УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к тензометрическим устройствам для измерения силы или расстояния, и может быть использовано преимущественно в преобразователях силы, давления, разрежения, разности давлений, расхода и уровня жидких сред в электрический сигнал.

Известно устройство, чувствительное к усилию или перемещению, представляющее собой объемную прямоугольную балку из кремния с концентратом механических напряжений в виде поперечного углубления заданных размеров, на рабочей поверхности которого сформирован тензорезистивный мост. Один конец балки закрепляется неподвижно, а к другому концу прикладывается измеряемая сила, перемещающая этот свободный конец балки, и обусловливающая появление деформационных напряжений в зоне расположения тензорезистивного моста, преобразующего эти деформации в электрический сигнал [1].

Недостатком такого устройства является наличие концентратора механических напряжений, расположенного вблизи зоны закрепления балки, что приводит к существенной зависимости выходного электрического сигнала от условий закрепления балки, в частности от усилия ее прижатия к основанию, от температурных и механических деформаций в зоне крепления и т.п. Другим недостатком такого устройства является его сравнительно низкая механическая прочность, обусловленная наличием концентратора механических напряжений, а также его повышенная виброчувствительность из-за объемной и сравнительно массивной части консольной балки, расположенной за пределами концентратора. Все это снижает точность и надежность такого устройства.

Известно другое устройство для измерения силы, выполненное в виде упругой мембраны и соосно прикрепленным к ее центру стержнем. По наружному контуру мембрана закреплена неподвижно, а на ее поверхности по обе стороны контура сечения стержня размещены тензорезисторы, замкнутые в электрическую мостовую схему. Измеряемая сила прилагается к свободному концу стержня и перпендикулярно ему, при этом участки мембраны по обе стороны от контура сечения стержня изгибаются в противоположных направлениях, вызывая разнонаправленные деформации тензорезисторов [2].

Недостатком такого тензометрического устройства является его сложная пространственная геометрия, большие габариты и значительная величина жесткости при измерении усилий или перемещений, что не позволяет применять его для измерения малых величин сил, давлений и других параметров. Кроме того, такое устройство имеет значительную температурную погрешность, что снижает точность и воспроизводимость измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и принятым в качестве прототипа является устройство для измерения силы, содержащее зажимаемый и силовоспринимающий Т-образный элементы, две перемычки, симметрично расположенные относительно плоскости симметрии силовоспринимающего элемента и соединенные с концами его поперечной части и зажимаемым элементом, кроме того, собранные в мостовую схему четыре тензорезистора, два из которых размещены в местах сопряжения перемычек с концами поперечной части силовоспринимающего элемента, а два других установлены в месте сопряжения центрального выступа силовоспринимающего элемента с его поперечной частью и расположены симметрично относительно плоскости симметрии силовоспринимающего элемента [3].

К недостаткам прототипа следует отнести существенную зависимость начального разбаланса мостовой схемы от условий установки и зажима устройства при эксплуатации. Эти нежелательные влияния обусловлены наличием двух перемычек, сопрягаемых с концами Т-образного силовоспринимаемого элемента и непосредственно с зажимаемым элементом устройства, на которых размещены два из четырех тензорезистора мостовой схемы. Паразитные деформации зажимаемого элемента от усилия его закрепления и от незначительных перекосов опорной поверхности, а также при изменении температуры во время эксплуатации, неизбежно передаются на сопрягаемые перемычки с тензорезисторами, что приводит к увеличению погрешности измерений, в том числе и температурной составляющей погрешности.

Кроме того, тензорезисторы мостовой схемы размещены на разных элементах конструкции: на двух перемычках и на центральном выступе силовоспринимающего элемента. При этом незначительное отклонение точки приложения измеряемой силы от оси симметрии устройства приводит к существенному перераспределению деформаций тензорезисторов и, как следствие, к ухудшению точности измерений.

Изобретение направлено на решение задачи создания устройства для измерения силы с высокой точностью, чувствительностью и стабильностью измерений, с уменьшенной температурной составляющей погрешности, и упрощенной малогабаритной конструкцией.

Для решения этой задачи устройство для измерения силы, содержащее опорную пластину с элементами крепления, силовоспринимающий Т-образный элемент и по крайней мере два тензорезистора, расположенных вблизи плоскости сопряжения основания центрального выступа силовоспринимающего элемента с его поперечной частью, выполнено согласно изобретению так, что концы поперечной части силовоспринимающего элемента непосредственно соединены с опорной пластиной, а тензорезисторы размещены на диэлектрической подложке, жестко закрепленной на поверхности силовоспринимающего элемента.

Кроме того, опорная пластина и силовоспринимающий элемент выполнены в виде унитарной конструкции из упругого сплава, а диэлектрическая подложка - из монокристаллического материала.

