ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2016 года по МПК G01L1/22 

Заявленное изобретение относится к измерительной технике, к датчикам давления контактного типа, в частности к тензометрическим средствам измерений и анализа стационарных и динамических напряженно-деформированных состояний упругого чувствительного элемента консольного типа вследствие воздействия на его поверхность физических величин (линейных перемещений, температуры, механических колебаний, скоростного напора газовых или жидкостных потоков и др.), преобразуемых в электрический сигнал, и может быть применено в экспериментальной аэродинамике для измерений скорости движения воздуха или скоростного напора (динамического давления) воздушного потока (ВП), а также для его визуализации при проведении аэродинамических испытаний как на аэродинамических поверхностях, так и в окружающем пространстве.

В практике наибольшее применение нашли простейшие контактные анемометры прямого преобразования, работающие в движущихся потоках [Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. - 592 с; Рыжов C.H. Устройства для контроля за потоками жидкостей и газов. Датчики потока/Датчики и системы. Москва, 2007, №9, с. 38-40; Интернет-сайт http://www.ahlborn.com. Датчики воздушного потока ALMEMO]. Они состоят из трех основных частей: приемное устройство (чувствительный элемент, первичный преобразователь), вторичный преобразователь (механический, пневматический или электронный) и отсчетное устройство (индикатор, дисплей и т.п.).

Основным недостатком контактных анемометров прямого преобразования является их инерционность и, как следствие, ограниченность быстродействия при изменении скорости напора ВП и его направления.

Известно устройство для измерения скорости газожидкостного потока [Авторское свидетельство СССР на изобретение SU №1673986 A1. Устройство для измерения скорости газожидкостного потока], состоящее из комбинации двух чувствительных элементов, выполненных из микропроволоок полупроводника (нитевидного кристалла), включенных в смежные плечи измерительного моста, один из которых работает в режиме термоанемометра при малых скоростях ВП, а другой - в основном режиме тензорезистора. В набегающих газожидкостных потоках основной тензорезистор прогибается, увеличивая свою длину и получая деформацию, являющуюся функцией скорости потока. Основными недостатками устройства являются: анизотропность материала - сильная зависимость кристаллографической оси проволочного полупроводника от вектора скорости при невозможности регистрации этого направления; малая контактная (взаимодействующая с ВП) площадь и низкие упруго-эластичные свойства, и, как следствие, низкий тензорезистивный эффект.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является тензорезистивный преобразователь [Авторское свидетельство СССР №387234. Тензорезистивный преобразователь], содержащий упругий элемент с симметрично расположенными по отношению к его продольной оси по обеим сторонам тензочувствительными элементами, выполненными в виде многослойной тонкопленочной структуры с четным числом последовательно соединенных тензочувствительных слоев, разделенных изолирующими пленками, и образующий упруго-чувствительный элемент консольного типа (УЧЭ), работающий на изгиб. Тензочувствительные слои, расположенные по обеим сторонам УЧЭ, имеют общий электрический вывод и соединены в полумостовую (мостовую) электрическую схему [Панфилов В.А. Электрические измерения, «Академия», 2006 г.]. Под действием силы, приложенной к тензорезистивному преобразователю, его свободный конец изгибается. Тензочувствительные слои, расположенные на одной стороне УЧЭ, растягиваются, а на другой - сжимаются. Сжатие и растяжение тензослоев изменяет их электрические сопротивления: с одной стороны УЧЭ сопротивление уменьшается, а с другой стороны - увеличивается. При таком включении тензочувствительных слоев (тензорезисторов) в смежные плечи измерительного моста электрический сигнал, пропорциональный перемещению от возмущающего воздействия, удваивается. Планарное или сэндвич изготовление попарных тензочувствительных слоев в четном количестве повышает коэффициент полезного действия, соответственно на единицу площади или объема. Следовательно, информацию о векторе силы, ортогонально приложенной сосредоточенной или равномерно распределенной по поверхности тензорезистивного преобразователя (например, динамического давления или скоростного напора воздушного или жидкостного потока), можно получить из деформации его изгиба в одну или другую противоположную сторону (инверсия знака вектора силы).

