RU2231021C1 - Method of manufacture of strain-gauge sensitive elements - Google Patents
Method of manufacture of strain-gauge sensitive elements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2231021C1 RU2231021C1 RU2003115063/28A RU2003115063A RU2231021C1 RU 2231021 C1 RU2231021 C1 RU 2231021C1 RU 2003115063/28 A RU2003115063/28 A RU 2003115063/28A RU 2003115063 A RU2003115063 A RU 2003115063A RU 2231021 C1 RU2231021 C1 RU 2231021C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- strain
- strain gages
- zones
- deformations
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Способ относится к тензорезисторным датчикам механических величин и может быть использован при изготовлении датчиков, работающих в условиях воздействия нестационарных температур.The method relates to strain gauge sensors of mechanical quantities and can be used in the manufacture of sensors operating under conditions of unsteady temperature.
Известен способ изготовления тензорезистивных чувствительных элементов (прототип - авторское свидетельство №1293474), согласно которому для компенсации аддитивной температурной погрешности при работе датчика в условиях воздействия нестационарных температур, все четыре тензорезистора располагаются на упругом элементе в местах, где температура и температурные деформации в каждый момент времени в течение всего времени термоудара имеют одинаковую величину и знак (равномерные температурные условия). При этом выбираются зоны на упругом элементе, чтобы тензорезисторы. находясь в равномерных температурных условиях, одновременно могли воспринимать попарно деформации разного знака от измеряемого параметра. В этом случае все четыре тензорезистора мостовой схемы являются рабочими (воспринимают информационный параметр через деформацию упругого элемента), а в связи с тем. что все они находятся в равномерных температурных условиях, то изменение сопротивлений всех тензорезисторов как от температуры, так и от температурных деформаций упругого элемента в каждый момент воздействия термоудара будут одинаковыми как по знаку, так и по амплитуде (при условии равенства температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) и температурных коэффициентов тензочувствительности (ТКЧ)). Это позволяет при соединении тензорезисторов в мостовую измерительную цепь, попарно в противолежащие плечи тензорезисторов, воспринимающих деформацию одного знака, не только получить выходной сигнал прямо пропорциональный измеряемому параметру, но и осуществить компенсацию аддитивной температурной погрешности в течение всего времени воздействия термоудара. Это объясняется свойством мостовой схемы вычитать суммы падений напряжений на тензорезисторах, попарно расположенных в противолежащих плечах, тогда из условия баланса мостовой схемы R1·R4=R2·R3, при одинаковых изменениях сопротивлений всех четырех тензорезисторов мостовой схемы ее баланс не нарушится. Условие же равенства ТКЧ для всех тензорезисторов выполняется с достаточной точностью в связи с тем, что наклеиваемые тензорезисторы, как правило, изготавливаются из одной партии и даже из одной катушки выпуска тензопровода, а тензорезисторы, изготавливаемые по микроэлектронной технологии, выполняются в едином вакуумном цикле из одной навески. Для обеспечения равенства номиналов и ТКС всех тензорезисторов в настоящее время разработано достаточно методов технологических, конструктивных и схемных.A known method of manufacturing a strain gauge sensitive elements (prototype - copyright certificate No. 1293474), according to which to compensate for the additive temperature error when the sensor is operating under conditions of unsteady temperature, all four strain gauges are located on the elastic element in places where the temperature and temperature deformations at any time during the whole time thermal shock have the same size and sign (uniform temperature conditions). In this case, zones on the elastic element are selected so that the strain gages are. being in uniform temperature conditions, at the same time they could perceive pairwise deformations of different signs from the measured parameter. In this case, all four bridge strain gages are operational (they perceive the information parameter through the deformation of the elastic element), and therefore. Since all of them are in uniform temperature conditions, the change in the resistances of all strain gages both from temperature and from temperature deformations of the elastic element at each moment of thermal shock will be the same both in sign and amplitude (provided that the temperature resistance coefficients are equal (TCS) and temperature coefficient of strain sensitivity (TCR)). This allows connecting strain gages to a bridge measuring circuit, pairwise to the opposite arms of strain gages that perceive deformation of the same sign, not only to obtain an output signal directly proportional to the measured parameter, but also to compensate for the additive temperature error during the entire time of the impact of thermal shock. This is explained by the property of the bridge circuit to subtract the sum of the voltage drops on the strain gages, located in pairs in opposite arms, then from the balance condition of the bridge circuit R 1 · R 4 = R 2 · R 3 , with the same changes in the resistance of all four strain gages of the bridge circuit, its balance will not be violated. The condition of TKH equality for all strain gages is met with sufficient accuracy due to the fact that glued strain gages are usually made from one batch and even from one coil of release of the strain gauge, and strain gauges made by microelectronic technology are performed in a single vacuum cycle from one hinges. To ensure the equality of the ratings and the TCS of all strain gages, enough technological, structural and circuit methods have been developed at present.
