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

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно - к датчикам для измерения большого 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 не защищены от поперечных сил и имеют большую высоту.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик, содержащий упругий элемент в виде полого цилиндра, на внутреннюю поверхность которого наклеен мост тензорезисторов [2]. К недостаткам таких датчиков следует отнести: невысокую точность из-за сложности их ориентации при установке на объекте, узкой специальной сферы применения из-за формы упругого элемента, а также сложности наклейки тензорезисторов на внутреннюю поверхность цилиндра.

Цели изобретения - повышение надежности датчика, снижение его высоты, упрощение технологии внутренней наклейки и расширение диапазона измерений в сторону больших нагрузок.

Поставленные цели достигаются тем, что упругий элемент выполнен в форме квадратного параллелепипеда с тремя фигурными, монолитно с ним соединенными, площадками, две из которых расположены с нижней стороны упругого элемента, а одна - в его верхней части - перпендикулярно оси симметрии цилиндра, и с двумя симметрично расположенными сквозными пазами параллельными оси цилиндра; четыре полумоста тензорезисторов расположены напротив друг друга, вдоль образующих цилиндра на тыльной стороне подложки, а на ее фронтальной стороне полумосты с использованием регулировочных резисторов двух типов электрически объединены в два запараллеленных моста. А также тем, что контактные площадки на фронтальной стороне подложки расположены симметрично в ее левой и правой частях и сформированы в виде трех параллельных линий, расположенных в верхней и нижней частях подложки в форме цепочек с одинаковыми сквозными отверстиями, расположенными с одинаковым шагом, и шестью аналогичными линиями - цепочками в ее правой части, при этом отверстия в центральных цепочках смещены на половину шага относительно отверстий в двух крайних цепочках.

На Фигурах 1а, 1б, 1в показана конструкция датчика: вид спереди, сверху и сбоку - с частичными и полным разрезами и сквозными пазами I и II, которые используют для регулировки коэффициента передачи датчика, путем их расширения в сторону оси цилиндра; Р - измеряемая нагрузка; В=(150…250) мм - ширина квадрата, Н=(50…65) мм - его толщина.

На Фиг. 2 - схематический рисунок подложки: четыре полумоста с тыльной стороны подложки, а с фронтальной стороны - межсоединения, контактные площадки, регулировочные резисторы Rδ, Rδ' - для балансировки моста и Rт, Rт' - для компенсации температурного дрейфа нуля.

На Фиг. 3 - принципиальная электрическая схема датчика: два объединенных моста с двумя типами сдвоенных регулировочных резисторов Rδ и Rт.

На Фиг. 4а - реальный топологический рисунок подложки, обозначения те же, что и на Фиг. 2; L=(120…160) мм - длина подложки, а ее ширина

На Фиг. 4б - фрагмент трех контактных линий-цепочек: h=10 мм - шаг сквозных отверстий в подложке, диаметр отверстий d=0,5 мм.

Обозначения, использованные на рисунках:

1 - упругий элемент; 2 - диаметр цилиндра D=30 мм; 3 - полумосты тензорезисторов; 4а, 4б, 4в, - фигурные площадки, монолитно связанные с параллелепипедом; 5 - подложка; 6 - внутренний микрокабель; 7 - балансировочные резисторы Rδ и Rδ'; 8 - регулировочные резисторы для компенсации температурного дрейфа нуля Rт и Rт'; 9 - контактные площадки для подпайки выводов микрокабеля; 10 - полумосты тензорезисторов, объединенные в единую мостовую схему; 11 - три контактные линии-цепочки с отверстиями для припайки выводов от полумостов; R1, R2, R3, R4 и R1', R2', R3', R4' - тензорезисторы двух мостов; (1-3) - диагональ питания, (2-4) - диагональ измерения.

Датчик работает следующим образом: при подаче напряжения на диагональ (1-3) и нагружении датчика силой Р, на диагонали (2-4) формируется выходной сигнал, пропорциональный измеряемой силе Р. Предложенная конструкция позволит повысить помехозащищенность и точность датчика за счет исключения влияния поперечных сил, упростить его встройку за счет малой высоты и расширить диапазон измеряемых нагрузок, а также упростить и проводить внутреннюю наклейку одновременно всех полумостов, с высокой точностью их позиционирования на поверхности цилиндра при использовании нового перспективного способа для внутренней наклейки тензорезисторов.

Источники информации

1. Заявка ФРГ №1196398, кл. 42к, 7/05, публикация 08.07.1965.

2. Пат. США №3695096, кл. 73-88,5, публикация 03.10.1972.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для создания датчиков на большие нагрузки. Тензорезисторный датчик силы содержит упругий элемент в форме прямоугольного параллелепипеда со сквозным цилиндрическим отверстием и мостом тензорезисторов. Упругий элемент выполнен в форме квадратного параллелепипеда с тремя фигурными, монолитно с ним соединенными, площадками. Две упомянутые площадки расположены с нижней стороны и одна - в верхней части упругого элемента, перпендикулярно оси симметрии цилиндра. Также упругий элемент выполнен с двумя симметрично расположенными сквозными пазами, параллельными оси цилиндра. Четыре полумоста тензорезисторов расположены напротив друг друга, вдоль образующих цилиндра на тыльной стороне подложки, а на ее фронтальной стороне расположены полумосты с использованием регулировочных резисторов двух типов, электрически объединены в два запараллеленных моста. Технический результат - повышение надежности датчика, снижение его высоты и расширение диапазона измерений в сторону больших нагрузок. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Тензорезисторный датчик силы, содержащий упругий элемент в форме прямоугольного параллелепипеда со сквозным цилиндрическим отверстием и мостом тензорезисторов, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в форме квадратного параллелепипеда с тремя фигурными, монолитно с ним соединенными, площадками, две из которых расположены с нижней стороны и одна - в его верхней части перпендикулярно оси симметрии цилиндра, и с двумя симметрично расположенными сквозными пазами, параллельными оси цилиндра; четыре полумоста тензорезисторов расположены напротив друг друга, вдоль образующих цилиндра на тыльной стороне подложки, а на ее фронтальной стороне полумосты с использованием регулировочных резисторов двух типов электрически объединены в два запараллеленных моста.

2. Тензорезисторный датчик силы по п. 1, отличающийся тем, что контактные площадки на фронтальной стороне подложки расположены симметрично в ее левой и правой частях и сформированы в виде трех параллельных линий, расположенных в верхней и нижней частях подложки в форме цепочек с одинаковыми сквозными отверстиями, расположенными с одинаковым шагом, и шестью аналогичными линиями - цепочками в ее правой части, при этом отверстия в центральных цепочках смещены на половину шага относительно отверстий в двух крайних цепочках.