольшего прогиба, чувствительный элемент выполнен в виде деформируемого внешнего кольца упомянутого шарикоподшипника, расположенного концентрично внутреннему кольцу, на внутренней поверхности деформируемого кольца выполнены окна для размещения пьезоэлементов, причем сепаратор подшипника фиксирован от кольцевого перемещения относительно опорного кольца так, что каждый шарик подшипника соприкасается с рабочей поверхностью пьезоэлемента, так что центры шариков совпадают с направлением радиальных перемещений чувствительного элемента датчика, при этом все пьезоэлементы, расположенные во внешнем кольце чувствительного элемента в области его меньшей жесткости, ориентированы и подключены в электрические схемы таким образом, что выходной сигнал каждой схемы зависит лишь от одной составляющей перемещения, которую измеряет данный канал, а упомянутый силоприемный элемент выполнен из двух стержней разной жесткости, причем первый стержень малой жесткости защемлен в резьбовой втулке корпуса с возможностью осевого перемещения, а второй стержень с одной стороны скреплен с первым стержнем с помощью шарового шарнира и посредством контакта с чувствительным элементом с возможностью радиальных перемещений, а с другой стороны шарнирно закреплен в выходной части корпуса с помощью резьбовой конической втулки. A multicomponent displacement sensor comprising a housing, a force receiving element, a sensitive element with piezoelectric sensors, characterized in that the force receiving element is made of two longitudinally connected elastic rods connected by ends with a ball joint, on which a force transmission element is placed in the form of a ball bearing mounted by an internal ring on the force sensing element in the zone of greatest deflection, the sensitive element is made in the form of a deformable outer ring of the mentioned ball bearing, p located concentrically to the inner ring, on the inner surface of the deformable ring there are windows for accommodating the piezoelectric elements, the bearing cage being fixed from the annular movement relative to the support ring so that each bearing ball is in contact with the working surface of the piezoelectric element, so that the centers of the balls coincide with the direction of the radial movements of the sensor element while all piezoelectric elements located in the outer ring of the sensing element in the region of its smaller stiffnesses are oriented and connected to electrical circuits in such a way that the output signal of each circuit depends on only one component of displacement, which the given channel measures, and the said power receiving element is made of two rods of different stiffness, the first rod of low rigidity being pinched in the threaded sleeve of the housing with the possibility of axial movement, and the second rod on one side is fastened to the first rod using a ball joint and through contact with the sensing element with the possibility of radial displacements, and on the other hand pivotally mounted in the output part of the housing using a threaded conical sleeve.