Датчик деформации
DEFORMATION SENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензодатчикам, представляющим из себя наклеиваемый на объект измерения пленочный тензорезистор, предназначенным для измерения деформации твердых тел, и может быть использована для контроля состояния высокопрочных материалов и конструкций из них.
Уровень техники
Известен тензодатчик деформации, содержащий в качестве тензочувствительного элемента углеродную нить, концы которой соединены с электропроводами для подключения к регистрирующей аппаратуре, в котором углеродная нить встроена в матрицу из неэлектропроводящего полимерного материала, при этом углеродная нить внутри матрицы состоит из частиц критической длины 0,5-1 мм.
В предлагаемом тензодатчике углеродная нить может быть выполнена из высокомодульного углеродного волокна. Материал матрицы должен иметь модуль упругости, в два или более раз меньший, чем модуль упругости углеродного волокна.
Места соединения углеродной нити с электропроводами для подключения к регистрирующей аппаратуре в тензодатчике могут быть встроены в полимерную матрицу (RU 2360215 С1 G01B 7/16. Опубликовано: 27.06.2009).
Недостатками данного решения являются сложность монтажа тензодатчика деформации на изделие и низкая температурная стойкость чувствительного элемента, что снижает эксплуатационные и метрологические характеристики датчика деформации.
Известен тензодатчик деформации в виде наклеиваемого полупроводникового тензорезистора (RU 2463686 С1 G01B 7/16 Опубликовано 10.10.12). Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор содержит полимерную подложку, тензочувствительную пленку и металлические контакты, расположенные на концах тензочувствительной пленки. Дополнительно снабжен носителем из металлической фольги, выполненным в виде двух соединенных нитями площадок, и разделительной диэлектрической пленкой, сформированной на носителе и повторяющей его форму. Тензочувствительная пленка является поликристаллическим моносульфидом самария, сформирована на диэлектрической пленке и также повторяет форму носителя, при этом ширина нитей находится в пределах 5÷200 мкм. Металлические контакты сформированы на площадках и частично на нитях тензочувствительной пленки, шунтируя ее. Незашунтированные части нитей тензочувствительной пленки электрически соединены между собой параллельно, кроме того, полимерная подложка сформирована на обратной стороне носителя.
Недостатком данного решения является сложность монтажа, низкая температурная стойкость, наличие временной ползучести.
Также известен тензодатчик, содержащий преобразователь линейных перемещений в виде катушки индуктивности и взаимодействующего с ней сердечника с подставкой, закрепляемых на поверхности деформируемого объекта через эластичную подложку (патент РФ на полезную модель №25346 от 13.02.02 г. - прототип). При деформации контролируемой поверхности центры катушки и подставки сердечника, расположенные на расстоянии, равном базе тензодатчика, смещаются относительно друг друга, и по величине смещения, отнесенного к базе, определяют относительную деформацию исследуемого участка поверхности.
Недостатком устройства-прототипа является низкая точность измерения, обусловленная неоднородностью эластичной подложки под катушкой и подставкой сердечника, приводящая к неконтролируемому смещению центров указанных элементов датчика относительно базовых точек.
Устройство-прототип обладает ограниченными эксплуатационными возможностями из-за непостоянства свойств эластичных подложек (включая потерю эластичности и сужение диапазона измерения деформаций) в широком диапазоне температур. Кроме того, известное устройство имеет ограничение по минимальной базе, поскольку она обусловлена габаритами элементов датчика, и не может быть менее полусуммы длин элементов датчика в направлении деформации.
Известен тензодатчик (Официальная публикация патента РФ №2349874 от 20.03.2009), содержащий один или несколько тензорезисторов, эластичное покрытие, защищающее тензорезисторы от внешнего воздействия, и коммутационную плату, отличающийся тем, что все три компонента датчика соединены клеевым способом в единую трехслойную конструкцию.
