Способ и устройство тензоэлектрического преобразования
METHOD AND DEVICE OF TENSOELECTRIC TRANSFORMATION

Заявленное изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензометрическим средствам измерений и датчикам давления контактного типа, для анализа стационарных и динамических напряженно-деформированных состояний тензочувствительной консоли вследствие воздействия на нее физических величин (линейных перемещений, изгибных и крутящих моментов, механических колебаний, скоростного напора газовых или жидкостных потоков и др.), преобразуемых в электрический сигнал.
Может быть применено в робототехнике при анатомической параметризации дистальной части конечностей антропоморфных робототехнических систем в качестве сенсорных средств тактильного и силомоментного типа, в аэро- или гидродинамике для измерений скоростных напоров воздушных или жидкостных потоков, а также в эластомерных изделиях в качестве средств диагностики состояния.
Известны электрические методы тензометрии, основанные на измерении напряженно-деформированного состояния компонента, элемента или конструкции в целом, путем измерения электрических параметров материала (сопротивления, емкости, индуктивности) или генерирующих напряжение (пьезоэлектрических) тензодатчика при его механическом нагружении [Интернет-сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/. Тензометрия.].
Наиболее широкое применение получил тензорезистивный метод, основанный на деформации (в том числе изгибной) электропроводящих материалов (металлов, тонких металлических пленок, полупроводников) и изменении их удельных электрических сопротивлений [Мехеда В.А. Тензометрический метод измерения деформаций. Учебное пособие. - Самара: Изд-во Самарского государственного аэрокосмического университета, 2011. - 56 с.]. В качестве проводящих материалов обычно используются тонкие металлические пленки, напыленные на гибкую диэлектрическую подложку. В последнее время находят применение полупроводниковые и пьезоэлектрические датчики. При этом, имея высокую чувствительность, они непригодны для измерений статических деформаций и существенно проигрывают в этом тензорезистивным датчикам, выполненным в виде металлических тонких пленок (фольги). Последние имеют широкое применение в тензометрических средствах измерений и анализа стационарных и динамических напряженно-деформированных состояний. При воздействии на них физических величин напряженно-деформируемые состояния тензочувствительного элемента преобразуются в электрические сигналы.
В качестве измерителей параметров таких элементов являются мостовые методы измерений, обладающие большой точностью, высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых значений, возможностью создания как специализированных приборов, предназначенных для измерения какой-либо одной величины, так и универсальных приборов с ручным уравновешиванием или автоматических с цифровым отсчетом [Измерения в электронике. Справочник. В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 197-200].
Уравновешивание по двум параметрам для мостов переменного тока обеспечивает достижение частотно-независимого состояния равновесия моста при сколь угодно малом пороге чувствительности нуль-индикатора. Благодаря этому расширились функциональные возможности мостов: они стали применимыми для раздельного измерения по двухэлементной схеме замещения электрических двухполюсников, а при использовании частотно-независимого состояния равновесия стали обладать наивысшими метрологическими свойствами [Панфилов В.А. Электрические измерения. - Академия, 2006; Дугушкин С.Н. Мосты переменного тока для измерения параметров трехэлементных двухполюсников. Автореферат диссертации к.т.н.: специальность 05.11.01. Ульяновск, 2005 г.].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ тензоэлектрического преобразования напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя тензочувствительного элемента [Интернет-сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/… Тензометрия], заключающийся в измерении мостовым методом электрического сопротивления тензорезистора, выполненного в виде тонкой металлической пленки, нанесенной на упругий диэлектрический слой. Регистрация и обработка сигналов, в том числе, цифровая, в реальном масштабе времени и с возможностью визуализации напряженно-деформируемых состояний на экранах мониторов или графических дисплеев, осуществляется посредством измерительного сбалансированного моста, питаемого от источника постоянного напряжения. При этом мост уравновешивается так, чтобы в отсутствие приложенной силы на тензочувствительном элементе напряжение на измерительной диагонали равнялось нулю. Следовательно, при приложении силы изменяемое сопротивление будет определяться по значению тока гальванометра. Возможны разные варианты включения тензорезисторов в четверть-, полу- или полномостовые измерительные схемы [Измерения в электронике. Справочник. В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 197-200].
