Ёмкостный датчик деформации
CAPACITANCE STRAIN GAUGE

Область применения
Датчик относится к области измерительной техники, средствам для измерения деформации материалов. Датчик позволяет количественно определять деформацию растяжения-сжатия исследуемого объекта по изменению величины электрической емкости чувствительного элемента, изготовленного из оксидированного алюминия. Датчик может найти применение в промышленности для контроля упругих деформаций.
Уровень техники
Широко известны емкостные датчики с воздушным или вакуумным зазором переменной толщины. Известен емкостный датчик для измерения механической силы [1]. Датчик содержит деформируемый блок-корпус с отверстием, в котором размещены подвижный и неподвижный электроды. Под воздействием веса измеряемой массы, наложенного на грузоприемную платформу, происходит изгиб верхнего и нижнего упругих элементов, смещение вниз жесткого бокового основания и боковой стенки отверстия с закрепленной на ней изолированной вставкой и подвижным электродом относительно противоположной стенки отверстия с закрепленной на ней изолированной вставкой с неподвижным электродом. Это приводит к изменению воздушного зазора и, следовательно, электрической емкости между двумя электродами пропорционально измеряемой силе. Данный датчик и способ измерения могут быть потенциально использованы и для измерения деформаций растяжения-сжатия исследуемого объекта. Недостатком данного датчика является низкая чувствительность при прямом измерении деформации (ввиду малости самой деформации в большинстве случаев), малой величине начальной емкости вследствие использования воздушного зазора в качестве диэлектрической прослойки.
Известен [2] поверхностный микромеханический датчик абсолютного давления. Датчик содержит, по меньшей мере, один фиксированный электрод и, по меньшей мере, один подвижный электрод, электрически изолированный и пространственно отделенный от указанного электрода. Часть подвижного электрода сформирована из пористого слоя поликристаллического кремния, причем указанный слой в полностью собранном компоненте остается в качестве интегральной части указанного гибкого электрода. Полость датчика находится под низким вакуумом, образуя изменяющийся низковакуумный объем чувствительного элемента датчика, пространственно отделяющий гибкий подвижный электрод от фиксированного электрода. Недостатки данного датчика состоят в низкой чувствительности при прямом измерении деформации, малой величине начальной емкости вследствие использования вакуумного зазора в качестве диэлектрической прослойки.
Известны датчики, использующие твердотельные диэлектрические прослойки вместо газовых (воздушных) [3-4], что позволяет, в частности, увеличить диэлектрическую проницаемость и, соответственно, начальную емкость системы.
В патенте [3] описан датчик деформации, содержащий подвижную изоляционную прокладку, приклеенную на одном из участков к исследуемому объекту и имеющую на другом участке напыленный токопроводящий слой. При деформации исследуемого элемента приводится в движение сечение прокладки и линия склейки, что приводит к изменению площади перекрытия обкладок и изменению величины электрической емкости. Недостатком данного датчика является низкая чувствительность ввиду малых значений абсолютных деформаций и, как следствие, изменений электрической емкости.
Наиболее близким аналогом из известных технических решений, принятым за прототип, является датчик давления на основе слоев трех диэлектрических пленок, собранных в пакет [4]. Первая диэлектрическая пленка содержит основной экран, вторая диэлектрическая пленка содержит нижние обкладки с выводами и экран, обе пленки выполнены из твердого полиимида, на верхней поверхности третьей диэлектрической пленки сформирована ответная обкладка с выводом и экраном. Третья диэлектрическая пленка изготовлена из мягкого диэлектрика, поэтому при изменении давления на Δр изменяется расстояние между обкладками. В результате деформации третьего мягкого диэлектрика изменяется начальная емкость С, приращение емкости ΔС и относительное изменение емкости ΔС/С. Недостатком данного датчика является невысокая относительная чувствительность при детектировании деформаций , где ε - относительная деформация мягкого диэлектрика. В пределе малых деформаций ε, когда изменение расстояния между обкладками намного меньше самого этого расстояния, относительная чувствительность составляет  и не превосходит этого значения [5].
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является измерение деформаций растяжения-сжатия контролируемых объектов: деталей машин и механизмов, станков, строительных конструкций и др.