Полученный эффект в прототипе достигается тем, что перед установкой рабочих тензорезисторов на упругий элемент, на технологическом упругом элементе принятой конструкции определяют, например, методом тензометрирования (см. Тихоненков В.А. и др. Влияние конструкции упругого элемента на температурные погрешности тензорезисторного датчика давления. Приборы и системы управления. 1991 г., № 6) температурные поля и поля температурных деформаций при воздействии термоудара, например, путем воздействия на приемную полость датчика жидкого азота. Одновременно, либо по эпюре деформаций, либо экспериментальным путем, определяют зоны на упругом элементе, в которых имеются деформации разного знака от измеряемого параметра. Находят наличие в обеих зонах деформаций мест, в которых температура и температурные деформации имеют одинаковые значения как по величине, так и по знаку в каждый момент времени действия термоудара (равномерные температурные условия), и наносят в этих местах линии разметки для установки в каждой зоне по два тензорезистора. При сборке рабочего чувствительного элемента производят установку тензорезисторов по линиям разметки с последующим соединением их в мостовую измерительную цепь таким образом, чтобы тензорезисторы, воспринимающие деформацию разного знака, находились в смежных плечах.The obtained effect in the prototype is achieved by the fact that before installing the working strain gages on the elastic element, on the technological elastic element of the accepted design, it is determined, for example, by the method of tensometry (see Tikhonenkov V.A. et al. Influence of the design of the elastic element on the temperature errors of the strain gauge pressure sensor. Devices and control systems. 1991, No. 6) temperature fields and fields of thermal deformations when exposed to thermal shock, for example, by exposing the receiving cavity to a liquid nitrogen sensor. At the same time, either on the deformation diagram or experimentally, zones on the elastic element are determined in which there are deformations of different signs from the measured parameter. They find the presence in both deformation zones of places where the temperature and temperature deformations have the same values both in magnitude and in sign at each instant of thermal shock (uniform temperature conditions), and mark lines in these places for installation in each zone according to two strain gauges. When assembling the working sensing element, strain gauges are installed along the marking lines with their subsequent connection to the bridge measuring circuit so that the strain gauges that perceive deformation of a different sign are in adjacent shoulders.
Конструктивным исполнением рассмотренного способа изготовления чувствительного элемента является авторское свидетельство №599170. Анализ чувствительного элемента по данному авторскому свидетельству показывает, что для выполнения требования равномерных температурных условий в месте установки тензорезисторов требуется создание довольно сложных в конструктивном исполнении упругих элементов. А это, в свою очередь, не только ограничивает диапазон измерения датчика (данная конструкция рассчитана на средние диапазоны измеряемого давления), но и значительно увеличивает габариты датчика, приводит к неудобству в процессе эксплуатации (глубокое проникновение конструкции датчика в исследуемый трубопровод), резко снижает технологичность конструкции датчика.The design of the considered method of manufacturing a sensitive element is the copyright certificate No. 599170. The analysis of the sensitive element according to this copyright certificate shows that in order to fulfill the requirement of uniform temperature conditions at the installation site of the strain gages, it is necessary to create elastic elements that are quite complex in design. And this, in turn, not only limits the measuring range of the sensor (this design is designed for medium ranges of measured pressure), but also significantly increases the dimensions of the sensor, leads to inconvenience during operation (deep penetration of the sensor design into the pipeline under study), sharply reduces manufacturability sensor designs.
Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способов изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, которые бы позволили расширить область использования различных существующих конструктивных исполнений упругих элементов для датчиков, работоспособных в нестационарных температурных режимах, что в свою очередь позволяет расширить диапазон измеряемого параметра, минимизировать габаритные размеры и повысить технологичность изготовления датчиков.The problem to which the claimed invention is directed is to develop methods for manufacturing strain gauge sensitive elements that would expand the range of use of various existing designs of elastic elements for sensors that are operable in non-stationary temperature conditions, which in turn allows you to expand the range of the measured parameter, minimize overall dimensions and increase the manufacturability of the manufacture of sensors.