Наиболее близким к устройству по технической реализации является тензорезистивный преобразователь [Спирин А.Е., Спирин Е.А., Крылов А.И. Патент RU 2586259, Тензорезистивный преобразователь. 2016 г.], содержащий тензочувствительную консоль, выполненную в виде симметричной или ассиметричной сэндвич-структуры, состоящей из двух и более планарно свободных и собранных воедино в заделке упругих диэлектрических слоев разной длины, на больший из которых (коренной слой) с одной или с двух сторон нанесены тензорезисторы, выполненные в виде тонких металлических пленок, измерительный мост, плечи которого соединены с тензорезисторами в четверть-, полу- или полномостовую схему, и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста. Такая тензочувствительная консоль с переменной площадью сечения обладает качеством тела, равного сопротивлению изгибу. Под действием силы, приложенной к незакрепленному концу тензорезистивного преобразователя, упругая подложка изгибается. Тензочувствительные слои, расположенные на одной стороне подожки, растягиваются, а на другой - сжимаются. При этом изгибная жесткость на каждом участке в сечении сэндвич-структуры тензорезистивного преобразователя различна: минимальна на свободном конце (наиболее гибкая, так как определяется жесткостью одного (коренного) упругого диэлектрического слоя) и максимальна вблизи защемления (определяется суммарной жесткостью всех упругих слоев). Такое изготовление тензочувствительной консоли существенно расширяет динамический диапазон тензорезистивного преобразователя напряженно-деформированных состояний в электрический сигнал.
Наличие одного изменяемого и измеряемого тензоэлектрического параметра - электрического сопротивления (тензорезистора) в одном или двух или четырех плечах мостовой измерительной схемы препятствует расширению функциональных возможностей мостовых методов измерения, в частности на переменном токе.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей тензоэлектрических преобразователей и при ее осуществлении может быть получен следующий технический результат - повышение точности и чувствительности преобразования мостовым методом переменного тока напряженно-деформированных состояний тензочувствительной консоли за счет одновременного двупараметрического измерения измерительным мостом переменного тока изменяемых активного и реактивного сопротивлений соответственно тензорезистора и емкости межслоевых компонентов сэндвич-структуры. При этом мерой последней может быть тангенс угла диэлектрических потерь или сдвиг фаз.
Технический результат достигается тем, что в известных способах тензоэлектрического преобразования напряженно-деформируемые состояния тензочувствительных элементов (мембранного, балочного, консольного или кантилеверного типов) преобразуются в изменение электрических параметров материалов, или сопротивление, или емкость, или индуктивность [Интернет-сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/… Тензометрия]. В частности, в тензорезисторах изменяется электрическое (удельное) сопротивление поверхностного слоя тонкой металлической пленки, нанесенной на упругий диэлектрический слой; в емкостных тензометрах изменяется электрическая емкость конденсатора, образуемого между его пластинами-обкладками от величины зазора (толщины d, межэлектродного расстояния).
Технический результат в известном устройстве достигается тем, что устройство содержит [Спирин А.Е., Спирин Е.А., Крылов А.И. Патент RU 2586259, Тензорезистивный преобразователь. 2016 г.]: тензочувствительную консоль, выполненную в виде симметричной или ассиметричной сэндвич-структуры, состоящей из двух и более планарно свободных и собранных воедино в заделке упругих диэлектрических слоев одинаковой или разной длины, на больший из которых с одной или с двух сторон нанесены тензорезисторы в виде тонких металлических пленок, измерительный мост, плечи которого соединены с тензорезисторами в четверть-, полу- или полномостовую схему, и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста.
Признаком, отличающим изобретение от прототипа по способу, является то, что одновременно с измерением изменения электрического сопротивления тензорезистора измеряют электрическую емкость, образованную между смежными тонкими металлическими пленками - электродами, разделенными диэлектрическими слоями, планарно свободными относительно друг друга, но собранными воедино в заделке. При этом изменение емкости при напряженно-деформированном состоянии осуществляется за счет изменения перекрытия площади электродов. А при больших деформациях на изгиб и при выполнении тензочувствительной консоли в виде ассиметричной сэндвич-структуры изменение емкости осуществляется как за счет изменения перекрытия площади электродов, так и за счет изменения межэлектродного расстояния при отрыве смежных тонких металлических слоев - электродов друг от друга.
