RU21659U1

RU21659U1 - DEVICE FOR POWER MEASUREMENT

Info

Publication number: RU21659U1
Application number: RU2001123890/20U
Authority: RU
Inventors: В.Е. Лучко; А.Я. Юровский; Е.М. Сычугов; А.В. Фетисов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Промышленная группа "Метран"
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2002-01-27

Description

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫDEVICE FOR POWER MEASUREMENT

Полезная модель относится к области приборостроения, а именно к тензорезисторным устройствам для измерения силы или перемещения, и может быть использовано преимущественно в преобразователях силы, давления, разрежения, разности давления, расхода и уровня жидких и газообразных сред в электрический сигнал.The utility model relates to the field of instrumentation, namely to strain gauge devices for measuring force or displacement, and can be used mainly in converters of force, pressure, vacuum, pressure difference, flow rate and level of liquid and gaseous media into an electrical signal.

Известно устройство для измерения силы, описанное в а.с. СССР № 1458728 по кл. G01L 1|22A device for measuring force described in A.S. USSR No. 1458728 by class G01L 1 | 22

Известное устройство выполнено в виде упругой мембраны и соосно прикрепленного к ее ценггру стержня. По наружному контуру мембрана закреплена неподвижно, а на ее поверхности по обе стороны контура сечения стержня размещены тензорезисторы, замкнутые в электрическую мостовую схему. Измеряемая сила прилагается к свободному концу стержня и перпендикулярно ему, при этом участки мембраны по обе стороны от контура сечения стержня изгибаются в противоположных направлениях, вызывая разнонаправленные деформации тензорезисторов.The known device is made in the form of an elastic membrane and a rod coaxially attached to its center. The membrane is fixedly fixed along the outer contour, and strain gauges located in the electric bridge circuit are placed on its surface on both sides of the contour of the cross section of the rod. The measured force is applied to the free end of the rod and perpendicular to it, while the sections of the membrane on both sides of the contour of the section of the rod are bent in opposite directions, causing multidirectional deformation of the strain gauges.

Недостатком такого тензометрического устройства является его сложная пространственная геометрия, больщие габариты и значительная величина жесткости при измерении силы или перемещений, что не позволяет применять его для измерения малых величин сил, давлений и других параметров. Кроме того, такое устройство имеет значительную температурную погрешность, что снижает точность и воспроизводимость измерений.The disadvantage of such a strain gauge device is its complex spatial geometry, large dimensions and significant stiffness when measuring forces or displacements, which does not allow it to be used to measure small values of forces, pressures and other parameters. In addition, such a device has a significant temperature error, which reduces the accuracy and reproducibility of measurements.

Известно устройство для измерения силы, описанное в а. с СССР № 1739218 по кл. G01L 1/22.A device for measuring force described in a. from the USSR No. 1739218 by class G01L 1/22.

Известное устройство содержит зажимаемый и сшювоспринимающий Тобразный элементы, две перемычки, симметрично расположенные относительно плоскости симметрии силовоспринимающего элемента и соединенные с концами его поперечной части и зажимаемым элементом, кроме того, собранные в мостовую схему четыре тензорезистора, два из которых размешены в местах сопряжения переj 1, S- « -9 0The known device contains clamped and stitch-receiving T-shaped elements, two jumpers symmetrically located relative to the plane of symmetry of the power-receiving element and connected to the ends of its transverse part and the clamped element, in addition, four strain gages assembled into the bridge circuit, two of which are placed at the junction points j 1, S- "-9 0

МКИ - 7: GOIL 1|22 MKI - 7: GOIL 1 | 22

мычек с концами поперечной частн силовоспринимающего элемента, а два других установлены в месте сонряжения центрального выступа силовоспринимающего элемента с его ноперечной частью и расположены симметрично относительно плоскости симметрии силовоспринимающего элемента.socks with the ends of the transverse part of the power-receiving element, and the other two are installed at the place where the central protrusion of the power-receiving element with its transverse part is mated and are located symmetrically with respect to the plane of symmetry of the power-receiving element.