Технический результат - расширение диапазона измерения информационного параметра, минимизация габаритных размеров и повышение технологичности в процессе изготовления датчиков.The technical result is the expansion of the measurement range of the information parameter, minimizing the overall dimensions and improving manufacturability in the process of manufacturing sensors.
Указанный технический результат достигается тем, что разработан метод изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, позволяющий расширить перечень упругих элементов и упростить их конструкцию по сравнению с прототипом, использование которых обеспечивает достижение поставленной цели.The specified technical result is achieved by the fact that a method for manufacturing strain gauge sensitive elements has been developed, which allows to expand the list of elastic elements and simplify their design in comparison with the prototype, the use of which ensures the achievement of the goal.
При отсутствии на упругом элементе зон, в которых имелись бы места для установки всех четырех тензорезисторов с равными или равными среднеинтегральными температурными условиями, достаточно определить две зоны с разными знаками деформации от измеряемого параметра, в которых можно было бы разместить по два тензорезистора таким образом, чтобы они попарно находились в равномерных среднеинтегральных температурных условиях. При этом в равномерных среднеинтегральных температурных условиях должны находится по одному месту для тензорезисторов в каждой зоне деформации от измеряемого параметра. То есть, если в указанных местах установить рабочие тензорезисторы, то попарно, по одному тензорезистору из каждой зоны деформации от измеряемого параметра, они будут находиться в равномерных среднеинтегральных температурных условиях. Тогда изменение сопротивлений тензорезисторов в каждый момент времени воздействия нестационарных температур, попарно, по одному из каждой зоны деформации от измеряемого параметра, будут одинаковыми как по амплитуде, так и по знаку. Если собрать из этих тензорезисторов мостовую схему, разместив тензорезисторы, находящиеся в равномерных среднеинтегральных температурных условиях в смежные плечи, то получим чувствительный элемент с мостовой измерительной цепью, у которого, во-первых, тензорезисторы, воспринимающие деформацию одного знака, будут находиться в противолежащих плечах, а во-вторых, по одному тензорезистору из каждой пары будут одинаково изменять свое сопротивление при воздействии нестационарных температур. Таким образом чувствительный элемент будет иметь выходной сигнал, прямо пропорциональный измеряемому параметру и одновременно суммы падений напряжений на тензорезисторах, расположенных в противолежащих плечах мостовой схемы, будут равны в каждый момент времени воздействия нестационарных температур. Тогда, благодаря свойству мостовой схемы вычитать суммы падений напряжений в противоположных плечах друг из друга, произойдет минимизация аддитивной температурной погрешности датчика при работе в нестационарных температурных режимах.In the absence of zones on the elastic element in which there would be places for installing all four strain gauges with equal or equal average integral temperature conditions, it is enough to determine two zones with different signs of deformation from the measured parameter, in which two strain gauges could be placed so that they were pairwise in uniform average integral temperature conditions. In this case, in uniform average integral temperature conditions, one place for strain gages in each deformation zone from the measured parameter should be located. That is, if working strain gages are installed in the indicated places, then in pairs, one strain gage from each deformation zone of the measured parameter, they will be in uniform average integral temperature conditions. Then, the change in the resistance of the strain gauges at each time instant of exposure to non-stationary temperatures, in pairs, one from each zone of deformation from the measured parameter, will be the same both in amplitude and in sign. If we assemble a bridge circuit from these strain gauges, placing the strain gauges located in uniform average integral temperature conditions in adjacent shoulders, we will obtain a sensitive element with a bridge measuring circuit, in which, firstly, the strain gauges that receive the deformation of the same sign will be in opposite shoulders, and secondly, one strain gauge from each pair will equally change its resistance when exposed to unsteady temperatures. Thus, the sensitive element will have an output signal that is directly proportional to the measured parameter and at the same time the sum of the voltage drops on the strain gauges located in the opposite shoulders of the bridge circuit will be equal at each time of exposure to unsteady temperatures. Then, due to the property of the bridge circuit to subtract the sum of the voltage drops in the opposite arms from each other, the additive temperature error of the sensor will be minimized when operating in non-stationary temperature conditions.