Признаком, отличающим изобретение от прототипа по устройству, является введение по меньшей мере одного и более электродов, выполненных в виде тонких металлических пленок, нанесенных на планарно свободные диэлектрические слои и образующих между ними электрические емкости, включенные последовательно или параллельно с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока. Кроме того, тонкие металлические пленки как электродов, так и тензорезисторов могут быть выполнены фигурными в виде меандра, гребенки или спирали. Это дополнительно увеличивает изменение электрической емкости при деформации изгиба за счет изменения - уменьшения или увеличения площади перекрытия электродов при планарном смещении всех слоевых компонентов сэндвич-структуры.
Известно техническое решение для получения переменной емкости конденсаторов путем изменения площади перекрытия вращающихся друг относительно друга пластинчатых электродов. На этом принципе в системе роторных и статорных пластин построена работа воздушных конденсаторов переменной емкости [Справочник по электрическим конденсаторам. М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др.; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1983].
Признаком, характеризующим данное изобретение, наряду с одновременным измерением мостовым методом двух изменяемых параметров активного и реактивного сопротивлений при деформации тензочувствительной консоли на изгиб, является изменение электрических емкостей за счет уменьшения или увеличения площади перекрытия тонких металлических пленок электродов и/или тензорезисторов при планарном смещении относительно друг друга всех слоевых компонентов сэндвич-структуры. Эффект достигается за счет того, что один конец тензочувствительной консоли находится в защемлении (в заделке), а другой свободный.
Полученный при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение точности и чувствительности преобразования напряженно-деформируемых состояний тензочувствительной консоли, достигается за счет одновременного измерения мостом переменного тока изменения электрического сопротивления тонкой металлической пленки и электрической емкости (тангенса угла диэлектрических потерь или сдвига фаз) межслоевых компонентов сэндвич-структуры. За счет введения, по меньшей мере, одного и более электродов, выполненных в виде тонких металлических пленок, нанесенных на планарно свободные диэлектрические слои, между ними образуются тензоконденсаторы с изменяемыми электрическими емкостями, которые включены последовательно или параллельно с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока. При этом изменение электрической емкости тензоконденсатора достигается изменением площади перекрытия тонких металлических пленок электродов и/или тензорезисторов, разделенных диэлектрическими слоями, при работе тензочувствительной консоли на изгиб.
Сущность способа и устройства тензоэлектрического преобразования поясняется принципом действия тензочувствительной консоли, показанной на фигурах 1-5. На фиг. 1 и 2 изображено устройство тензочувствительной консоли в продольном сечении и вид сверху при отсутствии изгиба. На фиг. 3 и 4 показано продольное сечение фрагмента тензочувствительной консоли при ее изгибе и ее планарная развертка соответственно. На фиг. 5 дополнительно показано продольное сечение фрагмента тензочувствительной консоли при противоположных f и F изгибных воздействиях и выполнении смежных электродов со смещением в планарной плоскости.
i
Тензочувствительная консоль содержит: 1 - заделку - основание с жестким защемлением; 2 - планарно свободные упругие диэлектрические слои, выполненные из тонкопленочного полимера, имеющие одинаковую ширину, одинаковые или разные длины, на больший из которых с одной или с двух сторон нанесены один, два или четыре тензорезистора 3 в виде тонких металлических пленок; 4 - электроды, выполненные из тонких металлических пленок планарно сплошных или фигурных в виде спирали, меандра или гребенки (как показано на фигурах), состоящей из i=1, 2 … n гребней - компонентов, с постоянной или переменной скважностью; 5 - электрические емкости C (тензоконденсаторы), образованные между соответствующими компонентами смежных тонких металлических пленок, разделенных диэлектрическими слоями, планарно свободными относительно друг друга, но собранными воедино в заделке 1.
