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

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к датчикам для измерения веса и сил.

Известен датчик, содержащий сдвиговой упругий элемент в форме двух, связанных по краям прямоугольников, на одном из которых закреплен мост тензорезисторов [1]. Недостатки подобных датчиков заключаются в том, что они плохо защищены от поперечных сил, что увеличивает погрешность измерения, и имеют большие габариты по высоте.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик, содержащий сдвиговой упругий элемент в виде полого цилиндра, на внутреннюю поверхность которого наклеен мост тензорезисторов. К недостаткам подобных датчиков следует отнести: невысокую точность из-за сложности их точной ориентации при установке на объекте, снижении при этом величины выходного сигнала и сложность наклейки известными средствами тензорезисторов на внутреннюю поверхность цилиндра.

Цели изобретения - повышение точности и надежности измерений, снижение высоты, упрощение встройки и эксплуатации, а также расширение диапазона в сторону больших нагрузок. Поставленные цели достигаются тем, что упругий элемент выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с двумя участками, имеющими минимальную площадь поперечного сечения, и четырьмя фигурными площадками, монолитно связанными с параллелепипедом, две из них расположены в его нижней части и две - в верхней части, а полумосты тензорезисторов лицевой стороной прикреплены к тыльной стороне подложки с помощью двустороннего скотча, другой стороной наклеены на цилиндрическую поверхность, при этом межсоединения, контактные площадки, реперные знаки для точной установки тензорезисторов и микрокабель расположены на фронтальной стороне подложки. Эти цели также достигаются тем, что до наклейки полумостов на цилиндрическую поверхность их электрические выводы через отверстия - проколы в подложке, совпадающие с центрами переходных контактных площадок, выведены на фронтальную сторону подложки и с помощью пайки объединены с расположенными на ней межсоединениями и контактными площадками из медной фольги в монолитную мостовую схему. Так же эти цели достигаются тем, что подложка с мостом тензорезисторов закрепляется вдоль образующей на одной или другой стороне цилиндра, при этом один полумост располагается на первом участке в зоне максимальных касательных напряжений, а второй полумост - в аналогичной зоне на втором участке; или так: подложка с мостом закрепляется поперек цилиндра, а первый и второй полумосты располагаются напротив друг друга на первом или втором участке цилиндра в аналогичных зонах.

На Фиг. 1а, 1б, 1в, 1г показана конструкция датчика с упругим элементом сдвигового типа: вид спереди, сверху и сбоку-с разрезами, а также сечение тонкой части упругого элемента с мостом тензорезисторов, закрепленным поперек цилиндра и полумосты расположены напротив друг - друга. D=30 мм

На Фиг. 2 - подложка для наклейки вдоль образующей цилиндра, на которой с одной стороны подложки закреплены два полумоста, а с другой стороны подложки - межсоединения, контактные площадки, реперные знаки для точной установки полумостов и микрокабель. L₁=180 мм, L₂=94 мм, B=35 мм.

На Фиг. 3 - подложка для наклейки поперек образующей цилиндра, на которой расположены те же элементы, что и на Фиг. 2.

На Фиг. 4 - электрическая схема датчика.

Обозначения, использованные на всех фигурах:

1, 2 - полумосты тензорезисторов;

3 - переходные контактные площадки;

4 - контактные площадки;

5 - изолирующая подложка;

6 - микрокабель;

7 - межсоединения;

8 - клей;

9 - верхние фигурные площадки;

10 - нижние фигурные площадки;

11 - реперные знаки для установки тензорезисторов;

I, II - участки с минимальной площадью поперечного сечения;

R1, R2, R3, R4 - тензорезисторы, образующие мостовую схему;

(1-3) - диагональ питания; (2-4) -диагональ измерения.

Датчик работает следующим образом: при подаче электрического напряжения на входную диагональ (1-3) и нагружении датчика силой F, на его выходной диагонали (2-4) формируется выходной сигнал, пропорциональный силе F.

Предложенная конструкция датчика позволяет повысить его помехозащищенность и точность за счет исключения влияния поперечных сил, упростить его встройку за счет небольшой высоты и расширить диапазон измеряемых нагрузок в сторону их увеличения за счет варьирования толщины стенок, которые механически шунтируют зоны I и II, а также упростить внутреннюю наклейку за счет возможности использования нового способа для внутренней наклейки тензорезисторов.

Источники информации

1. Заявка ФРГ №1196398, кл. 42к 7/05, публикация 08.07.65.

2. Пат. США №3695096, кл. 73 - 88,5, публикация 03.10.82.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания датчиков на большие и средние нагрузки. Упругий элемент выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с двумя участками, имеющими минимальную площадь поперечного сечения, и четырьмя фигурными площадками, монолитно связанными с параллелепипедом. Полумосты тензорезисторов расположены на одной стороне подложки, которая, как и полумосты, с помощью клея закрепляется на поверхности цилиндра, а межсоединения, контактные площадки и микрокабель расположены на другой стороне внутри цилиндра. Подложка с мостом тензорезисторов закрепляется вдоль образующей на внутренней поверхности цилиндра, при этом первый и второй полумост располагаются в зоне максимальных касательных напряжений. Возможен и другой вариант наклейки: подложка с мостом тензорезисторов закрепляется поперек образующей цилиндра, при этом первый и второй полумосты располагаются напротив друг друга также в зоне максимальных касательных напряжений. Технический результат заключается в повышении точности и надежности измерений, снижении высоты, упрощении встройки и эксплуатации, а также расширении диапазона в сторону больших нагрузок. 2 з.п ф-лы, 4 ил.

1. Тензорезисторный датчик силы, содержащий упругий элемент с цилиндрическим отверстием вдоль продольной оси симметрии, мост тензорезисторов на изолирующей подложке, закрепленный на поверхности цилиндра, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с двумя участками, имеющими минимальную площадь поперечного сечения, и четырьмя фигурными площадками, монолитно связанными с параллелепипедом, две из них расположены в его нижней части и две - в верхней части, а полумосты тензорезисторов лицевой стороной с помощью двустороннего скотча прикреплены к тыльной стороне подложки, другой стороной наклеены на цилиндрическую поверхность, при этом межсоединения, контактные площадки и микрокабель расположены на фронтальной стороне подложки.

2. Тензорезисторный датчик по п. 1, отличающийся тем, что до наклейки полумостов на цилиндрическую поверхность их электрические выводы через отверстия - проколы в подложке, совпадающие с центрами переходных контактных площадок, выведены на фронтальную сторону подложки и с помощью пайки объединены с расположенными на ней межсоединениями и контактными площадками из медной фольги в монолитную мостовую схему.

3. Тензореисторный датчик силы по п. 1, отличающийся тем, что подложка с мостом тензорезисторов закрепляется вдоль образующей на одной или другой стороне цилиндра, при этом один полумост располагается на первом участке в зоне максимальных касательных напряжений, а второй полумост - в аналогичной зоне на втором участке; или подложка с мостом закрепляется поперек цилиндра, а первый и второй полумосты располагаются напротив друг друга на первом или втором участке цилиндра в аналогичных зонах.