Тензометрическое устройство Российский патент 2025 года по МПК G01B7/16 G01L1/22 

Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения деформаций, усилий, давлений и других физических величин с помощью тензорезисторного датчика, преимущественно на месте их эксплуатации.

Известен тензометр для измерения поперечных деформаций образца (патент RU 2010151 C1, G01B5/30, G01B7/16, дата публ. 25.03.1991). Тензометр, навешиваемый в процессе испытания на образец, снабжен узлами измерения деформаций по ширине и толщине. Каждый узел состоит из двух опор с контактными губками, установленных с возможностью относительного поступательного перемещения и связанных между собой упругим элементом с размещенными на нем тензодатчиками. При установке тензометра на исследуемый образец узел измерения деформаций по толщине выдвигается из области, где размещается сечение образца, под действием пневмопривода. Тензометр снабжен также отжимным механизмом, выполненным в виде двух качающихся коромысел, с помощью которых осуществляется отвод от образца опор узла измерения деформаций по ширине.

Недостатком данного образца является необходимость использования пневмопривода для перемещения контактных губок и невозможность одновременно измерить деформацию на всей площади и иметь возможность измерения в точечном месте.

Известно устройство для измерения деформаций (патент RU 2688849 C1, G01B7/16, дата публ. 22.05.2019).

Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит гибкую подложку из тензочувствительного материала, верхнюю гибкую диэлектрическую подложку, выводные проводники, соединенные с контактными площадками, на верхней гибкой диэлектрической подложке рядами равномерно расположены контактные площадки, электрически соединенные с нижней подложкой игольчатыми контактами, проходящими через слой электроизоляции, расположенный между подложками, при этом выводные проводники расположены на наружной поверхности верхней подложки.

Недостатком данного устройства является необходимость приклеивать чувствительный элемент к исследуемому объекту и сложная конструкция чувствительного элемента.

Наиболее близким аналогом патентуемого решения является устройство для измерения динамических деформаций (патент RU 2536329 C1, G01B7/16, дата публ. 20.12.2014). Устройство содержит измерительные тензорезисторы, опорные резисторы, усилитель, электронно-вычислительную машину с программным обеспечением, источник постоянного напряжения, эталонный резистор, коммутатор, блок управления, аналоговую программируемую многофункциональную плату с программным обеспечением, подключенную к ЭВМ. Программируемая плата может быть подключена к ЭВМ интерфейсом USB или путем установки в слот расширения PCI или PCIExpress, а устройство может быть снабжено устройством сопряжения, при этом подключение источника питания к первому аналоговому входу платы, второго вывода усилителя к аналоговому выходу платы, входа блока управления к цифровому выходу платы, выхода усилителя к аналоговому входу платы производится через соответствующие входы и выходы устройства сопряжения, связанного интерфейсом с совместимым разъемом указанной платы.

Недостатками данного устройства являются: значительно повышенное количество элементов в виде тензорезисторов, источника питания, малое количество точек измерения.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении уровня информативности измерений, а именно получение представления о распределении относительной деформации (поле деформации) на значительной площади поверхности нагруженного объекта, а также измерение деформации в любой точке и по любой линии объекта испытаний.

Технический результат достигается тем, что тензометрическое устройство содержащее эталонный резистор, коммутатор, усилитель, электронно-вычислительную машину ЭВМ с программным обеспечением, снабжено тензорезистивным датчиком, программируемой многофункциональной платой управления ПМПУ с программным обеспечением, подключенной к ЭВМ, при этом напрямую использующие питание от ЭВМ, выходы тензорезистивного датчика соединены с входом коммутатора, первый выход коммутатора соединен с эталонным резистором и входом для управления подачи сигналов, а второй выход коммутатора подключен к входам ПМПУ, выход усилителя подключен к аналоговому входу ПМПУ тензорезистивный датчик, представляющий собой тензорезистивную матрицу, состоит из гибких чередующихся проводящих слоев взаимно перпендикулярных шин, контактирующих с расположенным между ними слоем гибкого тензорезистивного полимера; программируемая многофункциональная плата управления подключена к ЭВМ через интерфейс USB за счет наличия на ПМПУ преобразователя интерфейса UART-USB.