Недостатком этого устройства является наличие существенной зависимости начального разбаланса мостовой схемы от условий установки и зажима устройства при эксплуатации. Эти нежелательные влияния обусловлены наличием двух перемычек, сопрягаемых с концами Т-образного силовоспринимающего элемента и непосредственно с зажимаемым элементом устройства, на которых размещены два из четырех тензорезистора мостовой схемы. Паразитные деформации зажимаемого элемента от усилия его закрепления и от незначительных перекосов опорной поверхности, а также при изменении температуры во время эксплуатации, неизбежно передаются на сопрягаемые перемычки с тензорезисторами, что приводит к увеличению погрещности измерений, в том числе и температурной составляющей погрещности.The disadvantage of this device is the presence of a significant dependence of the initial unbalance of the bridge circuit on the installation conditions and clamping of the device during operation. These undesirable effects are due to the presence of two jumpers that mate with the ends of the T-shaped force-sensing element and directly with the clamped element of the device, on which two of the four strain gauges of the bridge circuit are located. Spurious deformations of the clamped element due to the force of its fastening and from slight distortions of the supporting surface, as well as when the temperature changes during operation, are inevitably transmitted to mating jumpers with strain gauges, which leads to an increase in the measurement error, including the temperature component of the error.

Кроме того, тензорезисторы мостовой схемы размещены на разных элементах конструкции: на двух перемычках и на центральном выступе силовоспринимающего элемента. При этом незначительное отклонение точки приложения измеряемой силы от оси симметрии устройства приводит к перераспределению деформаций тензорезисторов и, как следствие, к донолнительным погрещностям и ухудшению точности измерений.In addition, the strain gages of the bridge circuit are placed on different structural elements: on two jumpers and on the central protrusion of the power-sensing element. In this case, a slight deviation of the point of application of the measured force from the axis of symmetry of the device leads to a redistribution of the strain gauge deformations and, as a result, to additional errors and deterioration of the measurement accuracy.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и принятому в качестве прототипа является устройство, описанное в п. РФ № 2114406 по кл G01L 1/22.The closest in technical essence to the proposed and adopted as a prototype is the device described in clause of the Russian Federation No. 2114406 for class G01L 1/22.

Известное устройство, чувствительное к усилию или перемещению, нредставляет собой опорную пластину, состоящую из двух частей с элементами крепления, и Т-образный силовоспринимающий элемент, состоящий из центрального выступа и поперечной части, концы которой непосредственно соединены с одной и другой частями опорной пластины, образуя с ними унитарную конструкцию. Па поверхности силовоспринимающего элемента жестко закреплена диэлектрическая подложка из монокристаллического материала с кремниевыми тензорезисторами. Вблизи основания центрального выступа может быть выполнено отверстие, нерекрываемое диэлектрической подложкой так, что тензорезисторы расположены в зопе этого отверстия. Опорная пластина и силовоспринимающий Т-образный элемент выполнены разнотолщинными с соотношением толщин 2: 1 и более.A known device, sensitive to force or displacement, is a support plate consisting of two parts with fastening elements, and a T-shaped power-receiving element consisting of a central protrusion and a transverse part, the ends of which are directly connected to one and the other parts of the support plate, forming with them a unitary construction. On the surface of the force-sensing element, a dielectric substrate of a single-crystal material with silicon strain gauges is rigidly fixed. Near the base of the central protrusion, a hole can be made that cannot be closed by the dielectric substrate so that the strain gages are located in the zope of this hole. The base plate and the power-receiving T-shaped element are made of different thicknesses with a thickness ratio of 2: 1 or more.

К недостаткам прототипа следует отнести существенную зависимость начального разбаланса мостовой тензорезистивной схемы от условий установки и зажима устройства при эксплуатации. Эти нежелательные явления обусловлены наличием паразитной деформации Т-образного силовоспринимающего элемента от усилия закрепления одной и другой частей опорной пластины, от незначительных перекосов опорной поверхности, на которую закрепляется устройство, некоторой технологической неплоскостности различных частей опорной пластины, расположенных по разные стороны от Т-образного силовоспринимающего элемента и связанных друг с другом только через поперечную часть силовоспринимающего элемента. Изменение начального разбаланса при закреплении может достигать 30% от диапазона выходного сигнала. Дополнительно на Т-образный силовоспринимающий элемент передаются и температурные деформации, возникающие вследствие различия в температурных коэффициентах опорной пластины и основания прибора, вследствие крепления опорной пластины на два винта по разные стороны от Т-образного силовоспринимающего элемента, что увеличивает температурную составляющую погрещности измерений. Одностороннее закрепление данного устройства без касания другой частью опорной пластины плоскости основания не дает положительных результатов вследствие возникновения паразитного крутящего момента в перпендикулярном к измеряемому направлении из-за малой толщины Т-образного силовоспринимающего элемента и увеличению вследствие этого погрешности и нелинейности преобразования. Указанные недостатки прототипа не позволяют его использовать в промышленных измерительных преобразователях силы, давления, разрежения, разности давления, расхода и уровня жидких и газообразных сред в электрический сигнал.The disadvantages of the prototype should include a significant dependence of the initial imbalance of the bridge strain gauge scheme from the installation conditions and clamping of the device during operation. These undesirable effects are due to the presence of parasitic deformation of the T-shaped force-sensing element from the efforts of fixing one and the other parts of the base plate, from slight distortions of the supporting surface on which the device is fixed, of some technological non-planarity of the various parts of the base plate located on opposite sides of the T-shaped force-receiving element and connected to each other only through the transverse part of the power-sensing element. Changing the initial unbalance during pinning can reach 30% of the output signal range. In addition, temperature deformations are transmitted to the T-shaped power-receiving element due to differences in temperature coefficients of the base plate and the base of the device, due to the mounting of the base plate on two screws on opposite sides of the T-shaped power-receiving element, which increases the temperature component of the measurement error. Unilateral fixing of this device without touching the other part of the base plate support plate does not give positive results due to spurious torque in the direction perpendicular to the measured direction due to the small thickness of the T-shaped force-sensing element and, as a result, an increase in the error and non-linearity of the conversion. These disadvantages of the prototype do not allow it to be used in industrial measuring transducers of force, pressure, vacuum, pressure difference, flow rate and level of liquid and gaseous media into an electrical signal.