Недостатком данного тезнодатчика является то, что он монтируется на поверхность исследуемого материала путем контактной сварки или любой другой сварки по восьми точками. Гибкое основание этого датчика значительно усложняет эту процедуру.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание тензорезистивного датчика деформации размером не более 20 мм, простого в производстве и монтаже на место применения.
Технический результат заявленного технического решения заключается в миниатюризации размеров датчика с сохранением высокой чувствительности датчика, в повышении стойкости к высоким температурам, в получении максимальной радиационной стойкости, в получении максимально простой технологии синтеза и в увеличении срока эксплуатации.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что датчик деформации, содержащий корпус, основу, тензочувствительные элементы с контактами, упругий элемент, отличающийся тем, что он выполнен в виде балки, работающей на изгиб, закрепленной на основании с двух сторон, при этом к центру балки присоединен жесткий рычаг, соединенный с тягой, которая, в свою очередь, соединена с несущим основанием посредством гибких шарниров, при этом тензочувствительные элементы сформированы на балке и соединены в мост Уитсона.
В частном случае реализации заявленного технического решения тензочувствительные элементы выполнены из вещества, выбранного из группы: моносульфид самария, кремний, арсенид галлия, нитрид галлия.
В частном случае реализации заявленного технического решения тензочувствительные элементы сформированы на балке методом термического напыления в вакууме.
В частном случае реализации заявленного технического решения несущее основание закреплено на изделии путем контактной сварки.
В частном случае реализации заявленного технического решения тяга сформирована на несущем основании методом лазерной резки.
В частном случае реализации заявленного технического решения контакты электрической схемы моста Уитсона соединены с электрическими выводами методом ультразвуковой сварки.
В частном случае реализации заявленного технического решения несущее основание выполнено методом химического травления или фрезеровки или вырубки.
В частном случае реализации заявленного технического решения тензорезистивные чувствительные элементы приклеены к упругому элементу.
В частном случае реализации заявленного технического решения тензочувствительные элементы сформированы на балке методом термического напыления в вакууме.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - тензометр
Фиг. 2 - упругий элемент
Фиг. 3 – основа.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - несущее основание; 2 - упругий элемент; 3 - разварочная колодка; 4 - тензочувствительный элемент; 5 - электрические контакты разварочной колодки; 6 - крышка разварочной колодки; 7 - балка; 8 - узлы крепления балки; 9 - рычаг; 10 - места контактной сварки; 11 - тяга; 12 - гибкий шарнир.
Раскрытие изобретения
Датчик деформации представляет собой цельнометаллическую конструкцию в виде плоского упругого элемента балочного типа с жестким центром на рабочей поверхности которого сформированы тензорезисторы, соединенные в мост Уитсона. Корпус упругого элемента контактной сваркой скреплен с несущим основанием (1), жесткий центр упругого элемента контактной сваркой скреплен с тягой, которая механически развязана с основанием. При эксплуатации несущее основание (1) контактной сваркой приваривается к поверхности объекта.
Возникающее при деформации объекта напряжение через механическую развязку несущего основания передается на упругий элемент и преобразуется в деформацию его балки, приводящую к изменению электрического сопротивления тензорезисторов.
Согласно заявленному техническому решению, тензорезистивный датчик представляет собой устройство для измерения деформации, которое состоит из: упругого элемента (2), выполненного в виде балки (7), работающей на изгиб. Балка (7) закреплена к несущему основанию (1) с двух сторон посредством узлов (8) крепления балки (7).
Также к центру балки (7) присоединен жесткий рычаг (9), соединенный с тягой (11), которая в свою очередь соединена с несущим основанием (1) посредством гибких шарниров (12).
На балке (7) расположены полупроводниковые тензочувствительные резисторы, сформированные методом вакуумного синтеза и соединенные в мост Уитсона.
В варианте реализации заявленного технического решения тензочувствительные элементы могут быть выполнены из вещества, выбранного из группы: моносульфид самария, кремний, арсенид галлия, нитрид галлия.