Известно, что изгибная жесткость EJ_x, определяемая как способность упругого элемента консольного типа сопротивляться изгибу, равна произведению модуля упругости Ε материала УЧЭ на момент инерции J_x=bh³/12³ (где b - ширина, h - толщина) сечения консоли и может быть мягкой при Е<100 МПа или жесткой при Е>1000 МПа. При этом всегда является фиксированной величиной. Зависимость коэффициента упругости k консоли от ее размеров и свойств материала k=F/δ=EJ_x/4l³=Ebh³/4l³, где F - приложенная сила: сосредоточенная или равномерно распределенная F=ql, l - длина консоли. При этом отклонение свободного конца консоли δ=ml²/2EJ_x(1-m²l²/12(EJ_x)²), где m - реактивный момент: для сосредоточенной силы m=Fl; для равномерно распределенной силы m=ql²/2. Следовательно, при большой изгибной жесткости EJ_x консоли для получения требуемого тензорезистивного эффекта ΔR/R=KΔδ/δ (K - фактор) требуются значительные возмущающие воздействия силы (F, q). При мягкой изгибной жесткости, имеющей высокую чувствительностью к малым возмущениям, рост нагрузки приводит к пластическому излому - обратимой деформации (вынужденной эластичности) УЧЭ вблизи ее защемления (крепления, основания).

Следовательно, основным недостатком такого устройства является малый динамический диапазон преобразуемых внешних воздействий, из-за фиксированной изгибной жесткости EJ_x=const УЧЭ, определяемой формой и размерами его конструкции и упруго-эластичной константой материала. Кроме того, в пределах чувствительности и для жесткой, и для мягкой изгибной жесткости имеет место проблема квадратичной и кубической зависимости свойств УЧЭ от его размеров. При равномерно распределенной нагрузке q≠0 по площади S=lb консоли ее максимальный изгиб соответствует δ_max≈Vl⁴/8EJ_x, а максимальный угол изгиба консоли составляет Θ_max≈1/ρ≈Vl³/6EJ_x (где ρ - радиус кривизны, V - вектор силы, скоростной напор ВП). Более того, поскольку коэффициент упругости k связан с резонансной частотой консоли ω₀ по закону гармонического осциллятора (где m_эфф - эффективная масса консоли), то изменение силы, приложенной к консоли, приводит к сдвигу резонансной частоты. В результате, на преобразуемый сигнал будут накладываться пульсации, амплитуда и частота которых зависит как от величины, так и направления возмущающей силы.

Таким образом, наличие фиксированной изгибной жесткости УЧЭ препятствует увеличению динамического диапазона преобразуемых внешних воздействий: жесткая упругость ограничивает порог чувствительности тензорезистивного преобразователя; мягкая изгибная жесткость, с ростом давления на поверхность S УЧЭ и, соответственно, увеличением изгиба δ приводит к его пластическому излому вблизи защемления (в заделке, у основания).

Целью изобретения является расширение динамического диапазона напряженно-деформированных состояний УЧЭ консольного типа, состоящего из тонкопленочного эластичного полимера и фольговых тензорезисторов, соответственно, расширение динамического диапазона тензорезистивного преобразования при прямом контактном воздействии скоростного напора (динамического давления) газовых или жидкостных потоков в электрический сигнал. При его осуществлении может быть получен следующий технический результат: расширение динамического диапазона преобразования напряженно-деформированных состояний в электрический сигнал с одновременным:

- уменьшением инерционности;

- уменьшением пульсаций с ростом скоростного напора;

- определением вектора скорости ВП, с возможностью регистрации его мгновенной составляющей, в том числе при его инверсии;

- прямой визуализацией направления ВП; и,

- существенным упрощением конструкции по сравнению с аналогами.