Целью заявляемой полезной модели является повыщение точности и стабильности измерений, минимизация габаритных размеров при хорошей технологичности конструкции.The purpose of the claimed utility model is to increase the accuracy and stability of measurements, minimize overall dimensions with good manufacturability.

держащем основание с элементами крепления, силовоспринимающий элемент, состоящий из центрального выстуна и поперечной части и имеющий толщину в 5 и более раз меньщую, чем толщина основания, и непосредственно соединенный своей поперечной частью с основанием в виде унитарной конструщии, и по крайней мере два тензорезистора, расположенных вблизи области сопряжения центрального выступа силовоспринимающего элемента с его поперечной частью, размещенные на диэлектрической подложке, жестко закрепленной на поверхности силовоспринимающего элемента, согласно полезной модели, основание выполнено таким образом, что части основания, расположенные с обеих сторон центрального выступа силовоспринимающего элемента, соединены между собой жесткой перемычкой, толщина которой близка к толщине основания, размещенной за пределами силовоспринимающего элемента с зазором от него со стороны поперечной части, причем элементы крепления основания расположены по одну сторону от силовоспринимающего элемента, а нижняя поверхность жесткой перемычки и другой половины основания, не имеющей элементов крепления, выполнены с углублением по отнощению к нижней опорной поверхности основания.holding a base with fastening elements, a force-sensing element consisting of a central protrusion and a transverse part and having a thickness of 5 or more times less than the thickness of the base, and directly connected with its transverse part to the base in the form of a unitary construction, and at least two strain gauges, located near the interface region of the central protrusion of the power-sensing element with its transverse part, placed on a dielectric substrate rigidly fixed to the surface of the power-sensing electric According to the utility model, the base is made in such a way that parts of the base located on both sides of the central protrusion of the power-sensing element are interconnected by a rigid jumper whose thickness is close to the thickness of the base located outside the power-sensing element with a gap from it from the transverse part moreover, the fastening elements of the base are located on one side of the power-sensing element, and the lower surface of the rigid bridge and the other half of the base, not having elem ntov attachment formed with a recess for otnoscheniya to the lower support surface of the base.

Кроме того, части основания, расположенные с обеих сторон центрального выступа силовоспринимающего элемента, соединены между собой двумя жесткими перемычками, расположенными со стороны центрального выступа и поперечной части силовоспринимающего элемента с зазором от них.In addition, parts of the base located on both sides of the central protrusion of the power-sensing element are interconnected by two rigid jumpers located on the side of the central protrusion and the transverse part of the power-sensing element with a gap from them.

Кроме того, на верхней поверхности основания имеется углубление по крайней мере с одной стороны от силовоспринимающего элемента.In addition, on the upper surface of the base there is a recess on at least one side of the power-sensing element.

Кроме того, на конце тонкого центрального выступа силовоспринимающего элемента имеется выступ высотой близкой к толщине основания с отверстием вдоль оси симметрии центрального выступа.In addition, at the end of the thin central protrusion of the power-receiving element there is a protrusion with a height close to the thickness of the base with a hole along the axis of symmetry of the central protrusion.

Кроме того, на поверхности силовоспринимающего элемента ближе к его поперечной части расположено дополнительное технологическое отверстие.In addition, an additional process hole is located on the surface of the power-sensing element closer to its transverse part.