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
С целью расширения области применения существующих конструкций упругих элементов для создания чувствительных элементов, работоспособных в условиях нестационарных тепловых режимах, разработан способ, позволяющий для данных целей использовать упругие элементы, которые не могут иметь две зоны деформации от измеряемого параметра, в которых выполняется требование по равномерности температурных условий при нестационарных тепловых режимах. В частности предлагается способ изготовления чувствительных элементов, на поверхности упругих элементов которых имеется две зоны с разными знаками деформаций от измеряемого параметра, в каждой из которых имеется по два места с равномерными среднеинтегральными температурными условиями, отличными в каждой зоне, но попарно одинаковыми в разных зонах.In order to expand the scope of existing designs of elastic elements to create sensitive elements that are capable of operating under unsteady thermal conditions, a method has been developed that allows for these purposes to use elastic elements that cannot have two deformation zones from the measured parameter, in which the requirement for uniformity of temperature conditions under unsteady thermal conditions. In particular, a method for manufacturing sensitive elements is proposed, on the surface of the elastic elements of which there are two zones with different signs of deformation from the measured parameter, in each of which there are two places with uniform average integral temperature conditions that are different in each zone, but pairwise identical in different zones.
Примером конструктивного исполнения предлагаемого способа могут служить упругие элементы в виде жесткозащемленной с двух сторон балки и нагруженной - в центре. Подобные чувствительные элементы на каждой стороне имеют четыре зоны, по две зоны на каждой половине балки (от места защемления одного конца до места нагружения балки в центре) с разными знаками деформации от измеряемого параметра. При этом в зависимости от тепловых потоков по телу балки невозможно установить все четыре тензорезистора в равномерных температурных условиях. Следовательно, способ изготовления чувствительных элементов согласно прототипу для данных конструкций не подходит.An example of the design of the proposed method can serve as elastic elements in the form of a beam rigidly clamped on both sides and loaded in the center. Similar sensitive elements on each side have four zones, two zones on each half of the beam (from the pinch point of one end to the place of loading of the beam in the center) with different signs of deformation from the measured parameter. At the same time, depending on the heat fluxes along the beam body, it is impossible to install all four strain gages in uniform temperature conditions. Therefore, the method of manufacturing the sensitive elements according to the prototype for these structures is not suitable.
Однако в зависимости от конструктивного исполнения упругого элемента можно добиться, чтобы зоны, имеющие разные знаки деформации от измеряемого параметра на обеих половинах балки, имели бы равномерные среднеинтегральные температурные условия. Таким образом, зона растяжения на одной половине балки будет иметь равномерные температурные условия с зоной сжатия на другой половине балки. После определения таких зон, фиксации места установки тензорезисторов в них линиями разметки и установки рабочих тензорезисторов по этим линиям, по два тензорезистора, воспринимающих разные знаки деформации от измеряемого параметра, будут находиться в равномерных среднеинтегральных температурных условиях при воздействии нестационарных температурных режимов. Если собрать из этих тензорезисторов мостовую схему, расположив тензорезисторы воспринимающие деформации одного знака в противолежащих плечах, то тензорезисторы, находящиеся в равномерных среднеинтегральных температурных условиях, окажутся в смежных плечах мостовой схемы.However, depending on the design of the elastic element, it is possible to achieve that zones with different signs of deformation from the measured parameter on both halves of the beam have uniform average integral temperature conditions. Thus, the tension zone on one half of the beam will have uniform temperature conditions with the compression zone on the other half of the beam. After identifying such zones, fixing the place of installation of the strain gages in them with marking lines and installing working strain gages along these lines, two strain gages that perceive different signs of deformation from the measured parameter will be in uniform average integral temperature conditions when exposed to non-stationary temperature conditions. If you assemble a bridge circuit from these strain gauges, positioning the strain gauges perceiving deformations of the same sign in opposite shoulders, then the strain gauges located in uniform average integral temperature conditions will be in adjacent shoulders of the bridge circuit.
Так как выходной сигнал с мостовой схемы определяется разностью сумм падений напряжений на тензорезисторах, расположенных в противолежащих плечах, то при одинаковом уходе сопротивления, от воздействия температуры и температурных деформаций при нестационарных температурах, тензорезисторов, находящихся в смежных плечах, сумма падений напряжений тензорезисторов, находящихся в противолежащих плечах будут равны между собой и при их вычитании будет происходить компенсация аддитивной температурной погрешности датчика при воздействии нестационарных тепловых режимов. Одновременно, так как тензорезисторы, воспринимающие деформации от измеряемого параметра одного знака, расположены в противолежащих плечах, выходной сигнал с мостовой измерительной цепи будет прямо пропорционален измеряемому параметру.Since the output signal from the bridge circuit is determined by the difference in the sum of the voltage drops on the strain gages located in opposite arms, then with the same resistance moving away from the effects of temperature and temperature deformations at non-stationary temperatures, the strain gages in adjacent arms, the sum of the voltage drops in the gages located in adjacent arms the opposite shoulders will be equal to each other, and when they are subtracted, the additive temperature error of the sensor will be compensated when exposed to tatsionarnyh thermal modes. At the same time, since strain gauges that perceive deformations from the measured parameter of the same sign are located on opposite shoulders, the output signal from the bridge measuring circuit will be directly proportional to the measured parameter.