Технический результат достигается тем, что в известном тензорезистивном преобразователе [Авторское свидетельство СССР №387234. Тензорезистивный преобразователь] содержится: измерительный мост, индикатор и УЧЭ, выполненный в виде консольной балки из тонкопленочного эластичного полимера, двух или четырех фольговых тензорезисторов, планарно и попарно расположенных на противоположных сторонах УЧЭ, продольные оси которых симметричны относительно его продольной оси и параллельны между собой, при этом УЧЭ ориентирован ортогонально вектору приложенной силы и работает на изгиб. В результате образуется электрический сигнал, пропорциональный величине упругой деформации на изгиб, соответственно приложенной силе.

Признаками, отличающими изобретение от прототипа, являются:

1. введение по меньшей мере одного и более упругих слоев, выполненных из тонкопленочного эластичного полимера, имеющих одинаковую с УЧЭ ширину, но различные длины, и расположенных на нем последовательно с уменьшением длины в сторону его заделки, при этом упругие слои и УЧЭ планарно жестко связаны между собой или планарно свободны, но собраны воедино в заделке в упруго-чувствительную сэндвич-структуру, обладающую качеством тела равного сопротивления изгибу;

2. введенные один и более упругие слои расположены с двух сторон УЧЭ попарно симметрично или ассиметрично относительно его продольной оси;

3. введение одного упругого монослоя, выполненного из эластичного полимера с непрерывно-изменяемой площадью поперечного сечения, минимальной на свободном конце УЧЭ и максимальной в заделке, с образованием тела равного сопротивления изгибу.

Для расширения динамического диапазона преобразования кинетической энергии известно техническое решение: выполнение консольной балки в виде листовой рессоры - пакета упругих слоев (листов) разной длинны, собранных воедино и образующих тело равного сопротивления изгибу [Сопротивление материалов: Учебник для вузов / А.В. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин; под. ред. А.В. Александрова. - 3-е изд. испр. - М., Высшая школа, 2003. - 560 с; Интернет-сайт http://machinepedia.org/index.php. Рессора. Виды рессор]. В таких конструкциях совмещены функции демпфирующего (амортизатора, поглотителя колебаний) и упругого (энергоемкого) элементов. На этом принципе основана работа рессорных виброизоляторов [Например: Патент на изобретение RU №2282073 от 20.08.2006 г. Рессорный виброизолятор].

Признаком, характеризующим предлагаемое изобретение тензорезистивный преобразователь, является: выполнение упруго-чувствительного тензорезистивного элемента консольного типа совместно с одним и более упругими слоями разной длины или с одним упругим монослоем в виде симметричной или ассиметричной упруго-чувствительной сэндвич-структуры консольного типа, с переменной площадью сечения и обладающей качеством тела равного сопротивления изгибу. При этом упругие слои планарно жестко связаны между собой и упруго-чувствительным элементом либо планарно свободны, но собраны воедино в заделке.

Полученный при осуществлении изобретения технический результат, а именно, расширение динамического диапазона тензорезистивного преобразования напряженно-деформированных состояний в электрический сигнал при прямом контактном воздействии с одновременным: уменьшением инерционности; уменьшением пульсаций с ростом скоростного напора; определением вектора скорости, с возможностью регистрации его мгновенной составляющей, в том числе при инверсии вектора скорости; а также прямой визуализацией направления потока и существенным упрощением конструкции по сравнению с аналогами достигается за счет того, что изгибная жесткость на каждом участке (в сечении) упруго-чувствительной сэндвич-структуре тензорезистивного преобразователя различна: минимальна на свободном конце, поскольку определяется только мягкой жесткостью УЧЭ, и максимальна вблизи защемления (в заделке), поскольку складывается из жесткостей всех упругих слоев, включая упругость УЧЭ. При этом изменение изгибной жесткости упруго-чувствительной сэндвич-структуры осуществляется либо дискретно с введением каждого последующего упругого слоя, выполненного из тонкопленочного полимера, имеющего одинаковую с УЧЭ ширину, но различные длины, либо непрерывно за счет введения одного монослоя, выполненного из эластичного полимера с непрерывно-изменяемой площадью поперечного сечения.

