Способ регулировки чувствительности к поперечным силам и изгибающим моментам тензорезисторного датчика силы Советский патент 1992 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения силы.

Известен способ уменьшения влияния поперечной составляющей силы на результаты измерения. При этом способе компенсация действия поперечной .силы осуществляется путем создания противодействующей силы, например, с помощью селектора, представляющего собой мембранные направляющие упругого элемента, которые соединены с жестким массивным корпусом.

Недостатком указанного способа является относительно низкая точность измерений, так как мембраны вследствие малой жесткости в направлении оси датчика не компенсируют изгибающий момент, который возникает при несовпадении вектора силы с осью датчика. Кроме того, такие датния различий в коэффициентах переда и полумостов. Изменение полярности питания одного из полумостов в начале и конце каждого цикла нагружения датчика позволяет измерить как разность Д |, так и сумму 5j сигналов полумостов. Выходные сигналы полумостов примерно одинаковы по значению, но противоположны по знаку, поэтому при их суммировании основной сигнал компенсируется. После усреднения сумм 5| компенсируется и синусоидальное изменение сигнала, вызванного непарал лельностью опорныл поверхностей. В результате сигнал дер определяется с высокой точностью. Измерение разности сигналов Дер необходимо для вычисления значения сопротивления регулировочного резистора. Учет полярности сигнала 5ср дает возможность выявить полумост с большей чувствительностью, в которой последовательно включается дополнительный резистор для выравнивания чувствительности полумостов.

Как известно, изменение выходного сигнала полумоста BCD при приложении нагрузки к датчику силы составит (сиг.фиг.1)

.&.uiaЈ6u,

где U - напряжение питания полумоста;.

: Ер - относительное изменение сопротивления тензорезисторов воспринимающих деформацию растяжения;

Јс - относительное изменение сопротивления тензорезисторов, воспринимаю- щих деформацию сжатия.

Введем следующие обозначения:

Д Дс - ДА изменение разности вы1 ходных сигналов полумостов BCD и BAD после приложения силы к датчику;

б Дс + ДА - изменение суммы этих сигналов.

Тогда

л - Д + 5 .11Ш U(eP+Јc) Д + б m Ас2- или - 42

Для равенства коэффициентов передачи полумостов необходимо выполнение условия (5 0.

Пусть в плечо ВС (см.фиг.2) добавлен резистор сопротивлением г. Тогда изменение выходного сигнала полумоста BCD после приложения нагрузки будет определяться выражением

(ЈЕр+Ер+ЈсУ(2+Ј)2.

Коэффициенты передачи полумостов будут равны,если

д. Дд д. -д (Д-д )/2 или

и(ЈЈр+Јр+Ес)/2 + Ј)

(2)

5После преобразования выражений 1 и 2

получим для деформации сжатия

Ее

-Г

ЕС

+ 21§0

(Ер+Ес)2

или, если эта деформация совпадает с поперечной деформацией упругого элемента, то

Гс - Гпп

-2R(T

f

JL

42-+2l3 -

(3)

.(1+/O При включении резистора в плечо CD

для деформации растяжения получаем

25

rp -2R(

ЕР +ЕС

-У 4 +2|-Јп f (Ер+Ес)23

5

0

5

0

5

0

или,если эта деформация совпадает с предельной (основной) деформацией упругого элемента, то

ГР ГПД - 2 R ( 1 +

.(4)

Г1

+ 21X0

(1+/О

В результате регулировки полумостов по коэффициенту передачи составляющие их выходных сигналов, обусловленные действием на датчик поперечной силы vi изгибающего момента, становятся одинаковы по величине и по знаку, поэтому при измерении разности выходных сигналов полумостов по основной схеме (см.фиг.1) происходит их полная взаимная компенсация.

Кроме того, полумосты одинаково реагируют на изменение линейных размеров упругого элемента от температуры, что снижает температурный дрейф нуля.

На фиг.1 схематически изображены тен- зорезисторы, собранные в мост Уитстона; на фиг.2 - мостовая схема, в плечо ВС которой введено дополнительное сопротивление г; на фиг.3 изображено устройство, реализующее предложенный способ балансировки мостовой схемы тензорезисторно- го датчика силы.

Устройство для осуществления способа регулировки мостовой схемы (см,фиг.3) включает тензорезисторы, которые закреплены на упругом элементе датчика силы и собранные в схему Уитстона 1. На мост подается питание от стабилизатора напряжения постоянного тока 2. На полумост BCD питание подается непосредственно от стабилизатора, а на полумост DAB - через ключ 3. С помощью ключа 3 производится изменение полярности питания полумоста. Измерение выходного сигнала (зажимы А и С) производится с помощью компаратора А. Датчик силы нагружается с помощью сило- задающей установки.

Предлагаемый способ осуществляется этим устройством следующим образом.

На первом этапе тензорезисторный датчик п раз нагружают известной силой Р и измеряют изменение суммы ( 6) и разности (Л| выходных сигналов его полумостов, составляющих мост 1.

В исходном положении ключа 3 тензорезисторы с одним типом деформации (растяжения .или сжатия) включены в противоположные плечи моста, при этом напряжение между точками А и С характеризует разность сигналов полумостов. Измерение разности сигналов с помощью компаратора 4 до (UACO) и после (UACH) нагружения датчика позволяет определить ее изменение Д UACH -UACO.