Кроме того, на диэлектрической подложке дополнительно размещен не чувствительный к деформации и чувствительный к температуре резистор из гетероэпитаксиального кремния или другого материала.In addition, an insensitive to deformation and temperature-sensitive resistor made of heteroepitaxial silicon or other material is additionally placed on the dielectric substrate.

мающего элемента размещен коллектор из диэлектрического материала с металлизированными проводниками.The collector is a collector made of dielectric material with metallized conductors.

Благодаря тому, что части основания, расположенные с обеих сторон силовоспринимающего элемента, соединены между собой жесткой перемычкой, размещенной за пределами силовоспринимающего элемента с зазором от него, а также тому, что элементы крепления основания расположены по одну сторону от силовоспринимающего элемента, и тому, что нижняя поверхность жесткой перемычки и другой половины основания, не имеющей элементов 1феш1ения, выполнены с углублением по отношению к нижней опорной поверхности основания, практически полностью исключается паразитная деформация основания вблизи поперечной части силовоспринимающего элемента, соединенной с основанием, при закреплении устройства, и тем самым при этом более чем на два порядка уменьшается изменение начального сигнала, которое не превышает в этой конструкции 0,1% от номинального диапазона изменения выходного сигнала, что в совокупности значительно улучшает точностные характеристики и стабильность показаний устройства.Due to the fact that the parts of the base located on both sides of the power-sensing element are interconnected by a rigid jumper located outside the power-sensing element with a gap from it, as well as the fact that the base fastening elements are located on one side of the power-sensing element, and the fact that the lower surface of the rigid bridge and the other half of the base, which does not have elements 1 fencing, made with a recess in relation to the lower supporting surface of the base, is almost completely eliminated spurious deformation of the base near the transverse part of the power-receiving element connected to the base, when the device is fixed, and thereby more than two orders of magnitude decreases the change in the initial signal, which does not exceed 0.1% of the nominal range of the output signal in this design, which in the aggregate, it significantly improves the accuracy characteristics and stability of the device readings.

Кроме того, вследствие высокой жесткости конструкции основания, определяемой его толщиной, отсутствует влияние бокового вращательного момента от измеряемой силы на выходной сигнал устройства, что также повышает стабильность измерений.In addition, due to the high rigidity of the base structure, determined by its thickness, there is no influence of lateral torque from the measured force on the output signal of the device, which also increases the stability of measurements.

Вследствие того, что жесткая перемычка выполнена с зазором от силовоспринимаюшего элемента, исключается появление переходных зон разной толщины материала основания под монокристаллической диэлектрической подложкой, которые являются концентраторами температурных напряжений, и тем самым значительно снижаются температурные деформации на поверхности монокристаллической диэлектрической подложки, на которой расположены тензорезисторы, и таким образом, достигаются малые изменения начального сигнала при изменении температуры, основной причиной которых является различие коэффициентов линейного расширения материала основания и монокристаллической диэлектрической подложки, например титана и сапфира, что также повышает точность и стабильность измерений.Due to the fact that the rigid jumper is made with a gap from the force-sensing element, the appearance of transition zones of different thicknesses of the base material under the single-crystal dielectric substrate, which are concentrators of thermal stresses, is eliminated, and thereby thermal deformations on the surface of the single-crystal dielectric substrate on which the strain gages are located are significantly reduced. and thus, small changes in the initial signal are achieved with a change in temperature, basically caused by the difference in linear expansion coefficients of the base material and the single crystal dielectric substrates such as titanium and sapphire, which also increases the accuracy and stability.

чию температурных коэффициентов линейного расширения материала основания устройства и материала основания нрибора, на котором кренится устройство для измерения силы. Это обусловлено тем, что элементы крепления основания устройства расположены по одну сторону от силовоспринимающего элемента, а жесткая перемычка и другая сторона основания, не имеющая элементов крепления, расположены с зазором от поверхности прибора. При этом изменение линейных размеров, обусловленное изменением рабочей температуры, не приводит к возникновению дополнительных внутренних напряжений в устройстве, вызывающих появление дополнительной температурной погрещности устройства. Благодаря этому, устройство, выполненное согласно полезной модели, обладает высокими метрологическими характеристиками в широком интервале рабочих температур от минус 50 до плюс 120°С.the temperature coefficients of linear expansion of the base material of the device and the base material of the device on which the device for measuring force is tilted. This is due to the fact that the fastening elements of the base of the device are located on one side of the power-sensing element, and the rigid jumper and the other side of the base, which does not have fastening elements, are located with a gap from the surface of the device. In this case, a change in the linear dimensions due to a change in the operating temperature does not lead to the appearance of additional internal stresses in the device, causing the appearance of an additional temperature error of the device. Due to this, the device, made according to the utility model, has high metrological characteristics in a wide range of operating temperatures from minus 50 to plus 120 ° C.

