МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ МЕТАЛЛОФОЛЬГОВЫЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОР И ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительным устройствам, предназначенным для измерения деформаций твердых тел путем преобразования их механической деформации в электрический сигнал. Также оно относится к устройствам для измерения давления с помощью электрических средств в виде резисторных тензометров.
Известен принятый за прототип многоэлементный металлофольговый тензорезистор - а.с. №1786932, состоящий из диэлектрической основы, набора чувствительных решеток (тензорешеток), соединенных с выводными проводами посредством контактных площадок и многоканальной измерительной аппаратуры, при этом каждый тензорезистор выполнен из двух участков, разделенных промежутком в зоне пересечения продольных осей, а оба участка соединены последовательно, при этом тензорезисторы расположены слоями планарно на общей оси. Общими существенными признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются следующие - многоэлементный металлофольговый тензорезистор состоит из неподвижно закрепленных на диэлектрической основе набора тензорезисторов, соединенных с выводными проводами посредством контактных площадок.
Одним из наиболее распространенных направлений использования данных тензорезисторов является измерение давления с помощью тензорезисторных датчиков давления. Так известен принятый за прототип тензорезистроный датчик давления - патент РФ №2174220, содержащий корпус, размещенный в нем упругий элемент, выполненный в виде полого цилиндра с герметично закрытым концом, свободный торец которого снабжен подводящим штуцером, тензорезисторы, размещенные на поверхности полого цилиндра, и стакан, установленный с внешней стороны упругого элемента соосно с ним, при этом основание стакана жестко закреплено на свободном торце цилиндра, на поверхности стакана размещены нормирующие и компенсационные резисторы, соединенные в электрическую мостовую схему, при этом упругий элемент и стакан выполнены из материалов с одинаковой теплопроводностью, а их площади поперечного сечения равны. Общими существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения являются следующие - тензорезисторный датчик давления содержит упругий элемент, выполненный в виде полого цилиндра, первый конец которого герметично закрыт, а второй снабжен подводящим штуцером, неупругий элемент, при этом на упругом и неупругом элементах закреплены соответственно измерительные и компенсационные тензорезисторы, соединенные в электрическую мостовую схему.
Известный многоэлементный металлофольговый тензорезистор позволяет по сравнению с одноэлементным существенно повысить точность измерений, однако планарно расположенные тензорезисторы требуют увеличения площади упругого элемента, на котором он закрепляется, что сужает область его применения.
Известный тензорезистроный датчик давления обладает недостаточной точностью измерения связанной с ограниченным количеством тензорезисторов.
Предлагаемой полезной моделью решается техническая задача расширения области применения многоэлементных тензорезисторов за счет существенного снижения их площади, а также повышения чувствительности и точности тензорезистроных датчиков давления.
Для решения данной технической задачи многоэлементный металлофольговый тензорезистор выполнен в виде диэлектрической гибкой ленты, на которой вдоль нее, не менее, чем в четыре параллельных ряда, напылены тензорезисторы, последовательно соединенные посредством контактных площадок, при этом чувствительные решетки тензорезисторов имеют выходы, расположенные с противоположных сторон в районах контактных площадок, при том крайние тензорезисторы в каждом ряду снабжены контактными площадками для подсоединения входа и выхода данного ряда.
Для решения данной технической задачи в тензорезистроном датчике давления, содержащем упругий элемент, выполненный в виде полого цилиндра, первый конец которого герметично закрыт, а второй снабжен подводящим штуцером, неупругий элемент, при этом на упругом и неупругом элементах закреплены соответственно измерительные и компенсационные тензорезисторы, соединенные в электрическую мостовую схему, неупругий элемент выполнен в виде цилиндра, расположенного со стороны первого герметично закрытого конца полого цилиндра и являющегося его продолжением, при этом тензорезисторы на упругом и неупругом элементах закреплены рядами по окружности в несколько диэлектрически изолированных слоев, при том тензорезисторы в каждом ряду последовательно соединены, а ряды объединены в электрическую мостовую схему. Лучшим вариантом исполнения многослойности в тензорезисторном датчике давления является вариант, когда измерительные и компенсационные тензорезисторы размещены на упругом и неупругом элементах в несколько диэлектрически изолированных слоев в виде намотанной гибкой диэлектрической ленты с напыленными тензорезисторами, соединенными контактными площадками.
Отличительными признаками предлагаемого многоэлементного металлофольгового тензорезистора являются следующие - выполнен в виде диэлектрической гибкой ленты, на которой вдоль нее, не менее, чем в четыре параллельных ряда, напылены тензорезисторы, последовательно соединенные посредством контактных площадок, при этом чувствительные решетки тензорезисторов имеют выходы, расположенные с противоположных сторон в районах контактных площадок, при том крайние тензорезисторы в каждом ряду снабжены контактными площадками для подсоединения входа и выхода данного ряда.