Сущность тензометрического устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема устройства для измерения динамических деформаций с ПМПУ, подключенной к ЭВМ интерфейсом USB.

На фиг. 2 изображена схема тензорезистивного датчика.

Заявляемое устройство содержит тензорезистивный датчик 1. Коммутатор 2, эталонный резистор 3, усилитель 4, программируемую многофункциональную плату управления (ПМПУ) 5 с программным обеспечением, преобразователь интерфейса UART-USB 6, интерфейс USB 7, электронно-вычислительную машину (ЭВМ) 8, гибкие проводящие слои шины 9 и гибкие проводящие слои шины 11, слой тензорезистивного полимера 10. Тензорезистивный датчик 1представляет собой тензорезистивную матрицу, состоящую из гибких чередующихся слоев проводящих взаимно перпендикулярных шин 9 и 11, контактирующих с расположенным между ними слоем гибкого тензорезистивного полимера 10.

Выводы X₁-X_n гибкой проводящей шины 9 и Y₁-Y_m гибкой проводящей шины 11 тензорезистивного датчика 1 подключены к входу коммутатора 2.

Первые выводы коммутатора 2 соединены через узел с эталонным резистором 3 и усилителем 4. Выход усилителя 4 для регистрации сигнала подключен к аналоговому входу A5 ПМПУ 5, подключенной к ЭВМ 8 через преобразователь интерфейса UART-USB 6, в частности, интерфейсом USB 7. Вторые выводы коммутатора 2 соединены с ПМПУ 5 через аналоговые порты A10-B12 и B8-A11 ПМПУ 5.

Аналоговые порты A2 и A3 ПМПУ 5 соединены с преобразователем UART-USB 6. Подключение ПМПУ 5 с ЭВМ 8 через преобразователь UART-USB 6 и интерфейс USB 7 обеспечивает плату необходимым питанием в+5 В, а также передачей данных на ЭВМ 8.

Программируемая многофункциональная плата управления 5 работает с частотой 72 МГц в диапазоне -0.3 до +5.5 В.

Заявляемое тензометрическое устройство работает следующим образом.

Тензорезистивный датчик 1 закрепляется на поверхности объекта (не показано). При приложении нагрузки к гибкому проводящему слою шины 9 сначала происходит изменение сопротивления тензорезистивного полимера 10, расположенного между гибкими проводящими слоями шины 9 и шины 11. Это изменение может быть зафиксировано и интерпретировано как наличие сигналов на различных электродах.

В процессе работы заявляемого устройства программное обеспечение ЭВМ 8 и ПМПУ 5 обеспечивает начальный контроль состояния выводов тензорезистивного датчика 1 с учетом сопротивления линии, осуществляет определение очередности каналов и перевод зарегистрированных сигналов в величину деформации.

Коммутатор 2, управляемый ЭВМ 8 и ПМПУ 5 при помощи установленного программного обеспечения, последовательно переключает каналы X₁-X_n и Y₁-Y_m с эталонным резистором 3, при этом напряжение снимается с узла, усиливается и подается через ПМПУ 5 на ЭВМ 8. На ЭВМ 8, при помощи программного обеспечения, производят последовательное сравнение подключенного канала X₁-X_n тензорезистивного датчика 1 c каналами Y₁-Y_m, соединенные с ПМПУ 5, тем самым образуя поле точек измерения. Напряжение смещения усилителя 4 регулируется ПМПУ 5 за счет программного обеспечения, что повышает точность измерений. Полученное напряжение на аналоговом входе A5 ПМПУ 5 пропорционально изменению сопротивления вывод тензорезистивного датчика 1, рассматриваемого в данный момент. Нумерацию каналов и учет потерь, обусловленных сопротивлением проводов, осуществляют с помощью эталонного резистора 3, используемого в качестве метки, что повышает точность измерений.

Данный тензорезистивный датчик размерностью XxY позволяет получать массив данных о деформации датчика в nxm точках. Выходы тензорезистивного датчика 1 соединяются с входом коммутатора 2, представляющие собой P-канальные MOSFET транзисторы. Первый выход коммутатора 2 соединен с входом усилителя 4, для управления подачи сигналов, а второй выход коммутатора 2 подключен к цифровым входам ПМПУ 5. Выход усилителя 4 подключен к аналоговому входу ПМПУ 5.