На фиг. 1 изображен тензорезистивный преобразователь, содержащий: 1 - упруго-чувствительный элемент консольного типа (УЧЭ), выполненный из тонкопленочного эластичного полимера; 2 - двух или четырех фольговых тензорезисторов с выводами 5; 3 - один и более упругих слоев, выполненных из тонкопленочного эластичного полимера, имеющих одинаковую с УЧЭ ширину, но различные длины и собраны последовательно с уменьшением длины в упруго-чувствительную сэндвич-структуру; при этом упругие слои и УЧЭ планарно жестко связаны между собой, либо планарно свободны, но собраны воедино в пакет в заделке и образуют тело равного сопротивления изгибу; 4 - основание с жестким защемлением - заделкой; 6 - измерительный мост, плечи которого попарно соединены выводами 5 с тензорезисторами 2 в мостовую (полумостовую) схему, индикатор 7 и источник питания 8.

На фиг. 2-6 дополнительно показаны варианты изготовления устройства: фиг. 2, 3, 4 соответствуют п. 2, а фиг. 5, 6 - п. 3 формулы изобретения. На фиг. 2 равномерно распределенное по площади S упруго-чувствительной сэндвич-структуры воздействие V скоростного напора показано в виде стрелок.

Упруго-чувствительный элемент консольного типа 1 выполнен из упругого тонкопленочного эластичного полимера, двух (R_G1, R_G2) или четырех (R_G1, R_G2, R_G3, R_G4) фольговых тензорезисторов 2, планарно и попарно расположенных на его противоположных сторонах, продольные оси которых симметричны относительно его продольной оси и параллельны между собой, и электрических выводов 5 у основания 4. Смежные плечи измерительного моста 6 попарно соединены электрическими выводами 5 с фольговыми тензорезисторами 2 в полумостовую схему для двух активных R_G1, R_G2 тензорезисторов (R₁, R₂ - балансные постоянные сопротивления, показаны на фиг. 1 штриховыми линиями) или мостовую схему для четырех активных R_G1, R_G2, R_G3, R_G4 тензорезисторов. Индикатор 7 включен в измерительную диагональ измерительного моста, другая диагональ которого соединена с источником 8 напряжения U питания.

Введенные один и более упругие слои, выполненные из тонкопленочного эластичного полимера (фиг. 1-4), имеют одинаковую с УЧЭ ширину, но различные длины и расположены на нем последовательно с уменьшением длины в сторону заделки - в сторону его основания 4. При этом упругие слои могут быть выполнены либо планарно жестко связанными между собой и упруго-чувствительным элементом (например, склейкой, или изготовлены в едином технологическом цикле по планарной технологии), либо планарно свободными, но собранными воедино в пакет в заделке (в основании 4) с формированием упруго-чувствительной сэндвич-структуры, обладающей качеством тела равного сопротивления изгибу. Таким образом, количество участков с разной изгибной жесткостью определяется количеством упругих слоев и их расположением в сэндвич-структуре и может быть любым и изменяться как ступенчато, так и непрерывно.

Упруго-чувствительная сэндвич-структура ориентирована ортогонально вектору V приложенной силы - скоростному напору q (динамическому давлению). Согласно уравнению Бернулли это позволяет преобразовывать кинетическую энергию ВП (V) в потенциальную энергию давления q изоэнтропически заторможенного газа: q=ρ_воздV²/2, где ρ_возд и V - плотность и скорость ВП, соответственно [Гарбузов В.М. и др. Аэромеханика: Учеб. для студентов вузов. - М.: Транспорт, 2000]. В исходном состоянии при отсутствии скоростного напора (при V=0, и, соответственно q=0) упруго-чувствительная сэндвич-структура находится в равновесном состоянии, изгиб и деформация изгиба равны нулю, соответственно, ε₀=ΔR/R=KΔδ/δ=0. При этом угол изгиба Θ=0 и радиус кривизны упруго-чувствительной сэндвич-структуры ρ=1/Θ~∞.