Дополнительным нренмуществом устройства является его технологичность при изготовлении, позволяющей с помощью простых токарно-фрезерных и сверлильных операций изготовить металлическое основание и силовоспринимающий элемент, и с помощью простой оснастки обеспечить заданное положение монокристаллической диэлектрической подложки на поверхности силовоспринимающего элемента. Это обусловлено наличием на верхней поверхности основания углубления и сформированного с его помощью сквозного отверстия (зазора) между жесткой перемычкой и силовоспринимающим элементом со стороны его поперечной части, наличием дополнительного технологического отверстия на силовоспринимающем элементе, касающегося края закрепляемой диэлектрической подложки с тензорезисторами.An additional advantage of the device is its manufacturability in manufacturing, which allows using a simple turning-milling and drilling operations to produce a metal base and a power-sensing element, and using simple equipment to provide a predetermined position of a single-crystal dielectric substrate on the surface of a power-sensing element. This is due to the presence on the upper surface of the base of the recess and the through hole (gap) formed by it between the rigid jumper and the power-sensing element from the side of its transverse part, the presence of an additional technological hole on the power-sensing element, touching the edge of the fixed dielectric substrate with strain gages.

Заявляемое устройство для измерения силы обладает новнзной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как наличие жесткой перемычки, соединяющей между собой части основания, расположенные с обеих сторон силовоспринимающего элемента, и размещенной за пределами силовоспринимающего элемента с зазором от него, расположение элементов крепления основания по одну сторону от силовоспринимающего элемента, наличие на нижней поверхности жесткой перемычки и другой половины основания, не имеющей элементов крепления, углубления по отношению к опорной поверхности основания, обеспечивающими в совокупности достижение высоких метрологических характеристик.The inventive device for measuring force has a novelty in comparison with the prototype, differing from it by such significant features as the presence of a rigid jumper connecting parts of the base located on both sides of the power-sensing element, and located outside the power-sensing element with a gap from it, the location of the elements fixing the base on one side of the power-sensing element, the presence on the lower surface of a rigid bridge and the other half of the base, which does not have elements of eniya, the recesses in relation to the supporting surface of the base, providing a plurality of achieving high metrological characteristics.

Заявителю не известны технические решения, обладающие в совокупности указанными отличительными существенными признаками, обеспечивающими достижение полученного технического результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию полезная модель.The applicant is not aware of technical solutions that together possess the indicated distinctive essential features that ensure the achievement of the obtained technical result, therefore, he considers that the claimed technical solution meets the criterion of a utility model.

Заявляемое устройство для измерения силы может найти щирокое применение в измерительной технике и потому соответствует критерию промышленная применимость.The inventive device for measuring force can be widely used in measuring technology and therefore meets the criterion of industrial applicability.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:The inventive utility model is illustrated by drawings, which are presented on:

-фиг. 1 - устройство для измерения силы - вид сверху;-Fig. 1 - device for measuring force - top view;

-фиг. 2 - вид А со стороны торца;-Fig. 2 - view A from the side of the end;

-фиг. 3 - вариант 1 выполнения устройства для измерения силы - вид сверху;-Fig. 3 - embodiment 1 of the device for measuring force - top view;

-фиг. 4 - вариант 1 - вид А со стороны торца;-Fig. 4 - option 1 - view A from the end face;

-фиг. 5 - вариант 2 выполнения устройства для измерения силы - вид снизу;-Fig. 5 - embodiment 2 of the device for measuring the force - bottom view;

-фиг. 6 - вариант 2 - разрез А-А;-Fig. 6 - option 2 - section aa;

-фиг. 7 - вариант 3 выполнения устройства для измерения силы - вид сверху;-Fig. 7 - embodiment 3 of the device for measuring force - top view;

