ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 2024 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике и конкретно к тензорезисторным датчикам для измерения сил и давлений. Известен тензорезисторный датчик силы (ТДС), содержащий упругий элемент в форме полого цилиндра и мост фольговых тензорезисторов (TP) [1]. К недостатку такого датчика можно отнести отсутствие регулировочных резисторов для компенсации погрешностей. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является ТДС, содержащий монолитный мост тензорезисторов (ММТ) и регулировочные резисторы в монолитном исполнении из одного листа фольги, описанный в [2]. Его недостатком является невозможность использования данной топологии ММТ для датчиков силы с упругими элементами других форм и для датчиков давления. Целями предлагаемого изобретения являются: расширение сфер применения предлагаемой ММТ за счет ее новой топологии, что позволит ее использовать не только в ТДС разных типов, но и в датчиках давления, более того, предложена удобная схема для регулировки номиналов сопротивлений для всех типов регулировочных резисторов, также предложена универсальная и простая техника тонкой настройки резисторов в требуемый номинал, а использование в контактных площадках, в зонах подпайки выводов, слоя серебра позволит снизить уровни контактных переходных сопротивлений, что повысит надежность и долговременную стабильность измерений. Цели достигаются тем, что у регулировочных резисторов секции представляют разные по конфигурации и величине сопротивления нитей наборы параллельно и с одинаковым шагом расположенных нитей с одинаковыми номиналами сопротивлений в каждом наборе, от секций сформированы токоотводы из фольги, оканчивающиеся контактными площадками; настройку регулировочных резисторов в требуемый номинал производят после проведения силовых и температурных испытаний при питании датчика напряжением постоянного тока и нагружении номинальной силой и последующего расчетного определения номинала для каждого регулировочного резистора; настройку параметров датчика производят в следующем порядке: для резисторов предварительно определяют плечи врезки и режут шину вводимого резистора, и, чтобы у всех резисторов сформировать, со знаком минус, сопротивления близкие к расчетным значениям, в каждом наборе секций резисторов последовательно, зная цену реза одной нити, производят необходимое число резов, после чего проверкой уточняют необходимость дополнительных резов и, если нужно, производят их.

Цели достигаются также тем, что окончательную настройку требуемых величин сопротивлений для всех регулировочных резисторов осуществляют с помощью шлифмашинки путем щадящей, тонкой шлифовки оставшихся целыми нитей, используя для этого боры с алмазной крошкой с наименьшим номером зерна, а также тем, что на всех контактных площадках регулировочных резисторов сформированы места подпайки выводов, ограниченные площадью круга, на который нанесена пленка из серебра.

Описание и техническая сущность изобретения сводится к следующему: при воздействии на датчик измеряемого параметра на выходной диагонали моста формируется выходной ненормированный сигнал, в котором будут температурные погрешности, датчик не будет взаимозаменяемым, что необходимо по требованиям ГОСТа.

Поэтому 4-е параметра датчика должны быть скорректированы и это производится с помощью 6-и регулировочных резисторов, которые выпускаются в дискретном исполнении. Использование регулировочных резисторов в монолитном исполнении и в новой топологии позволяет достаточно просто формировать у регулировочных резисторов требуемые, близкие к расчетным величины сопротивлений, что делает датчик точным, взаимозаменяемым и соответствующим ГОСТу.

На Фиг. 1 показан внешний вид и продольный разрез ТДС столбикового типа с ММТ и регулировочными резисторами в монолитном исполнении на единой подложке.

На Фиг. 2 - электрическая схема датчика.

На Фиг. 3 - топологический рисунок ММТ и 6-и регулировочных резисторов в исходном состоянии (без разрезов нитей резисторов), выполненных из одного листа константа но вой фольги, а резисторы R_t1, и R_t2 покрыты пленкой никеля, при этом TP попарно расположены во взаимно-перпендикулярных направлениях.

