ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ
STRAIN GAUGE FORCE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам для измерения веса и силы.
Известен тензорезисторный датчик с двумя полыми цилиндрами [1], на внутреннюю поверхность одного из них наклеены тензорезисторы. Датчик снабжен мембраной, но и она слабо защищает упругий элемент от неизмеряемых силовых факторов. Более близким к заявляемому техническому решению является цилиндрический столбик с внутренней наклейкой моста тенорезисторов [2]. Он имеет лучшую линейность, но также не защищен от влияния поперечных сил и эксцентриситета приложения нагрузки.
Целями изобретения являются: повышение помехозащищенности, точности и долговременной стабильности благодаря снижению случайной составляющей погрешности от эксцентриситета нагрузки и небольших изгибающих моментов, вызванных поперечными силами.
Цели достигаются тем, что мост тензорезисторов изготавливается из фольги в дискретно-распределенном исполнении в виде четырех тензорезисторов, расположенных на подложке. При этом мост состоит из двух цепочек поперечно расположенных дискретных резисторов и двух цепочек продольно расположенных резисторов. Каждый из четырех тензорезисторов представляет непрерывную вытянутую в продольном направлении цепочку, при этом продольные и поперечные цепочки поочередно чередуются между собой и объединены в единую конструкцию с помощью четырех контактных площадок, расположенных на краях цепочек.
Такая конструкция мостовой схемы позволяет создавать, при соответствующей корректировке сечения полого цилиндра, датчики на номинальные усилия от 2 до 50 тс. Длина таких структур может меняться в небольших пределах, что позволяет их наклеивать на внутренние диаметры 20…40 мм, при этом длина структур должна совпадать с внутренними диаметрами цилиндров и определяться по формуле L=π⋅D, где D внутренний диаметр цилиндра. Например, если внутренний диаметр равен 30 мм, а сопротивление плеча моста должно быть 400 Ом, то длина одного плеча моста, каждое из которых будет состоять из 10 секций по 40 Ом каждая, и всей структуры в целом составит L=3,14×30=94 мм. Таких секций в мосте должно быть четыре, ширина каждой, исходя из технологических возможностей, составит 3 мм, а ширина каждого из трех зазоров между ними - 1 мм, поэтому общая ширина структуры составит 15 мм. Следовательно, общие габариты мостовой структуры составят 94×15 мм⋅мм. Точный расчет длины структуры по внутреннему диаметру цилиндра позволит дискретно-распределенным тензорезисторам точно и полностью воспринимать деформации цилиндра при его нагружении силой.
Такое исполнение моста позволяет в 3…5 раз снизить величину случайной составляющей погрешности при воздействии паразитных силовых факторов, так как возникающие при этом изгибающие моменты на силовом входе датчика вызывают перераспределение механических напряжений таким образом, что одни части цилиндра будут растягиваться, а другие сжиматься, следовательно, и расположенные на этих поверхностях цепочки дискретно-распределенных тензорезисторов будут также одни растягиваться, а другие сжиматься. Таким образом происходит автоматическая компенсация воздействия на датчик паразитных поперечных сил и изгибающих моментов. Мост тензорезисторов закрепляют в виде кольца на половине рабочей высоты столбика, где напряжения распределены более равномерно по сравнению с краевыми рабочими зонами цилиндра, где имеют место градиенты напряжений.
На Фиг. 1 показана топология моста тензорезисторов 5 с выводами 1, 2, 3, 4.
На Фиг. 2 приведена электрическая схема моста, (а-б)-выводы питания: Епит, (в-г)-выводы выходного сигнала: Uвых.
На Фиг. 3 показан датчик силы с дискретно-распределенным мостом 5.
Работа датчика сводится к следующему: при его нагружении силой Р, как показано на рис. 3, тензорезисторы R1 и R3 воспринимают деформацию сжатия и их сопротивления уменьшаются, а тензорезисторы R2 и R4 деформацию растяжения и их сопротивления увеличиваются, что приводит к разбалансу моста, в результате на выходной диагонали формируется выходной сигнал пропорциональный измеряемому усилию Р.
Предлагаемый датчик имеет преимущества в сравнении с известными, а именно:
1. Повышается помехозащищенность от неизмеряемых силовых факторов.
2. Повышается точность за счет снижения случайной составляющей погрешности.
3. Упрощается технология и точность наклейки за счет монолитности исполнения моста.
4. Может быть реализована возможность групповой наклейки мостов на внутренние поверхности цилиндров нескольких датчиков, а количество одновременно наклеиваемых датчиков определятся только объемом камеры с регулируемым нагревом для проведения наклейки.
Источники информации, принятые автором при экспертизе
1. Пат. США №2814946, кл. 73-141, 1957.
2. Авт. свидетельство СССР №473913, м. кл. G01L 1/22, 1975.