-фиг. 8 - вариант 4 выполнения устройства для измерения силы - вид сверху. Устройство для измерения силы (фиг. 1 и фиг.2) содержит основание, силовоспринимающий элемент, состоящий из центрального выступа 3 и поперечной части 4, концы которой непосредственно соединены с основанием, образуя с ним унитарную конструкцию, диэлектрическую подложку 5 с тензорезисторами 6, жестко закрепленную на поверхности силовоспринимающего элемента. Основание содержит опорный элемент крепления 1 с отверстием 7, расположенным по одну сторону от силовоспринимающего элемента, жесткую перемычку 8, соединяющую опорный элемент крепления 1 с другой частью основания 2, расположенной с другой стороны от силовоспринимающего элемента и не имеющей элементов крепления. Жесткая перемычка 8 отделена от силовоспринимающего элемента сегментным отверстием 9, сформированным посредством углубления 10 на верхней поверхности основания в области жесткой перемычки 8 и служащим для развязки тонкого силовоспринимающего элемента от толстого основания, а также для фиксации положения диэлектрической подложки 5 при технологической операции пайки. Углубление 10 может-Fig. 8 - embodiment 4 of the device for measuring force - top view. The force measuring device (Fig. 1 and Fig. 2) contains a base, a force-sensing element consisting of a central protrusion 3 and a transverse part 4, the ends of which are directly connected to the base, forming a unitary structure with it, a dielectric substrate 5 with strain gages 6, rigidly fixed on the surface of the power-sensing element. The base comprises a support fastening element 1 with an opening 7 located on one side of the power-sensing element, a rigid jumper 8 connecting the support fastening element 1 to another part of the base 2, located on the other side of the power-sensing element and not having fastening elements. The rigid jumper 8 is separated from the power-receiving element by a segment hole 9 formed by a recess 10 on the upper surface of the base in the region of the hard jumper 8 and used to decouple the thin power-receiving element from the thick base, as well as to fix the position of the dielectric substrate 5 during the soldering process. Recess 10 may

быть продолжено в область части основания 2 и использоваться для установки коллектора на диэлектрической подложке с металлической разводкой, применяемого для подключения и закрепления внешних выводов. Часть опорного основания 2, и жесткая перемычка 8 имеют на нижней поверхности углубление 11, предотвращающее касание поверхности, на которую устанавливается устройство для измерения силы. Вблизи середины пентрального выступа 3 выполнено технологическое отверстие 12, частично пересекающее диэлектрическую подложку 5, и служащее для фиксации положения диэлектрической подложки при операции пайки. На конце силовоспринимающего элемента выполнено отверстие 13 для крепления тяги, передающей измеряемую силу в направлении, перпендикулярном плоскости центрального выступа 3. На поверхности диэлектрической подложки 5 в зоне наименьших напряжений может быть размещен не чувствительный к деформации и чувствительный к температуре резистор 14. Поверхность 15 является нижней опорной поверхностью устройства. Основание и силовоспринимающий элемент выполнены разнотолщинными с соотношением толщин 5:1 или более для устранения нежелательного влияния на тензорезисторы паразитных напряжений при жестком креплении устройства и воздействии измеряемой силы. Унитарная конструкция основания с силовоспринимающим элементом выполнена из упругого сплава, например из титанового сплава. Диэлектрическая подложка 5 выполнена, например, из пластины искусственного лейкосапфира с определенной кристаллографической ориентацией, например (1012), на поверхности которой выращен слой кремния, из которого образованы тензорезисторы, ориентированные вдоль кристаллографических направлений (011) кремния, и возможно не чувствительный к деформации и чувствительный к температуре резистор 14, ориентированный в направлении минимальной тензочувствительности, например под 45° к кристаллографическому направлению (011) кремния. Тензорезисторы 6, ориентированные таким образом, чтобы получить изменения сопротивлений разных знаков при изгибной деформации центрального выступа 3, расположены на центральном выступе силовоспринимающего элемента вблизи перехода от центрального выступа к поперечной части. Крепление сапфировой пластины 5 на поверхности силовоспринимающего элемента из титанового сплава может быть выполнено при помощи высокотемпературной пайки серебросодержащим припоем.be continued into the region of the base part 2 and used to mount the collector on a dielectric substrate with metal wiring, used to connect and fix external terminals. Part of the support base 2, and the rigid jumper 8 have a recess 11 on the lower surface, which prevents touching the surface on which the device for measuring the force is mounted. Near the middle of the central protrusion 3, a process hole 12 is made that partially intersects the dielectric substrate 5 and serves to fix the position of the dielectric substrate during the soldering operation. An opening 13 is made at the end of the force-sensing element for attaching a rod transmitting the measured force in the direction perpendicular to the plane of the central protrusion 3. On the surface of the dielectric substrate 5, a resistor insensitive to temperature and temperature sensitive can be placed 14. The surface 15 is lower supporting surface of the device. The base and the power-sensing element are made of different thicknesses with a ratio of thicknesses of 5: 1 or more to eliminate unwanted effects on the strain gages of parasitic stresses when the device is rigidly fixed and the measured force is applied. The unitary base structure with a power-sensing element is made of an elastic alloy, for example, of a titanium alloy. The dielectric substrate 5 is made, for example, of a plate of artificial leucosapphire with a specific crystallographic orientation, for example (1012), on the surface of which a silicon layer is grown, from which strain gages are formed, oriented along the crystallographic (011) directions of silicon, and possibly insensitive to deformation and sensitive temperature resistor 14, oriented in the direction of minimum strain sensitivity, for example, at 45 ° to the crystallographic direction (011) of silicon. The strain gauges 6, oriented in such a way as to obtain changes in the resistances of different signs during bending deformation of the central protrusion 3, are located on the central protrusion of the power-sensing element near the transition from the central protrusion to the transverse part. The sapphire plate 5 can be mounted on the surface of a titanium alloy power-sensing element by high-temperature brazing with silver-containing solder.