Технический результат в предлагаемом устройстве заключается в увеличении относительной чувствительности к детектированию деформации.
Технический результат достигается тем, что емкостный датчик деформации содержит чувствительный элемент, имеющий электрическую емкость, величина которой изменяется при приложении деформации, отличающийся тем, что датчик содержит: чувствительный элемент, закрепленный на монтажной пластине; металлическую ленту, зафиксированную на концах на монтажной пластине таким образом, чтобы чувствительный элемент располагался под металлической лентой; опору, размещенную между чувствительным элементом и металлической лентой, при этом чувствительный элемент выполнен в виде свернутых в несколько слоев на жесткой вставке листов алюминия, причем между свернутыми листами из алюминия имеется слой из оксида алюминия.
Описание чертежей
На фиг.1 представлена схема предлагаемого емкостного датчика.
На фиг.2 показана зависимость емкости изготовленного датчика с базой 108 мм от приложенной деформации растяжения-сжатия.
На фиг.3 показаны зависимость выходного сигнала датчика с базой 170 мм от циклически приложенной нагрузки - приведены сигналы ненагруженного датчика и сигнал при приложенной деформации 172 мкм/м.
Осуществление изобретения
Датчик состоит из следующих элементов, показанных на чертеже (Фиг. 1). Чувствительного элемента 2 в виде листового материала (пластин, фольги и т.п.) из оксидированного алюминия, расположенного на поверхности измеряемого объекта или монтажной пластины 1. В случае использования последней, элементы датчика располагаются на ней, а сама монтажная пластина крепится на исследуемый объект с помощью болтов, сварки или любым иным способом. Для увеличения величины начальной емкости и ее изменения обкладки конденсатора (чувствительного элемента) выполнены в виде протяженных пластин из оксидированной фольги и свернуты в пакет в несколько слоев на твердой недеформируемой вставке. Механического элемента 3 в виде нерастяжимой ленты из металла или иного материала. Элемент 3 закреплен в точках 4 на исследуемом объекте с предварительным натяжением. Предварительное натяжение регулируется по начальной величине емкости чувствительного элемента и позволяет измерять деформации сжатия исследуемого объекта, когда сила прижатия обкладок конденсатора уменьшается. Жесткой опоры 5 между механическим и чувствительным элементами, с помощью которой регулируется угол силы натяжения механического элемента по отношению к объекту. Выводы 6 служат для подключения датчика к измерительной аппаратуре. Защитная крышка 7 служит для предохранения элементов датчика от механических и химических воздействий, а также от загрязнения.
Датчик работает следующим образом. При приложении деформации растяжения к объекту или монтажной пластине 1 точки крепления 4 механического элемента 3 расходятся, увеличивая натяжение последнего. Сила натяжения элемента 3 преобразуется в силу прижатия, действующую на обкладки чувствительного элемента 2. В результате межэлектродный диэлектрик испытывает деформацию сжатия, что приводит к увеличению емкости рассмотренного конденсатора. При возникновении деформации сжатия объекта, точки крепления 4 механического элемента 3 сходятся, уменьшая его натяжение, что в свою очередь уменьшает силу прижатия обкладок чувствительного элемента 2 и величину его емкости. Увеличение относительной чувствительности в рассматриваемом способе достигается вследствие преобразования деформации исследуемого объекта в деформацию упругого межэлектродного диэлектрика с помощью механического элемента (жесткой ленты). Значительное удаление друг от друга точек крепления механического элемента к исследуемому объекту (база датчика) позволяет увеличить абсолютную деформацию жесткой ленты и, соответственно, упругого диэлектрика чувствительного элемента.