При этом использование в виде упругого элемента балки, защемленной с двух сторон и нагруженной в центре, позволяет создать чувствительные элементы для измерения средних и низких значений измеряемого параметра, которые технологичны в производстве и обладают меньшими размерами по сравнению с конструкциями, изготовленными по прототипу.Moreover, the use of a beam in the form of an elastic element, pinched on both sides and loaded in the center, allows you to create sensitive elements for measuring medium and low values of the measured parameter, which are technological in production and have smaller dimensions in comparison with structures made according to the prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003115063/28A RU2231021C1 (en) | 2003-05-20 | 2003-05-20 | Method of manufacture of strain-gauge sensitive elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003115063/28A RU2231021C1 (en) | 2003-05-20 | 2003-05-20 | Method of manufacture of strain-gauge sensitive elements |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2231021C1 true RU2231021C1 (en) | 2004-06-20 |
| RU2003115063A RU2003115063A (en) | 2004-11-10 |
Family
ID=32847025
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003115063/28A RU2231021C1 (en) | 2003-05-20 | 2003-05-20 | Method of manufacture of strain-gauge sensitive elements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2231021C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2803024C1 (en) * | 2022-12-29 | 2023-09-05 | Александр Александрович Цывин | Group method of manufacturing elastic elements of strain-resistor power sensors |
-
2003
- 2003-05-20 RU RU2003115063/28A patent/RU2231021C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ТИХОНЕНКОВ В.А. и др. Влияние конструкции упругого элемента на температурные погрешности тензорезисторного датчика давления // Приборы и системы управления, 1991, № 6. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2803024C1 (en) * | 2022-12-29 | 2023-09-05 | Александр Александрович Цывин | Group method of manufacturing elastic elements of strain-resistor power sensors |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69915672D1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR TORQUE MEASUREMENT | |
| JP5155702B2 (en) | Strain measuring device | |
| JP5237383B2 (en) | Rosette strain gauge for measuring internal stress | |
| CN108760109A (en) | The soil pressure measuring device and method of changeable fluid based on bragg grating | |
| CN106198611B (en) | Composite panel coefficient of thermal expansion computational methods based on fibre strain transition matrix | |
| CN114413780B (en) | Structural thermal strain measurement method for airplane test | |
| JP2003222507A (en) | Optical fiber sensor and strain monitoring system using sensor | |
| KR20170119283A (en) | A strain gauge and a pressure sensor comprising thereof | |
| RU2231021C1 (en) | Method of manufacture of strain-gauge sensitive elements | |
| CN111664920A (en) | Device for accurately measuring sample mass change under microwave action | |
| RU2307317C1 (en) | Method of adjusting strain gages | |
| RU2231023C1 (en) | Method of manufacture of strain-gauge sensitive elements | |
| RU2231022C1 (en) | Method of manufacture of strain-gauge sensitive elements | |
| RU2800400C1 (en) | Method for grading strain gauge pins of circular cross section for measuring horizontal force | |
| RU2221227C1 (en) | Strain-measuring force cell for dynamometer testing of well sucker-rod pumps | |
| RU2819553C1 (en) | Strain gage force sensor | |
| RU2267756C1 (en) | Method of compensating additive temperature error of strain-gauges | |
| Abu-Mahfouz | Strain Gauge | |
| RU2784640C1 (en) | Universal sensor calibration device for static tests | |
| CN116907689A (en) | Temperature information correction method for optical fiber temperature sensor | |
| SU1293474A1 (en) | Method for manufacturing resistance strain gauge sensing elements | |
| SU1474486A1 (en) | Pressure transducer | |
| RU2464538C1 (en) | Pressure sensor | |
| RU2027142C1 (en) | Method of temperature compensation of resistor strain gauges | |
| RU2267755C1 (en) | Method of minimizing additive temperature error of strain gauges |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050521 |