Отношение между деформацией ε₀ и выходным напряжением u₀ определяется: для полумостового включения -u₀=U/2·K_Sε₀; для полномостового включения - u₀=U·K_Sε₀, где K_S - K - фактор. При указанном включении тензорезисторов в плечи измерительного моста 6 деформация продольного (по осям плоскости S=lb) сжатия/растяжения исключена, возможна только деформация на δ-изгиб при прямом направлении распространения потока или - δ-изгиб при обратном инверсном направлении (фиг. 2).

Устройство работает следующим образом. Под действием отличного от нуля скоростного напора (например, воздушного или жидкостного потока) малой величины q≥0, распределенного по всей поверхности S=lb упруго-чувствительной сэндвич-структуре, имеющей различную изгибную жесткость на разных а, b, с, d участках, изгибается на малую величину только начальный, первый а участок свободного конца консоли, имеющий самую мягкую изгибную жесткость. Поскольку изгибная жесткость всех последующих b, с, d участков (фиг. 2) возрастает кратно с каждым последовательно введенным упругим слоем, то эти b, с, d участки находятся в равновесии и не испытывают напряженно-деформированных состояний. При этом b участок, состоящий из слоя УЧЭ и одного или более упругих слоев планарно связанных либо не связанных между собой является опорным для предыдущего а участка. Соответственно, с участок является опорным для b участка, а основание 4 является опорным для последнего d участка. При этом количество участков неограниченно. С ростом скоростного напора q>0 увеличивается давление, распределенное по всей поверхности, и реакция опоры предыдущего а слоя на последующий b слой, вызывая в нем напряженно-деформированное состояние . Поскольку реактивный момент для равномерно распределенной силы соответствует m=ql²/2, то рост нагрузки (скоростного напора q>0) на а участке с мягкой изгибной жесткостью приводит к его пластическому излому в максимуме реактивного момента, находящегося вблизи его защемления последующими слоями (опорным b участком), если его длина L_a равна или превышает критическую длину l. И так далее. При этом изгибную жесткость и длину каждого упругого слоя подбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить максимально-возможную упругую деформацию предыдущего слоя с предотвращением его пластического излома. При дальнейшем росте скоростного напора q>>0 напряженно-деформированному состоянию будут подвергаться последующие участки с большей изгибной жесткостью до тех пор, пока не деформируется последний d участок вблизи заделки у основания 4.

Введение по меньшей мере одного и более упругих слоев, имеющих одинаковую с УЧЭ ширину, но различные длины, и расположенных на нем последовательно с уменьшением длины в сторону его заделки, планарно жестко связанные между собой и УЧЭ или планарно свободные, но собранные воедино в заделке в упруго-чувствительную сэндвич-структуру, обладающей качеством тела равного сопротивления изгибу, предотвращает излом в областях максимума реактивного момента на каждом участке.

Таким образом, мягкая изгибная жесткость на свободном конце консоли обеспечивает высокую чувствительность тензорезистивного преобразователя при малых воздействиях, а напряженно-деформированное состояние самого жесткого участка упруго-чувствительной сэндвич-структуры вблизи ее заделки будет обеспечивать регистрацию максимально возможного воздействия скоростного напора. Благодаря этому обеспечивается расширение динамического диапазона напряженно-деформированных состояний упруго-чувствительной сэндвич-структуры. Более того, выполнение упруго-чувствительной сэндвич-структуры в виде тела равного сопротивления изгибу, с переменной изгибной жесткостью, обеспечивает равномерность напряжений по всей ее длине.