2
Образец датчика был изготовлен следующим образом. В качестве обкладок использовались две полосы из алюминиевой фольги длиной около 10 см и шириной около 1 см. Предварительно обе полосы анодировались в 20%-м растворе серной кислоты при плотности тока 10 мА/см. Пластины сворачивались на жесткой вставке в многослойный пакет для получения большой начальной емкости (и, соответственно ее приращения под действием механической силы) и одновременного уменьшения занимаемой площади. Каждая обкладка имела электрический вывод, соединенный с небольшим участком неанодированного алюминия с помощью пайки. Полученный конденсатор размещался на поверхности измеряемого объекта, в качестве которого использовалась балка равного сопротивления [6]. Балка толщиной h=5 мм была изготовлена из стали Ст3 и имела длину L=300 мм и ширину в основании b=98 мм. По этим характеристикам и модулю Юнга материала можно определить деформацию балки под действием заданной силы на ее кончик [6]. Механический элемент выполнен в виде стальной ленты и жестко крепился к балке в двух точках, разнесенных на определенное расстояние (база датчика) вдоль ее оси. Для регулировки угла силы натяжения использовалась жесткая опора (Фиг. 1). Форма опоры позволяет минимизировать поверхность соприкосновения ленты (механического элемента) и опоры, устранить резкие перегибы ленты.
Испытания проводились путем нагружения балки с помощью винтового натяжного устройства. Сила, приложенная к балке, измерялась с помощью электронного динамометра. Приложение силы, совпадающей по направлению с силой тяжести, вызывало изгиб балки с деформацией растяжения поверхности, на которой смонтирован датчик. Испытания на сжатие проводились с использованием простого блока, расположенного над балкой, т.е. изгиб балки происходил в противоположном направлении.
На Фиг. 2 приведена зависимость величины емкости изготовленного датчика с базой 108 мм от приложенной деформации. Отрицательным деформациям на графике соответствует сжатие. Увеличение емкости при растяжении, т.е. когда точки крепления датчика расходятся, связано с уменьшением расстояния между обкладками, вызванном увеличением силы прижатия. При деформации сжатия имеет место обратная ситуация, если существует ненулевая начальная сила прижатия обкладок. Эта сила задается исходным натяжением ленты. Измерения проводились на частоте 100 кГц с разрешением по электрической емкости 1 пФ.
0
0
При начальной величине емкости С=3.115 нФ, изменение составило ~0.39 нФ при приложении деформации 172 мкм/м. Это дает величину относительной чувствительности , где ε=Δl/l - относительная линейная деформация балки. Гистерезис характеристики при этом не превышает 1.5% от полной шкалы. Дальнейшее увеличение деформации балки приводит к нелинейности кривой, наклон кривой при этом уменьшается. Увеличение чувствительности в рабочем диапазоне связано с преобразованием линейной деформации измеряемого объекта в деформацию сжатия электродов и межэлектродного диэлектрика. При разрешении 1 пФ оцененное разрешение по деформации составило ~ 5 мкм/м.
0
На Фиг. 3 приведена зависимость величин емкости датчика с базой 170 мм и начальной емкостью С=3.330 нФ в ненагруженном состоянии и при приложенной деформации 172 мкм/м в серии циклов нагрузка-разгрузка (n - номер цикла). Проводились 1000 циклов. Отклонение максимальной емкости от минимальной, взятых через 100 циклов, составили 0.006 нФ для нагруженного состояния и 0.019 нФ для ненагруженного, что составляет менее 1% от средних значений показаний. Данные значения могут быть рассмотрены в качестве показателя воспроизводимости. Ресурс датчика, очевидно, существенно превышает 1000 циклов.
Библиография
1. Патент РФ №2483283 «Емкостный силоизмерительный датчик», дата публикации 27.05.2013, заявка: 2011132156/28, 29.07.2011.
2. Патент РФ №2258914 «Датчик абсолютного давления с микрообработанной поверхностью и способ его изготовления», дата публикации 20.08.2005, заявка: 2003113320/28, 07.11.2001.
3. Авторское свидетельство СССР SU 462064 А1, год публикации: 1975, Номер заявки: 1875360.
4. Патент РФ №2589494 «Емкостной инерционный датчик давления, способ его сборки и способ измерения давления», дата публикации 10.07.2016, заявка: 2015108301/28, 11.03.2015.
5. Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова,. Е.С. Полищука. Москва: Техносфера, 2012. 624 с.
6. Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций: учебное пособие / В.П. Забродин, А.А. Серегин, М.В. Суханова, А.Б. Портаков. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2017. - 104 с.