Принцип действия четырехплечего моста переменного тока и схемы включения активных и реактивных сопротивлений в его плечи описаны в методике поверки [ГОСТ 8.686-2009. Мосты переменного тока уравновешенные. Методика поверки. - М.: Стандартинформ, 2011]. Поскольку схемы мостов переменного тока отличаются большим разнообразием, то путем последовательных эквивалентных преобразований все они могут быть приведены к простой четырехплечей схеме. В качестве индикаторов в измерительной диагонали измерительного моста переменного тока могут быть использованы двухпараметрические осциллографические индикаторы, вибрационные гальванометры и тому подобное, позволяющие определить два параметра в одной мостовой схеме.
i
i
1
2
n
1
2
i
0
i
1
2
n
Устройство работает следующим образом. В отсутствии напряженно-деформированного состояния тензочувствительной консоли электрические сопротивления тонких металлических пленок 3 тензорезисторов и электрические C емкости 5, образованные между смежными электродами 4 из тонких металлических пленок, планарно свободных относительно друг друга и разделенных диэлектрическими 2 слоями, не изменяются (фиг. 1 и 2). Суммарная емкость конденсатора, образованного двумя смежными электродами 4, выполненными в виде гребенки, состоящей из i=1, 2 … n компонентов (на фиг. 1 и 2 показаны штриховыми линиями), составляет ΣC=C+C+…+C. Поскольку планарные размеры a×b всех i компонентов равны между собой и планарно совмещены в продольном и поперечном сечениях, как показано на фиг. 1 и 2, то их емкости также равны между собой C=С=…=C=(εεab)/d, где d - расстояние между электродами (толщина диэлектрических слоев). При этом площадь перекрытия электродов всех i=1, 2 … n компонентов максимальна и равна ΣΔS=ΔS+ΔS+…+ΔS. Суммарная емкость конденсатора также максимальна.
При последовательном или параллельном включении такого конденсатора с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока мост уравновешивается так, что при отсутствии приложенной силы F=0 на тензочувствительной консоли напряжение в измерительной диагонали измерительного моста равно нулю. При этом уравновешивание осуществляется по двум параметрам: при равенстве произведений модулей комплексных сопротивлений противолежащих плеч и равенстве сумм их фазовых сдвигов. То есть для обеспечения равновесия моста необходимо, что бы в двух смежных плечах были включены активные сопротивления (например, тензорезисторы), а в двух других смежных плечах - реактивные емкостные сопротивления [Измерения в электронике. Справочник. В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 197-200].
i
Для тензочувствительной консоли, выполненной в виде многослойной сэндвич-структуры, как показано на фиг. 1, любая ее деформация на изгиб будет уменьшать суммарную площадь перекрытия всех электродов. Соответственно будет уменьшаться суммарная емкость таких тензоконденсаторов. При этом углы δ смещения для каждого i компонента различны: минимальны вблизи защемления и увеличиваются к краю тензочувствительной консоли (фиг. 3).
i
Варьируя скважностью, количеством и продольными a размерами i компонентов гребенки, можно задавать зависимость изменения суммарной емкости тензоконденсатора от изгиба тензочувствительной консоли.
i
i
i
i
Выполнение смежных электродов с изначальным продольным смещением пленочных компонентов друг относительно друга в планарной плоскости в отсутствие изгибных деформаций (f=0 и F=0) позволяет регистрировать направление изгибной деформации при силовых воздействиях f вверх или F вниз, как показано стрелками на фиг. 5. При изгибе вниз (F ≠ 0) суммарная площадь ΣΔS (F) перекрытия электродов возрастает, при изгибе вверх (f ≠ 0) ΣΔS (f) уменьшается. Соответственно, в первом случае емкость тензоконденсатора ΣC (F) увеличивается относительно начального состояния, во втором случае ΣC (f) уменьшается.
Таким образом, повышение точности и чувствительности преобразования напряженно-деформируемых состояний тензочувствительной консоли достигается за счет одновременного измерения мостом переменного тока изменения электрического сопротивления одного или более тензорезисторов и электрической емкости одного или более тензоконденсаторов, образованных межслоевыми электродами, выполненными из тонких металлических пленок в виде спирали, меандра или гребенки. Более того, поскольку фольговые тензорезисторы выполнены также в виде тонких металлических пленок, то их конфигурация, планарно согласованная с конфигурацией (спираль, меандр, гребенка) тонкопленочных металлических электродов, также дополнительно может образовывать межслоевую емкость тензочувствительной консоли сэндвич-типа.