Кроме того, вблизи основания центрального выступа и на оси симметрии силовоспринимающего элемента выполнено отверстие, перекрываемое диэлектрической подложкой с тензорезисторами, расположенными в зоне этого отверстия.

Кроме того, опорная пластина и силовоспринимающий элемент выполнены разнотолщинными с соотношением толщины 2:1 и более.

Кроме того, элементы крепления опорной пластины расположены по обе стороны от силовоспринимающего элемента и вблизи оси, проходящей через точку приложения измеряемой силы и перпендикулярно плоскости симметрии силовоспринимающего элемента.

Кроме того, унитарная конструкция опорной пластины и силовоспринимающего элемента выполнена из титанового сплава, диэлектрическая подложка - из монокристаллической пластины сапфира с расположенными на ее поверхности гетероэпитаксиальными кремниевыми тензорезисторами, а жесткое соединение подложки с поверхностью силовоспринимающего элемента выполнено серебросодержащим припоем в вакууме.

Сопоставительный анализ предложенного устройства с известным позволяет сделать вывод, что устройство для измерения силы, выполненное в соответствии с изобретением, обладает следующими преимуществами.

Благодаря тому, что концы поперечной части силовоспринимающего элемента непосредственно соединены с опорной пластиной (без промежуточных изгибных элементов) достигается более высокий уровень относительной деформации вблизи основания центрального выступа силовоспринимающего элемента, а именно в зоне размещения на диэлектрической подложке всех тензорезисторов измерительной схемы и, тем самым, повышается тензочувствительность устройства.

Благодаря тому, что опорная пластина и силовоспринимающий элемент выполнены в виде унитарной конструкции, например, методом штамповки, фрезерования, химическим травлением листового материала или другим методом, существенно повышается надежность устройства, упрощается его конструкция, уменьшаются габариты. Кроме того, изготовление унитарной конструкции из упругого сплава, а диэлектрической подложки - из монокристаллического материала обеспечивает достижение высоких упругих свойств всего устройства, практическое отсутствие гистерезиса, высокую стабильность метрологических характеристик, устойчивость к перегрузкам измеряемой силой.

Другим преимуществом устройства является его высокая чувствительность к величине измеряемой силы благодаря тому, что вблизи основания центрального выступа и на оси симметрии силовоспринимающего элемента выполнено отверстие, уменьшающее момент сопротивления его сечения при изгибе. Кроме того, в этом случае уменьшается влияние на тензорезисторы нежелательных начальных напряжений от жесткого закрепления диэлектрической подложки на поверхности силовоспринимающего элемента, так как все тензорезисторы измерительной схемы расположены на подложке в зоне отверстия на центральном выступе.

Другим преимуществом устройства является независимость его тензометрических характеристик от паразитных напряжений в зоне элементов крепления опорной пластины благодаря тому, что опорная пластина и силовоспринимающий Т-образный элемент выполнены разнотолщинными с соотношением толщин не менее 2:1, при котором паразитные напряжения практически не передаются в зону расположения тензорезисторов. Этому способствует также наличие поперечной части силовоспринимающего элемента, концы которой непосредственно соединены с опорной пластиной и толщина которой превышает толщину поперечной части силовоспринимающего элемента.

Другим преимуществом устройства является его нечувствительность к различию температурных коэффициентов линейного расширения материала опорной поверхности унитарной конструкции устройства и материала основания, на котором крепится устройство для измерения силы. Это обусловлено тем, что элементы крепления опорной пластины расположены по обе стороны от силовоспринимающего элемента и вблизи оси, проходящей через точку приложения измеряемой силы и перпендикулярно плоскости симметрии силовоспринимающего элемента. При этом изменение линейных размеров опорной пластины и силовоспринимающего элемента вдоль его плоскости симметрии, обусловленное изменением рабочей температуры, не приводит к взаимному смещению этих элементов унитарной конструкции и возникновению внутренних напряжений, вызывающих появление температурной погрешности устройства. Благодаря этому, устройство, выполненное согласно изобретению, обладает высокими метрологическими характеристиками в широком интервале рабочих температур от минус 50 до плюс 120^oC.

Еще одним преимуществом устройства является его высокая точность и стабильность характеристик, что обусловлено возможностью использования в качестве диэлектрической подложки монокристаллической пластины сапфира с расположенными на ее поверхности гетероэпитаксиальными кремниевыми тензорезисторами, соединенными в измерительную схему, например мостовую или дифференциальную. При этом тензорезисторы легированы, например, бором до определенной концентрации дырок, при которой обеспечивается высокая линейность и стабильность характеристик тензометрической схемы преобразования измеряемой силы как во времени, так и при различных температурах, а также обеспечивается высоких уровень коэффициента тензочувствительности (от 40 до 100). При этом надежное и жесткое крепление монокристаллической пластины сапфира на поверхности силовоспринимающего элемента из упругого титанового сплава выполняется серебросодержащим пропоем в вакууме.