На Фиг. 4 - рисунок Rб и Rб' у Rб сделаны резы на шине и трех нитках.

На Фиг. 5 - рисунок R_t1 и у Rт' сделаны резы на шине и двух нитках.

На Фиг. 6 - рисунок Rb с резами на четырех нитках.

На Фиг. 7 - рисунок Rес cрезами на двух нитках.

Обозначения, принятые на рисунках: 1 - упругий элемент в форме столбика из полого с одной стороны цилиндра, снабженного основанием; 2 - ММТ с регулировочными резисторами (здесь их было трудно расположить и они хорошо видны на Фиг. 3); 3 - защитный кожух в виде сильфона, который пайкой закреплен на УЭ; 4 - электрический разъем; 5 - крышка для герметизации внутреннего канала цилиндра; 6 - R₁, R₂, R₃, R₄ - тензорезисторы; 7 - резисторы Rб (Rб') для регулировки нулевого сигнала; резисторы для компенсации температурного дрейфа «нуля»; 9 - резистор Rт2. для компенсации температурных изменений чувствительности;

10 - резистор Rв для нормирования выходного сигнала;

11 - нити регулировочных резисторов; 12 - контактные площадки с областями для подпайки выводов, ограниченные площадью круга, на который нанесена пленка серебра; 13 - места резов шины у вводимого резистора; (1-3) - клеммы для подачи на мост напряжения питания; (2-4) - клеммы для съема выходного сигнала; Р - измеряемая сила. Работа датчика сводится к следующему: при его нагружении измеряемой силой сжатия Р, упругий элемент и четыре TP деформируются - два, расположенных вдоль оси УЭ, сжимаются (-), два других, расположенных поперек, растягиваются (+). При подаче на мост напряжения питания, на его выходной диагонали формируется выходной сигнал пропорциональный измеряемой силе. Для обеспечения у ТДС требуемых характеристик, в заводских условиях производится регулировка (нормирование) четырех его параметров в такой последовательности: Rт→Rб→Rт→Rв. Как показала практика, оптимальные номиналы сопротивления регулировочных резисторов расположены в диапазонах: R_Т1, - (2…15) Ом; Rб (Rб') - (2…15)Ом; Rт2 - (2…50) Ом; Rb - (5…100) Ом.

Регулировка температурного дрейфа «нуля» и 3-х других параметров производится после расчетного определения требуемых номиналов для регулировок, а расчеты производятся на основе результатов, полученных на контрольных и температурных испытаниях ТДС. Полученный результат для Rт1(Rт'1) следует вводить в одно или другое, смежное с ним, плечо моста. Для этого следует поочередно (например, пинцетом) накоротко замкнуть контактные площадки у этих резисторов и вводить резистор следует в то плечо, в котором изменение величины разбаланса по направлению совпадает с направлением температурного дрейфа «нуля». Перед резкой нитей следует перерезать шунтирующую шину резистора. Для получения требуемого номинала, близкого (со знаком минус) к расчетному, у вводимого в схему моста регулировочного резистора необходимо произвести резы определенного числа его нитей. Резы каждой из нитей производятся по центру, в двух местах, на расстоянии 1 мм и отрезанные части линий необходимо удалить с помощью пинцета. Точное достижение номинала производится путем тонкой, щадящей шлифовки целых нитей с помощью шлифмашинки с алмазным бором.

Балансировку моста производят аналогичным образом. После вычисления сопротивления резистора, плечо ввода Rб (Rб') в мостовую схему определяют следующим образом: поочередно замыкают контактные площадки у этих резисторов и вводят резистор в то плечо, в котором при замыкании площадок величина разбаланса будет увеличиваться без изменения его знака. Перед резкой нитей следует разрезать шунтирующую шину вводимого резистора. Тонкую регулировку резистора производят тем же способом. Компенсацию температурных изменений чувствительности и регулировку выходного сигнала производят аналогичным образом: вычисляют величины Rт2 и Rв, их сумма и будет определять номинальную величину выходного сигнала при нормальной температуре. Врезают необходимое количество нитей у резистора Rт2, тонкую регулировку номинала производят с помощью бормашинки. Аналогичные операции производят и с резистором Rb при его введении в диагональ питания моста. Ниже приведена таблица зависимостей номиналов регулировочных резисторов от количества нитей и величины сопротивления одной нити.