Преобразование скоростного напора при его прямом контактном воздействии на упруго-чувствительную сэндвич-структуру в электрический сигнал осуществляется посредствам двух или четырех фольговых тензорезисторов 2 (фиг. 1). При этом, если вектор скорости V имеет прямое направление, как показано на фиг. 2, то тензорезисторы R_G1 и R_G3 растягиваются, a R_G2 и R_G4 - сжимаются. При инверсном направлении, наоборот: R_G1 и R_G3 - сжимаются, a R_G2 и R_G4 - растягиваются. Сжатие и растяжение фольговых тензорезисторов 2 под действием компонентов механической энергии (деформации) изменяет их электрические сопротивления. Соответственно, с одной стороны упругой подложки электрические сопротивления R_G1 и R_G3 увеличиваются/уменьшаются, а с другой стороны R_G2 и R_G4 - уменьшаются/увеличиваются. При таком включении тензорезисторов в смежные плечи измерительного моста 6 электрический сигнал u₀, пропорциональный перемещению от возмущающего воздействия, удваивается.

Поскольку последующие упругие слои предотвращают излом предыдущего участка, то соблюдается отношение между деформацией ε₀ и выходным напряжением u₀ и, соответственно, между электрическим сигналом u₀ и возмущающим воздействием V(q).

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления контактного типа, в частности к тензометрическим средствам измерений консольного типа. Техническим результатом изобретения является расширение динамического диапазона тензорезистивного преобразования напряженно-деформированных состояний при прямом контактном воздействии на упруго-чувствительный элемент скоростного напора газовых или жидкостных потоков в электрический сигнал. Тензорезистивный преобразователь содержит упруго-чувствительный элемент консольного типа, выполненный из тензорезисторов, планарно и попарно расположенных на его противоположных сторонах, и электрических выводов со стороны его заделки, измерительный мост и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста. При этом упруго-чувствительный элемент работает на изгиб ортогонально вектору приложенной силы. Также в преобразователь введены, по меньшей мере, один и более упругих слоев, выполненных из тонкопленочного эластичного полимера, имеющих одинаковую с упруго-чувствительным элементом ширину, но различные длины и расположены на нем последовательно с уменьшением длины в сторону его заделки. Упругие слои планарно жестко связаны между собой и упруго-чувствительным элементом, либо планарно свободны, но собраны воедино в заделке в сэндвич-структуру, обладающей качеством тела равного сопротивления изгибу. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Тензорезистивный преобразователь, содержащий: упруго-чувствительный элемент консольного типа, выполненный из тонкопленочного эластичного полимера, двух или четырех фольговых тензорезисторов, планарно и попарно расположенных на его противоположных сторонах, продольные оси которых симметричны относительно его продольной оси и параллельны между собой и электрических выводов со стороны его заделки; измерительный мост, смежные плечи которого попарно соединены с электрическими выводами фольговых тензорезисторов в полу- или полномостовую схему и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста, при этом упруго-чувствительный элемент работает на изгиб ортогонально вектору приложенной силы, отличающийся тем, что введены по меньшей мере один и более упругих слоев, выполненных из тонкопленочного эластичного полимера, имеющих одинаковую с упруго-чувствительным элементом ширину, но различные длины, и расположены на нем последовательно с уменьшением длины в сторону его заделки, при этом упругие слои планарно жестко связаны между собой и упруго-чувствительным элементом либо планарно свободны, но собраны воедино в заделке в сэндвич-структуру, обладающей качеством тела равного сопротивления изгибу.

2. Тензорезистивный преобразователь по п. 1 отличающийся тем, что введенные один и более упругие слои расположены с двух сторон упруго-чувствительного элемента попарно симметрично или асимметрично относительно его продольной оси.

3. Тензорезистивный преобразователь по п. 1 или 2 отличающийся тем, что введен один упругий монослой, выполненный из эластичного полимера с непрерывно-изменяемой площадью поперечного сечения, минимальной на свободном конце упруго-чувствительного элемента и максимальной в заделке, с образованием тела равного сопротивления изгибу.