ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 2023 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам для измерения веса и силы.

Известен тензорезисторный датчик с двумя полыми цилиндрами [1], на внутреннюю поверхность одного из них наклеены тензорезисторы. Датчик снабжен мембраной, но и она слабо защищает упругий элемент от неизмеряемых силовых факторов. Более близким к заявляемому техническому решению является цилиндрический столбик с внутренней наклейкой моста тенорезисторов [2]. Он имеет лучшую линейность, но также не защищен от влияния поперечных сил и эксцентриситета приложения нагрузки.

Целями изобретения являются: повышение помехозащищенности, точности и долговременной стабильности благодаря снижению случайной составляющей погрешности от эксцентриситета нагрузки и небольших изгибающих моментов, вызванных поперечными силами.

Цели достигаются тем, что мост тензорезисторов изготавливается из фольги в дискретно-распределенном исполнении в виде четырех тензорезисторов, расположенных на подложке. При этом мост состоит из двух цепочек поперечно расположенных дискретных резисторов и двух цепочек продольно расположенных резисторов. Каждый из четырех тензорезисторов представляет непрерывную вытянутую в продольном направлении цепочку, при этом продольные и поперечные цепочки поочередно чередуются между собой и объединены в единую конструкцию с помощью четырех контактных площадок, расположенных на краях цепочек.

Такая конструкция мостовой схемы позволяет создавать, при соответствующей корректировке сечения полого цилиндра, датчики на номинальные усилия от 2 до 50 тс. Длина таких структур может меняться в небольших пределах, что позволяет их наклеивать на внутренние диаметры 20…40 мм, при этом длина структур должна совпадать с внутренними диаметрами цилиндров и определяться по формуле L=π⋅D, где D внутренний диаметр цилиндра. Например, если внутренний диаметр равен 30 мм, а сопротивление плеча моста должно быть 400 Ом, то длина одного плеча моста, каждое из которых будет состоять из 10 секций по 40 Ом каждая, и всей структуры в целом составит L=3,14×30=94 мм. Таких секций в мосте должно быть четыре, ширина каждой, исходя из технологических возможностей, составит 3 мм, а ширина каждого из трех зазоров между ними - 1 мм, поэтому общая ширина структуры составит 15 мм. Следовательно, общие габариты мостовой структуры составят 94×15 мм⋅мм. Точный расчет длины структуры по внутреннему диаметру цилиндра позволит дискретно-распределенным тензорезисторам точно и полностью воспринимать деформации цилиндра при его нагружении силой.

Такое исполнение моста позволяет в 3…5 раз снизить величину случайной составляющей погрешности при воздействии паразитных силовых факторов, так как возникающие при этом изгибающие моменты на силовом входе датчика вызывают перераспределение механических напряжений таким образом, что одни части цилиндра будут растягиваться, а другие сжиматься, следовательно, и расположенные на этих поверхностях цепочки дискретно-распределенных тензорезисторов будут также одни растягиваться, а другие сжиматься. Таким образом происходит автоматическая компенсация воздействия на датчик паразитных поперечных сил и изгибающих моментов. Мост тензорезисторов закрепляют в виде кольца на половине рабочей высоты столбика, где напряжения распределены более равномерно по сравнению с краевыми рабочими зонами цилиндра, где имеют место градиенты напряжений.

На Фиг. 1 показана топология моста тензорезисторов 5 с выводами 1, 2, 3, 4.

На Фиг. 2 приведена электрическая схема моста, (а-б)-выводы питания: Епит, (в-г)-выводы выходного сигнала: Uвых.

На Фиг. 3 показан датчик силы с дискретно-распределенным мостом 5.

Работа датчика сводится к следующему: при его нагружении силой Р, как показано на рис. 3, тензорезисторы R1 и R3 воспринимают деформацию сжатия и их сопротивления уменьшаются, а тензорезисторы R2 и R4 деформацию растяжения и их сопротивления увеличиваются, что приводит к разбалансу моста, в результате на выходной диагонали формируется выходной сигнал пропорциональный измеряемому усилию Р.

Предлагаемый датчик имеет преимущества в сравнении с известными, а именно:

1. Повышается помехозащищенность от неизмеряемых силовых факторов.

2. Повышается точность за счет снижения случайной составляющей погрешности.

3. Упрощается технология и точность наклейки за счет монолитности исполнения моста.

4. Может быть реализована возможность групповой наклейки мостов на внутренние поверхности цилиндров нескольких датчиков, а количество одновременно наклеиваемых датчиков определятся только объемом камеры с регулируемым нагревом для проведения наклейки.

Источники информации, принятые автором при экспертизе

1. Пат. США №2814946, кл. 73-141, 1957.

2. Авт. свидетельство СССР №473913, м. кл. G01L 1/22, 1975.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания помехозащищенных датчиков для измерения сил. Датчик выполнен в форме полого цилиндра, внутри которого закреплен дискретно-распределенный мост тензорезисторов, состоящий из четырех рядов параллельно расположенных цепочек резисторов. У первого и третьего ряда цепочки расположены вдоль оси цилиндра, а у второго и четвертого - расположены им перпендикулярно. Дискретно-распределенный мост изготовлен из фольги в монолитном исполнении и закреплен на изолирующей клеевой подложке. Четыре ряда резисторов объединены в единую конструкцию с помощью четырех контактных площадок, расположенных по концам цепочек. К двум контактным площадкам, расположенным в диагонали моста, подается напряжение питания, а с двух других снимается выходной сигнал, пропорциональный измеряемой силе. Изобретение позволяет повысить помехозащищенность, точность и стабильность измерений за счет дискретно-распределенной топологии моста тензорезисторов, расположенного в форме кольца, закрепленного в средней части цилиндра. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик силы, содержащий упругий элемент в форме полого цилиндра и закрепленный на нем мост тензорезисторов, отличающийся тем, что мост тензорезисторов выполнен в дискретно-распределенном исполнении и представляет собой вытянутые в одном направлении четыре цепочки, две из которых состоят из продольно, а две - из поперечно расположенных тензорезисторов, при этом цепочки расположены поочередно в четыре ряда и каждая состоит из нескольких секций, объединенных в единое целое с помощью четырех контактных площадок, расположенных по концам цепочек.

2. Датчик силы по п. 1, отличающийся тем, что длина дискретно-распределенного моста тензорезисторов выполнена равной длине окружности полого цилиндра и определяется из выражения L=πD, где D - внутренний диаметр цилиндра, при этом мост тензорезисторов закрепляется на его внутренней стенке в форме кольца посредине рабочей части цилиндра.