Используя таблицу, можно определять номиналы сопротивлений, вводимых в схему моста регулировочных резисторов. Если во всех резисторах, как показано на Фиг. 4,5,6,7, имеется по пять параллельно расположенных нитей одного номинала и часть линий разрезана, тогда:

номинал резистора R6 на Фиг. 4 составляет 7,5 Ом (две нити);

Преимущества предлагаемого датчика состоят в следующем:

-- упрощается техника и повышается точность настройки всех параметров;

-- предлагаемая топология ММТ может быть использована также в датчиках давления с упругими элементами в форме полого цилиндра;

-- использование пленки серебра в местах подпайки выводов позволяет повысить долговременную стабильность и надежность датчиков.

Источники информации, принятые при экспертизе:

1. Авт. свидетельство СССР №473913 М. Кл. G01L 1/22, БИ №22, 1975.

2. Патент России №2807002 МПК G01L 1/22, БИ №31, 2023.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для создания тензорезисторных датчиков силы (ТДС) с упругими элементами (УЭ) в форме столбиков из полых и сплошных цилиндров с разными профилями поперечного сечения. Тензорезисторный датчик силы (ТДС), содержащий упругий элемент, монолитный мост фольговых тензорезисторов и монолитно с ним связанные наборы секций регулировочных резисторов: резисторы Rб, Rб₁' для регулировки нулевого сигнала, резисторы Rт1, Rт1, Rт₁' для компенсации температурного дрейфа «нуля», резистор Rт2 для компенсации температурных изменений чувствительности и резистор Rв для нормирования выходного сигнала, отличающийся тем, что секции регулировочных резисторов Rт1, Rт₁' и Rб, Rтб' расположены поперек оси упругого элемента, а секции регулировочных резисторов Rт2, Rв - вдоль оси упругого элемента, при этом разные по конфигурации секции резисторов имеют разные по величине сопротивления нитей наборы, в каждом из которых нити расположены параллельно с одинаковым шагом и имеют одинаковый номинал сопротивлений, а от секций сформированы токоотводы из фольги, оканчивающиеся контактными площадками, на которых сформированы места подпайки выводов, ограниченные площадью круга, на который нанесена пленка из серебра. Технический результат - упрощение техники и повышение точности настройки всех параметров, возможность использования предлагаемой топологии ММТ в датчиках давления с упругими элементами в форме полого цилиндра, повышение долговременной стабильности и надежности датчиков. 7 ил., 1 табл.

Тензорезисторный датчик силы (ТДС), содержащий упругий элемент, монолитный мост фольговых тензорезисторов и монолитно с ним связанные наборы секций регулировочных резисторов: резисторы Rб, Rб' для регулировки нулевого сигнала, резисторы Rт₁, Rт₁' для компенсации температурного дрейфа «нуля», резистор Rт₂ для компенсации температурных изменений чувствительности и резистор Rв для нормирования выходного сигнала, отличающийся тем, что секции регулировочных резисторов Rт₁, Rт₁' и Rб, Rб' расположены поперек оси упругого элемента, а секции регулировочных резисторов Rт₂, Rв - вдоль оси упругого элемента, при этом разные по конфигурации секции резисторов имеют разные по величине сопротивления нитей наборы, в каждом из которых нити расположены параллельно с одинаковым шагом и имеют одинаковый номинал сопротивлений, а от секций сформированы токоотводы из фольги, оканчивающиеся контактными площадками, на которых сформированы места подпайки выводов, ограниченные площадью круга, на который нанесена пленка из серебра.