В заявляемом изобретении ПМПУ 5 может быть подключена к ЭВМ 8 через интерфейс USB 7 за счет наличия на ПМПУ 5 преобразователя интерфейса UART-USB 6. При подключении ПМПУ 5 напрямую к ЭВМ 8 через интерфейс USB 7 производится подвод питания в+5 В, который преобразуется в ±15 В, что позволяет запитывать все необходимые для работы элементы платы управления.

Использование ПМПУ 5 позволяет существенно упростить схему устройства за счет использования измерительных и управляющих каналов, погрешность которых определяется погрешностью ПМПУ 5.

Снабжение устройства программируемой многофункциональной платой управления с программным обеспечением обеспечивает широкий диапазон измеряемых величин на высоких частотах, а также использование ЭВМ с программным обеспечением позволяет вести измерение не только в динамическом, но и в квазистатическом режимах.

Синхронизация всех элементов измерительной схемы за счет использования ПМПУ позволяет производить регистрацию сигналов с тензорезистивной матрицы с высокой точностью по временным параметрам.

Соединение тензорезистивной матрицы с входом коммутатора, представляющие собой P-канальные MOSFET транзисторы. Первый выход коммутатора соединен с входом усилителя, для управления подачи сигналов, для второй выход коммутатора подключен к цифровым входам ПМПУ 5. Выход усилителя подключен к аналоговому входу ПМПУ 5. Последующее подключение по данной схеме ПМПУ к ЭВМ позволяет осуществлять параллельный опрос измерительной части тензорезистивной матрицы, тем самым упрощая схему и снижая стоимость устройства.

Снабжение заявляемого устройства эталонным резистором обеспечивает устройство меткой для определения нумерации каналов и используется для учета потерь, обусловленных сопротивлением линии, что повышает точность измерений.

Отсутствие внешнего источника питания и подключение питания напрямую к ПМПУ через интерфейс USB позволяет значительно сократить стоимость устройства и упростить схему.

В состав заявляемого изобретения входит операционный усилитель, который повышает чувствительность, смещение усилителя регулируется за счет ПМПУ, что повышает точность измерений.

Таким образом, обеспечивается достижение технического результата: повышение уровня информативности измерений, а именно получение представления о распределении относительной деформации (поле деформации) на значительной площади поверхности нагруженного объекта, а также измерение деформации в любой точке и по любой линии объекта испытаний.

Изобретение относится к измерительной технике. Тензометрическое устройство содержит тензорезисторный датчик, эталонный резистор, коммутатор, операционный усилитель, программируемую многофункциональную плату управления (ПМПУ) с программным обеспечением. Тензорезистивный датчик состоит из гибких чередующихся слоев проводящих взаимно перпендикулярных шин, контактирующих с расположенным между ними слоем гибкого тензорезистивного полимера. Данный тензорезистивный датчик размерностью X на Y позволяет получать массив данных о деформации датчика в n на m точках. Технический результат: повышение уровня информативности измерений, а именно получение представления о распределении относительной деформации (поле деформации) на значительной площади поверхности нагруженного объекта, а также измерение деформации в любой точке и по любой линии объекта испытаний. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тензометрическое устройство, содержащее эталонный резистор, коммутатор, усилитель, электронно-вычислительную машину ЭВМ с программным обеспечением, отличающееся тем, что снабжено тензорезистивным датчиком, программируемой многофункциональной платой управления ПМПУ с программным обеспечением, подключенной к ЭВМ, при этом напрямую использующие питание от ЭВМ, выходы тензорезистивного датчика соединены с входом коммутатора, первый выход коммутатора соединен с эталонным резистором и входом для управления подачи сигналов, а второй выход коммутатора подключен к входам ПМПУ, выход усилителя подключен к аналоговому входу ПМПУ.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тензорезистивный датчик, представляющий собой тензорезистивную матрицу, состоит из гибких чередующихся проводящих слоев взаимно перпендикулярных шин, контактирующих с расположенным между ними слоем гибкого тензорезистивного полимера.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что программируемая многофункциональная плата управления ПМПУ подключена к ЭВМ через интерфейс USB за счет наличия на ПМПУ преобразователя интерфейса UART-USB.