Перемещение конца рычага (9) вызывает сложный изгиб, деформирующий балку (7), на которой расположены тензочувствительные элементы (4), соединенные в мост Уитсона. Деформация балки (7) вызывает изменение сопротивления тензочувствительных элементов (4), которое преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный перемещению конца рычага.
Для передачи малых перемещений к рычагу (9) прикреплена тяга (11), которая сформирована на несущем основании (1) методом лазерной резки и соединена с несущим основанием (1) гибкими шарнирами (12). Несущее основание (1) закреплено на изделии путем контактной сварки (10).
Тяга (11) соединена с основой гибкими шарнирами (12), что обеспечивает целостность конструкции, удобство монтажа упругого элемента и жесткую ориентацию. При монтаже на изделие, деформацию которого необходимо определить, деформационная база составляет L=15 мм. Благодаря соединению тяги (11) с рычагом (9) упругого элемента (2) смещение, получаемое тягой, передается балке (7), что вызывает в ней сложный изгиб, пропорциональный отношению длины базы L и размерам балки (7). Это соотношение является усиливающим коэффициентом деформации, что позволяет миниатюризировать размер тензометра и таким образом добиться поставленной задачи.
Для снятия электрического сигнала с чувствительных элементов, расположенных на балке (7), к контактам электрической схемы моста Уитсона методом ультразвуковой сварки подсоединены электрические выводы (5), зафиксированные с другой стороны на разварочной колодке (3). Разварочная колодка (3) зафиксирована на сборке несущего основания (1) и упругого элемента свободными выводами корпуса методом контактной сварки. Разварочная колодка (3) закрывается крышкой (6).
Пример 1
Датчик деформации, содержащий корпус, основу, тензочувствительные элементы, упругий элемент. Упругий элемент выполнен в виде балки, работающей на изгиб, закрепленной на основании с двух сторон, балка выполнена с жестким рычагом посередине, тензочувствительные элементы сформированы на балке и соединены в мост Уитсона, к рычагу прикреплена тяга, соединенная с основой гибкими шарнирами, а к контактам тензочувствительных элементов, сформированных из моносульфида самария, для получения максимальной радиационной стойкости подсоединены электрические выводы, зафиксированные с другой стороны на корпусе.
Для передачи малых перемещений к рычагу (9) прикреплена тяга (11), которая сформирована на несущем основании (1) методом лазерной резки. Несущее основание (1) закреплено на изделии путем контактной сварки (10). Несущее основание выполнено из стали толщиной 0,2 мм.
Пример 2
Датчик деформации, содержащий корпус, основу, тензочувствительные элементы, упругий элемент. Упругий элемент выполнен в виде балки, работающей на изгиб, закрепленной на основании с двух сторон, балка выполнена с жестким рычагом посередине, тензочувствительные элементы сформированы на балке и соединены в мост Уитсона, к рычагу прикреплена тяга, соединенная с основой гибкими шарнирами, а к контактам тензочувствительных элементов, сформированных из поликристалического кремния, для получения максимально простой технологии синтеза подсоединены электрические выводы, зафиксированные с другой стороны на корпусе.
Для передачи малых перемещений к рычагу (9) прикреплена тяга (11), которая сформирована на основе (1) методом лазерной резки. Основа (1) закреплена на изделии путем контактной сварки (10). Основа выполнена из стали толщиной 0,2 мм.
Тяга (11) соединена с основой гибкими шарнирами (12), что обеспечивает целостность конструкции, удобство монтажа упругого элемента и жесткую ориентацию. При монтаже на изделие, деформацию которого необходимо определить, деформационная база составляет L=15 мм. Благодаря соединению тяги (11) с рычагом (9) упругого элемента (2) смещение, получаемое тягой, передается балке (7), что вызывает в ней сложный изгиб, пропорциональный отношению длины базы L и размерам балки (7). Это соотношение является усиливающим коэффициентом деформации, что позволяет миниатюризировать размер тензометра и таким образом добиться поставленной задачи.