Не известны технические решения, обладающие в совокупности указанными отличительными существенными признаками, обеспечивающими достижение полученного технического результата.

На фиг. 1 изображено устройство для измерения силы, вид сверху; на фиг. 2 - разрез A-A на фиг. 1; на фиг. 3 - вид со стороны торца B на фиг. 1; на фиг. 4 - вариант выполнения устройства для измерения силы.

Устройство для измерения силы (фиг. 1) содержит опорную пластину 1 с элементами крепления, например, в виде участков опорной пластины с отверстиями 2, силовоспринимающий Т-образный элемент, состоящий из центрального выступа 3 и поперечной части 4, концы которой непосредственно соединены с опорной пластиной 1, образуя унитарную конструкцию из опорной пластины и силовоспринимающего элемента. На поверхности силовоспринимающего элемента жестко закреплена диэлектрическая подложка 5 с тензорезисторами 6, соединенными в измерительную схему, например, мостовую или дифференциальную. Вблизи основания центрального выступа 3 и на оси симметрии силовоспринимающего элемента выполнено отверстие 7, перекрываемое диэлектрической подложкой 5 так, что тензорезисторы 6 располагаются в зоне этого отверстия. На конце силовоспринимающего элемента выполнено отверстие 8 для крепления тяги, передающей измеряемую силу в направлении, перпендикулярном плоскости центрального выступа 3. Опорная пластина 1 и силовоспринимающий Т-образный элемент выполнены разнотолщинными с соотношением толщин 2:1 или более для устранения нежелательного влияния на тензорезисторы паразитных напряжений при жестком креплении устройства. Элементы крепления с отверстиями 2 расположены по обе стороны от силовоспринимающего элемента и на оси, проходящей через точку приложения измеряемой силы вдоль оси отверстия 8 и перпендикулярно плоскости симметрии силовоспринимающего элемента. Унитарная конструкция опорной пластины с Т-образным силовоспринимающим элементом выполнена из упругого сплава, например из дисперсионнотвердеющего титанового сплава. Диэлектрическая подложка 5 выполнена, например, из пластины искусственного лейкосапфира с определенной кристаллической ориентацией, например (1012), на поверхности которой выращен слой кремния p-типа проводимости, из которого образованы тензорезисторы измерительной схемы, ориентированные вдоль кристаллографических направлений 011 кремния. Крепление сапфировой пластины 5 на поверхности Т-образного силовоспринимающего элемента из титанового сплава выполнено при помощи высокотемпературной пайки серебросодержащим припоем, например ПСР-72, при этом толщина слоя припоя не превышает 10 мкм и не оказывает существенного влияния на метрологические характеристики устройства.

На фиг. 2 показан разрез A-A (фиг. 1) устройства с силовоспринимающим элементом, деформированным под действием силы F. При этом в монокристаллической пластине 5 также возникают изгибные деформации, обусловливающие изменение сопротивлений тензорезисторов 6, расположенных в зоне наибольших напряжений пластины 5 (над отверстием 7 в центральном выступе 3).

На фиг. 3 изображен вид B (фиг. 1) со стороны торца устройства для измерения силы. Поперечная часть 4 и центральный выступ силовоспринимающего элемента выполнены равнотолщинными (h), а опорная пластина 1, состоящая из двух частей и размещенная по обе стороны от силовоспринимающего элемента, имеет толщину H, при этом H/h ≥2.

На фиг. 4 показан вариант выполнения устройства для измерения силы из пластины круглой формы. Отверстия 2 для крепления устройства размещены по диаметру опорной пластины 1, а отверстия 8 для крепления тяги, передающей измеряемую силу, выполнены в нескольких местах вдоль оси симметрии центрального выступа 3 силовоспринимающего элемента. На поверхности монокристаллической подложки 5 расположены два тензорезистора 6, включенные в дифференциальную схему (не показано) и ориентированные таким образом, чтобы получить изменения сопротивлений разных знаков при изгибной деформации центрального выступа 3. При этом тензорезисторы 6 расположены вдоль оси симметрии центрального выступа силовоспринимающего элемента.

Устройство для измерения силы работает следующим образом.

Устройство (фиг. 1 и 2) жестко закрепляется на плоском участке другого устройства (не показано) путем прижатия опорной пластины 1 или ее частей - элементов крепления, например, с помощью сварки, пайки или винтового соединения через отверстия 2. Измеряемая сил F, приложенная вдоль оси отверстия 8 в направлении, перпендикулярном плоскости центрального выступа 3 силовоспринимающего Т-образного элемента, изгибает центральный выступ и жестко закрепленную на его поверхности диэлектрическую подложку 5 с тензорезисторами 6. При этом тензорезисторы, включенные в мостовую или дифференциальную измерительную схему, изменят свои начальные сопротивления, вследствие чего на выходе измерительной схемы появится сигнал, пропорциональный величине измеряемой силы.