Отличительными признаками предлагаемого тензорезистроного датчика давления являются следующие - неупругий элемент выполнен в виде цилиндра, расположенного со стороны первого герметично закрытого конца полого цилиндра и являющегося его продолжением, при этом тензорезисторы на упругом и неупругом элементах закреплены рядами по окружности в несколько диэлектрически изолированных слоев, при том тензорезисторы в каждом ряду последовательно соединены, а ряды объединены в электрическую мостовую схему. Также, дополнительно, измерительные и компенсационные тензорезисторы размещены на упругом и неупругом элементах в несколько диэлектрически изолированных слоев в виде намотанной гибкой диэлектрической ленты с напыленными тензорезисторами, соединенными контактными площадками.
Благодаря наличию данных отличительных признаков многоэлементный металлофольговый тензорезистор обладает минимальными площадными габаритами при практически неограниченных возможностях повышения чувствительности измерений; тензорезистроный датчик давления позволяет проводить измерения со значительно более высокой точностью. Кроме того, и многоэлементный металлофольговый тензорезистор, и тензорезистроный датчик давления технологичны в изготовлении и конструктивно просты.
Изобретение поясняется рисунками фиг.1-2.
На фиг.1 изображен многоэлементный металлофольговый тензорезистор.
На фиг.2 изображен тензорезистроный датчик давления.
Изображенный на фиг.1 многоэлементный металлофольговый тензорезистор выполнен в виде диэлектрической гибкой ленты 1, на которой вдоль нее, не менее, чем в четыре параллельных ряда, напылены тензорезисторы 2, последовательно соединенные посредством контактных площадок 3, при этом чувствительные решетки 4 тензорезисторов 2 имеют выходы, расположенные с противоположных сторон в районах контактных площадок 3, при том крайние тензорезисторы 2 в каждом ряду снабжены контактными площадками 3 для подсоединения входа 5 и выхода 6 данного ряда.
Изображенный на фиг.2 тензорезистроный датчик давления содержит упругий элемент, выполненный в виде полого цилиндра 7, первый конец которого герметично закрыт, а второй снабжен подводящим штуцером 8, неупругий элемент, выполненный в виде цельнометаллического цилиндра 9, расположенного со стороны первого герметично закрытого конца полого цилиндра 7 и являющегося его продолжением (по сути упругий и неупругий элементы представляют из себя единый цилиндр с осевой проточкой, участок которого в районе проточки является упругим элементом, а остальная «глухая» часть соответственно неупругим элементом), при этом на упругом и неупругом элементах закреплены соответственно измерительные и компенсационные тензорезисторы 2, соединенные в электрическую мостовую схему. Измерительные и компенсационные тензорезисторы 2 размещены (наклеены) на упругом и неупругом элементах в несколько диэлектрически изолированных слоев в виде намотанной гибкой диэлектрической ленты 1 с напыленными тензорезисторами 2, соединенными контактными площадками 3. Тензорезисторы 2 в каждом ряду последовательно соединены, а ряды объединены в электрическую мостовую схему.
Технология изготовления многоэлементного металлофольгового тензорезистора мало чем отличается от известной - решетки 4 тензорезисторов 2 с контактными площадками 3 напыляются на диэлектрическую гибкую ленту 1. Разница состоит лишь в том, что выводы решеток 4 разнесены по разные стороны и лента 1 режется не на отдельные тензорезисторы 2, а на полосы (ленты) шириной в четыре ряда и длиной, необходимой для конкретных условий размещения и необходимой чувствительности. При этом на месте установки данная лента может, как наклеиваться в несколько слоев кусками, так и просто наматываться (с проклейкой слоев) в рулон на измеряемой поверхности, например, на цилиндр.
Изображенный на фиг.2 тензорезистроный датчик давления собирается следующим образом. На упругую и неупругую часть - полый 7 и цельнометаллический 9 цилиндры датчик (цельнометаллического или сборного) наносится слой клея и накручивается лента 1 с четырьмя рядами тензорезисторов 2 (при этом контакты входов 5 каждого ряда выводятся наружу - в сторону торца. Каждый слой также укладывается на клей, после чего выходы 6 рядов также выводятся наружу и ряды тензорезисторов 2 соединяются в полный тензомост. После намотки слоев, как правило, их фиксируют самоклеющейся лентой и помещают в среду, оптимальную для полимеризации клея. После затвердевания клея датчик готов к установке (датчик может иметь кожух, защищающий тензорезисторы 2 от повреждения - на фиг. не приведен).
При этом число решеток (соответственно тензорезисторов 2) выбирается исходя из условия Rm=i·Ro, где Rm - требуемое сопротивление тензомоста, Ro - сопротивление единичной тензорешетки, i - число тензорешеток.
Длину отрезка тензоленты 1 выбирают исходя из условия
l=π·i·d+2·i·lк, где d - диаметр упругого элемента датчика, lк - длина контактной площадки.
Данный тензорезистроный датчик давления работает следующим образом. При измерении давления деформируется полый цилиндр 7, за счет чего в наклееных на нем тензорезисторах 2 изменяется сопротивление, которое больше того, которое измеряется одиночным слоем тензорезисторов в i раз. Благодаря наличию четырех рядов тензорезисторов 2 (2-х на упругом и 2-х на неупругом элементах) реализуется полный тензомост, в котором два ряда тензорезисторов, расположенных на неупругом элементе - цилиндре 9, являются компенсационными (опорными).