После изменения полярности питания полумоста DAB с помощью ключа 3 тензорезисторы с одним типом деформации (растяжения или сжатия) включаются в смежные плечи моста, что позволяет с помощью компаратора 4 измерить сумму сигналов полумостов. По измеренной сумме сигналов до (UAco4) и после (UACH) нагружения датчика определяют изменение сумм сигналов полумостов .6- идсьг- UACO

На втором этапе по формулам (3) и (4) определяют значение разбаланса полумостов по коэффициенту преобразования, проводят регулировку коэффициента преобразования тензорезисторов путем подключения к плечам моста дополнительных резисторов.

Пусть датчики силы работают на растяжение, тогда отношение между деформациями растяжения плеч АВ, CD и сжатия плеч AD, ВС равно коэффициентам Пуассона /г, соответственно отношение изменений сопротивлений плеч моста, работающих на растяжение (ер) и сжатие (ЕС), равно ЕС/ЕР /. Для стали коэффициент Пуассона равен / 0,3 и при Д 20 мВ получаем ер - 3.007 . ЕС - 0.923 .

Как показали исследования разбаланс полумоста имеет значение порядка 5ср 50 мкВ, Если дср 0, то выравнивание коэффициентов преобразования полумостов осуществляется путем увеличения сопротивления полумоста BCD.

Для приведенных выше данных вычислим изменение выходного сигнала полумоста BCD при нагружении датчика с мостом

без дополнительного сопротивления

диос - URp+ep) UR

DC 2R.+ R(Cp.+Јc) 2R ш МИ

изменение выходного сигнала полумо- ста с дополнительным сопротивлением в плече ВС

r«-2R(-T+/r +

JL

( (1+ -+2l4l)

2,54 Ом

диосUR(1+ep)

а U DC 2 R + rc + R ( Ко + Г, UR

гс +к(7:р +гс) 9,95мВ ,

2R +Гс

изменение выходного сигнала полумоста с дополнительным сопротивлением в плече С

35

(-ТТ7Г +

+/02

+

аО

0,78 Ом

45

™° 3№3№&- обоих случаях подключение дополнительного сопротивления уменьшает выходной сигнал полумоста BCD на 50 мкВ и коэффициенты преобразования полумостов выравниваются.

Если сумма 5Ср 0, то резисторы с теми же сопротивлениями должны быть

подключены соответственно в плечи AD или АВ. Распределение дополнительных сопротивлений между плечами полумоста производится с учетом требований к его начальной балансировке, т.е. достижения

0

5

рично по разные стороны от этой плоскости, после нагружения упругого элемента номинальной измеряемой силой измеряют разность выходных сигналов полумостов Д|, затем переключают полярность питания одного из полумостов и измеряют их сумму 5j, после проведения п циклов нагружения- разгружения рассчитывают усредненное значение сигналов Аср и 5 Ср , по поляркости сигнала дер определяют полумост с большей чувствительностью и выравнивают чувствительность полумостов, последовательно включая в его цепь резистор, сопротивление которого равно

гпд -2R(TT -минимального выходного сигнала при отсутствии воздействия на датчик.

После возвращения ключа 3 в исходное состояние датчик готов к измерениям.

Такая регулировка моста производится как при первичной, так и при последующих поверках датчика силы.

Таким образом, по сравнению с прототипом способ дает возможность повысить точность регулировки в 10-12 раз и во столько же раз снизить чувствительность датчиков к поперечным силам и изгибающим моментам. При этс.1 отпадает необходимость поэтапного подбора.регулировочных резисторов, их значения определяются расчетным путем, что снижает трудоемкость процесса регулировки и упрощает его.

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я

Способ регулировки чувствительности к поперечным силам и изгибающим моментам тензорезисторного датчика силы, заключающийся в одновременном нагружении упругого элемента стержневого типа поперечными силами, изгибающими моментами и номинальной измеряемой силой, измерении сигнала собранных по мостовой схеме тензорезисторов, повторении операций нагружения и разгружения после каждого поворота датчика вокруг своей оси на угол 360°/п, где п - число циклов нагру- жения-разгружёния, и последующей регулировке путем включения резисторов в мостовую схему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности датчика и эффективности регулировки, выбирают плоскость симметрии упругого элемента, проходящую через его продольную Ъсь, объединяют в два независимых полумоста тензорезисторы, расположенные симмет(О

-Г

1

О+/О2

+ 2 I

1

A CD

ср

при включении резистора в плечо с тензоре- зисторами, воспринимающими Продольную деформацию, и.

25

(т+/г

+ 2 I

)

Лср

30

5

при включении резистора в плечо с тензоре- зисторами, воспринимающими поперечную. деформацию,

где Аср - средняя разность выходных сигналов полумостов;

дер - средняя сумма выходных сигналов полумостов

р- коэффициент Пуассона:

R - сопротивление плеча полумоста.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть предназначено для измерения силы. Целью изобретения является повышение точности датчиков силы и эффективности их регулировки, Способ заключается в выборе плоскости симметрии упругого элемента датчика, проходящей через его продольную ось, объединении в два независимых полумоста тензорезисторов, расположённых симметрично по разные стороны от этой плоскости, нагружении упругого элемента номинальной измеряемой силой, измерении разности выходных сигналов полумостов, а после переключения полярности одного из них- их суммы, повторении операций нагружения, разгружения и измерения сигналов после каждого поворота датчика вокруг своей оси, усреднении полученных значений сигналов и определении полумоста с большей чувствительностью по полярности сигнала, после чего производится регулировка коэффициента передачи этого полумоста путем последовательного включения в его цепь резистора, сопротивление которого рассчитывается по математической формуле. 3 ил. СП С vj ГО 00 О 00 сл

Фиг.1

Фиг. 2

Фие.З