например ПСР-72, при этом достаточпо высокий предел пластической деформации и малая толщина слоя припоя обеспечивают высокие метрологические характеристики устройства.for example, PSR-72, while a sufficiently high limit of plastic deformation and a small thickness of the solder layer provide high metrological characteristics of the device.

На фиг.З и фиг.4 показан вариант выполнения устройства для измерения силы прямоугольной формы. В этом варианте имеется два отверстия 7 для крепления устройства, дополнительная жесткая перемычка 8 со стороны центрального выступа 3 и выступ 16 с отверстием 17, сформированный в виде дополнительного элемента, соединяемого с центральным выступом 3 силовоспринимающего элемента посредством контактной сварки или любым другим способом, и предназначенный для крепления ленточной тяги. Использование данного варианта устройства обеспечивает легкость его замены.Fig. 3 and Fig. 4 show an embodiment of a device for measuring the force of a rectangular shape. In this embodiment, there are two holes 7 for fastening the device, an additional rigid jumper 8 from the side of the central protrusion 3 and the protrusion 16 with the hole 17, formed as an additional element connected to the central protrusion 3 of the power-sensing element by resistance welding or any other method, and designed for fastening the tape traction. Using this variant of the device provides ease of replacement.

На фиг.З и фиг.6 показан вариант выполнения устройства для измерения силы с выступом 16 и отверстием 17 на конце центрального выступа 3 силовоспринимающего элемента, сформированными в виде унитарной конструкции с центральным выступом силовоспринимающего элемента, и предназначенными для крепления ленточной тяги. Отверстие 17 может быть выполнено с резьбой при достаточной толщине выступа. Изготовление данного варианта устройства не требует дополнительной операции контактной сварки или другой для формирования выступа.Fig. 3 and Fig. 6 show an embodiment of a device for measuring force with a protrusion 16 and a hole 17 at the end of the central protrusion 3 of the power-sensing element, formed in the form of a unitary structure with a central protrusion of the power-sensing element, and intended for fastening the tie rod. The hole 17 may be threaded with sufficient thickness of the protrusion. The manufacture of this embodiment of the device does not require additional resistance welding or another to form a protrusion.

На фиг.7 показан вариант выполнения устройства для измерения силы, в котором отсутствует часть основания 2, не имеющая элементов крепления, что уменьшает расход материала, вес и размеры устройства при полном сохранении метрологических характеристик.Figure 7 shows an embodiment of a device for measuring force, in which there is no part of the base 2 that does not have fastening elements, which reduces the material consumption, weight and dimensions of the device while fully maintaining the metrological characteristics.

На фиг. 8 показан вариант выполнения устройства для измерения силы, в котором имеется коллектор 18 из диэлектрического материала с металлизированными проводниками.In FIG. 8 shows an embodiment of a force measuring device in which there is a collector 18 of dielectric material with metallized conductors.

Устройство для измерения силы работает следующим образом.A device for measuring force operates as follows.

Устройство (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) жестко закрепляется на плоском участке другого устройства (не показано) путем прижатия опорного элемента крепления 1 основания по нижней опорной поверхности 15, например, с помощью винтового соединения через отверстия 7. Измеряемая сила, приложенная вдоль оси отверстия 13 в направлении, перпендику.11ярном плоскости центрального выступа 3 силовоспринимающего элемента, изгибает центральный выступ 3 и жестко за1феш1енную на его поверхности диэлектричес1дао подлож 5 с тензорезисторами 6. При этом тензорезисторы, включенные в мостовую или дифференциальную измерительную схему (не ноказано), изменят свои начальные сопротивления, вследствие чего на выходе измерительной схемы появится сигнал, пропорциональный величине измеряемой силы.The device (Figs. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) is rigidly fixed on a flat section of another device (not shown) by pressing the support element 1 of the base on the lower support surface 15, for example, using a screw connection through the holes 7. The measured force applied along the axis of the hole 13 in the direction perpendicular to the 11th plane of the central protrusion 3 of the force-sensing element bends the central protrusion 3 and dielectric substrate 5 rigidly fixed on its surface with strain gauges 6. In this case, the strain gauges include ennye in a bridge or differential measuring circuit (not nokazano) change their initial resistance, so that the output signal of the measuring circuit will be proportional to the magnitude of the measured force.

