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

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

Известны тензорезисторные датчики силы, содержащие упругий элемент и мостовые схемы, состоящие из четырех или более тензорезисторов [1]. Недостатком таких датчиков можно считать то, что мостовая схема состоит из дискретных тензорезисторов, которые встраиваются в контур моста путем пайки. Известно, что каждая пайка внутри контура моста -потенциальный источник нестабильности и снижения надежности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является тензорезисторный датчик силы, содержащий упругий элемент параллелограммного типа с двумя жесткими опорами и монолитный мост тензорезисторов [2]. Датчики на основе топологически замкнутых монолитных мостов имеют более высокую надежность и долговременную стабильность, так как в них число паяных узлов сведено к минимуму и равно четырем, а в случае монолитных мостов с одним открытым углом - пяти. Более того, датчики с монолитными мостами имеют меньший (в 5…8 раз!) температурный дрейф нулевого сигнала, так как все четыре тензорезистора изготавливаются из малого по площади участка фольги и поэтому имеют равные ТКСы. А если мост тензорезисторов изготовить не из константана, а из нихромовой фольги, то и температурные изменения чувствительности будут снижены в 3…5 раз без использования специальных средств компенсации.

Однако датчикам с монолитными мостами, описанными в [2], также присущи некоторые недостатки.

Один из них заключается в том, что все четыре тензорезистора расположены топологически не компактно, а разнесены по площади упругого элемента, следовательно, воспринимаемые ими деформации хоть и незначительно, но различаются, при этом увеличивается нелинейность преобразования, что снижает точность измерений.

Другой недостаток обусловлен тем, что продольные оси тензорезисторов располагаются не вдоль продольной оси подложки и, соответственно, после наклейки моста их продольные оси также не совпадают с продольной осью балки, а располагаются на некотором расстоянии от нее, что снижает помехозащищенность датчика от паразитных изгибающих и крутящих моментов на силовом входе датчика.

Цель изобретения - повышение точности и помехозащищенности датчика. Поставленные цели достигаются тем, что монолитный мост тензорезисторов выполнен в новой топологии: тензорезисторы с четными и нечетными номерами расположены один в другом симметрично продольной оси подложки так, что решетка одного тензорезистора расположена внутри решетки другого и параллельна ей, при этом крайняя нить второго тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью третьего тензорезистора, вторая крайняя нить третьего тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью четвертого тензорезистора, вторая крайняя нить четвертого тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью первого тензорезистора, при этом в центре общих шин и на концах шин крайних нитей от второго и первого тензорезисторов расположены контактные площадки и для общих шин они выполнены в виде двух областей, соединенных перемычками и расположенных симметрично относительно поперечной оси изолирующей подложки, а для второго и первого тензорезисторов они расположены слева и справа относительно этой оси. Еще одна цель достигается тем, что благодаря новой топологии моста появляется возможность использования его пар четных и нечетных тензорезисторов дискретно, путем разделения моста на две части по линии, проходящей через середины перемычек и совпадающей с поперечной осью подложки, для создания датчиков практически с любой формой упругих элементов.

На фиг. 1 показана конструкция тензорезисторного датчика силы с упругим элементом параллелограммного типа (вид спереди). Здесь: 1 - две рабочие балки упругого элемента, 2 - его две жесткие опоры, F - приложенное к упругому элементу измеряемое усилие.

На фиг. 2 - этот же датчик (вид сверху). Здесь: R2 и R4 - тензорезисторы, расположенные один в другом, воспринимающие деформацию сжатия (для данного направления силы), R1 и R3 - тензорезисторы, расположенные также один в другом, воспринимающие деформацию растяжения. O-O продольная ось матрицы монолитного моста, совпадающая с продольной осью балки, О-О' поперечная ось матрицы монолитного моста: по ней, в случае необходимости, производится разрез матрицы на две части. F - измеряемое усилие.

На фиг. 3 изображена топология предлагаемого монолитного моста тензорезисторов и линия пунктиром - его разрез О-О' на две пары тензорезисторов с четными и нечетными номерами. Здесь: 3, 4, 5 - общие шины, 6, 7 - шины от второго и первого тензорезисторов; контактные площадки общих шин соединены перемычками 8, контактные площадки второго и первого тензорезисторов 9, 10 соответственно.

На фиг. 4 - принципиальная электрическая схема датчика, здесь: R1 R3 и R2 R4-тензорезисторы, расположенные в противоположных плечах моста; 3-4 диагональ питания, 5-11 диагональ измерения выходного сигнала. Датчик работает следующим образом: при подаче электрического напряжения постоянного тока на его входную диагональ 3-4 и нагружении датчика силой F на его выходной диагонали 5-11 формируется выходной сигнал, пропорциональный измеряемой силе. Предлагаемая новая топология монолитного моста после его закрепления на упругом элементе позволяет повысить точность и помехозащищенность датчика за счет особого расположения тензорезисторов на подложке: продольные оси тензорезисторов совпадают с продольной осью балки и для восприятия одинаковых уровней деформации тензорезисторы расположены компактно-попарно один в другом.

Предложенный монолитный мост также можно использовать для любых упругих элементов дискретно, предварительно разделив его на две части: (R1, R3) и (R2, R4).

Источники информации

1. Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под редакцией Е.П. Осадчего, М., Машиностроение, 1979 г., с. 247-274.

2. Авт. свидетельство СССР №1198398, М. Кл G01L 1/22, 1985, БИ №46.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания параллелограммных и датчиков других типов. Упругий элемент выполнен в виде параллелограмма с монолитным мостом с одним открытым углом в новой топологии: тензорезисторы с четными и нечетными номерами расположены один в другом так, что решетки одного расположены внутри решетки другого и параллельны ей. При подаче напряжения питания на его вход и нагружении силой на выходной диагонали формируется выходной сигнал, пропорциональный измеряемой силе. Технический результат заключается в повышении точности измерения и помехозащищенности датчика. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Тензорезисторный датчик силы, содержащий параллелограммный упругий элемент, монолитный мост тензорезисторов на изолирующей подложке, отличающийся тем, что структура монолитного моста выполнена в новой топологии: тензорезисторы с четными и нечетными номерами расположены один в другом симметрично продольной оси подложки так, что решетка одного тензорезистора расположена внутри решетки другого и параллельна ей, при этом крайняя нить второго тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью третьего тензорезистора, вторая крайняя нить третьего тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью четвертого тензорезистора, вторая крайняя нить четвертого тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью первого тензорезистора, при этом в центре общих шин и на концах шин крайних нитей от второго и первого тензорезисторов расположены контактные площадки и для общих шин они выполнены в виде двух областей, соединенных перемычками и расположенных симметрично относительно поперечной оси изолирующей подложки, а для второго и первого тензорезисторов они расположены слева и справа относительно этой оси.

2. Тензорезисторный датчик силы по п. 1, отличающийся тем, что при создании датчиков с любой формой упругих элементов также возможно применение монолитного моста в новой топологии путем использования отдельно пар четных и нечетных тензорезисторов благодаря возможности разделения моста по линии, проходящей через середины перемычек и совпадающей с поперечной осью подложки.