Одновременно с изгибом центрального выступа 3 силовоспринимающего Т-образного элемента под действием измеряемой силы F происходит скручивание его поперечного участка 4, концы которого непосредственно соединены с опорной пластиной 1. При этом эпюра изгибных напряжений на поверхности диэлектрической подложки 5 будет иметь "размытый" экстремум в зоне расположения тензорезисторов 6 ввиду отсутствия в этой зоне значительных концентраторов напряжений изгиба, вследствие "податливости" поперечного участка 4. Благодаря этому устройство для измерения силы сохраняет длительную работоспособность, точность и стабильность метрологических характеристик.

Таким образом, как видно из описания устройства и его принципа действия, получено новое техническое решение, при котором обеспечивается высокая точность измерений (0,05 - 0,2%), высокая чувствительность выходного сигнала (≈30 mV/1V питания), долговременная стабильность измерений, надежность работы в широком интервале температур (от минус 50 до плюс 120^oC и более), компактность и простота конструкции. Устройство для измерения силы, выполненное согласно изобретению, целесообразно использовать для верхних пределов измерений 1 - 5 N в малогабаритных приборах давления, разрежения, разности давлений, расхода, уровня и других устройствах измерительные узлы которых первоначально преобразуют эти параметры в силу.

Источники информации.

1. Тензопреобразователь балочный. Проспект Московского Института Электронной Техники (МИЭТ), НПК "Технологический центр".

2. Тензопреобразователь силы, SU N 1458728 A 1, G 01 L 1/22.

3. Устройство для измерения силы, SU N 1739218 A 1, G 01 L 1/22.

Использование: в области приборостроения и предназначено для использования в преобразователях давления, разрежения, разности давлений и др. Устройство содержит опорную пластину и Т-образный силовоспринимающий элемент, состоящий из центрального выступа и поперечной части, концы которой непосредственно соединены с опорной пластиной, образуя с ней унитарную конструкцию. На поверхности силовоспринимающего элемента жестко закреплена диэлектрическая подложка из монокристаллического материала с кремниевыми тензорезисторами, включенными в измерительную мостовую или дифференциальную электрическую схему. Вблизи основания центрального выступа выполнено отверстие, перекрываемое диэлектрической подложкой так, что тензорезисторы расположены в зоне этого отверстия. Опорная пластина и силовоспринимающий Т-образный элемент выполнены разнотолщинными с соотношением толщин 2: 1 и более. Устройство обеспечивает высокую тензочувствительность и точность измерений, долговременную стабильность и надежность работы в широком интервале температур и характеризуется простотой конструкции и компактностью. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения силы, содержащее опорную пластину с элементами крепления, силовоспринимающий Т-образный элемент и по крайней мере два тензорезистора, расположенные вблизи плоскости сопряжения основания центрального выступа силовоспринимающего элемента с его поперечной частью, отличающееся тем, что концы поперечной части силовоспринимающего элемента непосредственно соединены с опорной пластиной, а тензорезисторы размещены на диэлектрической подложке, жестко закрепленной на поверхности силовоспринимающего элемента. 2. Устройство по п 1, отличающееся тем, что опорная пластина и силовоспринимающий элемент выполнены в виде унитарной конструкции из упругого сплава, а диэлектрическая подложка - из монокристаллического материала. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что вблизи основания центрального выступа и на оси симметрии силовоспринимающего элемента выполнено отверстие, перекрываемое диэлектрической подложкой с тензорезисторами, расположенными в зоне этого отверстия. 4. Устройство по любому из пп. 1 - 3 отличающееся тем, что опорная пластина и силовоспринимающий элемент выполнены разнотолщинными с соотношением толщин 2:1 и более. 5. Устройство по любому из пп. 1 - 4, отличающееся тем, что элементы крепления опорной пластины расположены по обе стороны от силовоспринимающего элемента и вблизи оси, проходящей через точку приложения измеряемой силы и перпендикулярно плоскости симметрии силовоспринимающего элемента. 6. Устройство по любому из пп. 1 - 6, отличающееся тем, что унитарная конструкция опорной пластины и силовоспринимающего элемента выполнена из титанового сплава, диэлектрическая подложка - из монокристаллической пластины сапфира с расположенными на ее поверхности гетероэпитаксиальными кремниевыми тензорезисторами, а жесткое соединение подложки с поверхностью силовоспринимающего элемента выполнено серебросодержащим припоем в вакууме.