Одновременно с изгибом центрального выступа 3 силовоспринимающего элемента под действием измеряемой силы происходит небольшое скручивание поперечного участка 4, концы которого непосредственно соединены с основанием. При этом изгибные напряжения на поверхности диэлектрической подложки 5 вблизи сопряжения центрального выступа с поперечной частью и в зоне расположения тензорезисторов 6, будут иметь плавный экстремум. Это повышает перегрузочную способность устройства для измерения силы, увеличршает его эксплуатационную надежность, долговременную стабильность и работоспособность.Simultaneously with the bending of the central protrusion 3 of the power-receiving element under the influence of the measured force, a slight twisting of the transverse section 4 occurs, the ends of which are directly connected to the base. In this case, the bending stresses on the surface of the dielectric substrate 5 near the interface of the central protrusion with the transverse part and in the area of the strain gauges 6 will have a smooth extremum. This increases the overload ability of the device for measuring force, increases its operational reliability, long-term stability and performance.

Таким образом, как видно из описания устройства и его принципа действия, получено новое техническое решение, при котором обеспечивается высокая точность измерений (0,05 - 0,15%), высокая чувствительность выходного сигнала (30mV на 1 вольт напряжения питания), отсутствие влияния закрепления и различия температурных коэффициентов линейного расширения материалов устройства для измерения силы и преобразователя, в который оно установлено, на начальный выходной сигнал, высокая перегрузочная способность, долговременная стабильность измерений, надежность работы в шрфоком интервале температур (от минус 50 до плюс 120°С и более), компактность и простота конструкции. Устройство для измерения силы, выполненное согласно полезной модели, целесообразно использовать для верхних пределов измерений 1 - 5 N в малогабаритных приборах давления, разрежения, разности давлений, расхода, уровня и других устройствах, измерительные узлы которых первоначально преобразуют измеряемую физическую величину в силу.Thus, as can be seen from the description of the device and its operating principle, a new technical solution is obtained, which ensures high measurement accuracy (0.05 - 0.15%), high sensitivity of the output signal (30mV per 1 volt of supply voltage), no influence fixing and differences in the temperature coefficients of linear expansion of the materials of the device for measuring the force and the transducer in which it is installed on the initial output signal, high overload capacity, long-term stability of measurements, shrfokom of papers, in the temperature range (from minus 50 to plus 120 ° C and more), the compactness and simplicity of construction. A device for measuring force, made according to the utility model, it is advisable to use for the upper limits of measurements 1 - 5 N in small-sized devices of pressure, vacuum, pressure difference, flow, level and other devices, the measuring units of which initially convert the measured physical quantity into force.

Авторы/ Лучко В.Е.Authors / Luchko V.E.

Claims

1. A device for measuring force, comprising a base with fastening elements, a power sensing element consisting of a central protrusion and a transverse part, directly connected by its transverse part to the base in the form of a unitary structure and having a thickness of 5 or more times less than the thickness of the base, and at least two strain gages located near the interface between the central protrusion of the force-sensing element and its transverse part and placed on a dielectric substrate rigidly fixed to the surface of the power-sensing element, characterized in that the parts of the base located on both sides of the central protrusion of the power-sensing element are interconnected by a rigid jumper, the thickness of which is close to the thickness of the base located outside the power-sensing element with a gap from it from the side of its transverse part, base fastening elements are located on one side of the power-receiving element, and the lower surfaces of the hard bridge and the other half of the base, which does not have an element s mounting, made with a recess in relation to the supporting surface of the base.

2. The device according to claim 1, characterized in that the parts of the base located on both sides of the central protrusion of the power-sensing element are interconnected by two rigid jumpers located on the side of the central protrusion and the transverse part of the power-sensing element with a gap from them.

3. The device according to any one of claims 1 and 2, characterized in that on the upper surface of the base there is a recess on at least one side of the power-sensing element.

4. The device according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that at the end of the thin central protrusion of the power-receiving element there is a protrusion with a height close to the thickness of the base with a hole along the axis of symmetry of the central protrusion.

5. The device according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that on the power-sensing element closer to its transverse part there is an additional technological hole.

6. The device according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that the dielectric substrate is additionally placed insensitive to deformation and temperature-sensitive resistor made of heteroepitaxial silicon or other material.

7. The device according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that on the upper surface of the base outside the power-sensing element is placed a collector of dielectric material with metallized conductors.