RU2786759C1 - Strain sensor - Google Patents
Strain sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2786759C1 RU2786759C1 RU2022107583A RU2022107583A RU2786759C1 RU 2786759 C1 RU2786759 C1 RU 2786759C1 RU 2022107583 A RU2022107583 A RU 2022107583A RU 2022107583 A RU2022107583 A RU 2022107583A RU 2786759 C1 RU2786759 C1 RU 2786759C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensitive element
- strain gauge
- sensor
- signal processing
- housing
- Prior art date
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 3
- 229910001006 Constantan Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 2
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 2
- 239000011528 polyamide (building material) Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004260 weight control Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к тензометрическим устройствам для измерения деформаций твердых тел и может быть использовано для определения деформаций от веса груза, например определения нагрузки на ось грузовых автотранспортных средств.SUBSTANCE: invention relates to measuring technique, namely, to tensometric devices for measuring deformations of solid bodies and can be used to determine deformations due to the weight of a load, for example, to determine the axle load of trucks.
Известен датчик деформации RU 201365, опубл. 11.12.2020, содержащий съемный корпус, закрепленный на основании датчика, выполненного в виде пластины, средняя часть которой имеет дугообразную форму и выступы для фиксации корпуса, также на краях пластины выполнены отверстия для крепления датчика к объекту измерения, а тензорезистивный мост прикреплен к дугообразной поверхности основания. Недостатком такой конструкции датчика является сложность изготовления элементов датчика, подразумевающая использование высокоточного металлообрабатывающего оборудования и исключающая возможность изготовления серийной партии в промышленных масштабах в короткие сроки в случае необходимости обеспечения конвейерного производства грузовых транспортных средств.Known strain sensor RU 201365, publ. 12/11/2020, containing a removable housing, fixed on the base of the sensor, made in the form of a plate, the middle part of which has an arcuate shape and protrusions for fixing the housing, holes are also made on the edges of the plate for attaching the sensor to the measurement object, and the strain-resistive bridge is attached to the arcuate surface grounds. The disadvantage of this design of the sensor is the complexity of manufacturing sensor elements, which implies the use of high-precision metalworking equipment and excludes the possibility of manufacturing a serial batch on an industrial scale in a short time if it is necessary to ensure conveyor production of trucks.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) принят датчик деформации горизонтального типа RU 2711183, опубл. 15.01.2020, состоящий из сборки, содержащей две пары перпендикулярно направленных тензорезисторов фольгового типа на основе константана, представляющих собой полномостовую схему Уитсона, наклеенную в геометрическом центре дугообразной, предварительно отполированной ручным или полумеханическим способом до уровня не менее 7 класса чистоты, поверхности металлического элемента, интегрированный во внутрь корпуса датчика электронный модуль обработки сигналов тензорезисторной сборки, включающий 32-битный процессор на основе ядра Cortex-M0, высокоточный цифровой датчик температуры для осуществления процесса температурной компенсации, NFC модуль, и CAN интерфейс для проводной передачи данных на монитор системы для дальнейшей обработки и индикации, при этом металлическая часть корпуса датчика выполнена из легированной стали марки 40CrNiMoA, а пластиковая часть корпуса выполнена из ударопрочного и маслобензостойкого стеклонаполненного полиамида. Известный датчик разрабатывался для использования преимущественно на грузовых и сельскохозяйственных транспортных средствах, однако, его конструкция включает сложный в изготовлении чувствительный металлический элемент, что значительно увеличивает сроки производства датчика, а также размеры самого датчика превышают размеры свободного пространства для его установки.As the closest analogue (prototype) adopted a horizontal strain gauge RU 2711183, publ. 01/15/2020, consisting of an assembly containing two pairs of perpendicularly directed foil-type strain gauges based on constantan, which are a full-bridge Whitson circuit, glued in the geometric center of an arc-shaped, pre-polished manually or semi-mechanically to a level of at least 7 cleanliness class, the surface of a metal element, an electronic signal processing module of a strain gauge assembly integrated inside the sensor housing, including a 32-bit processor based on the Cortex-M0 core, a high-precision digital temperature sensor for implementing the temperature compensation process, an NFC module, and a CAN interface for wired data transmission to the system monitor for further processing and indication, while the metal part of the sensor housing is made of 40CrNiMoA alloy steel, and the plastic part of the housing is made of shock-resistant and oil and petrol-resistant glass-filled polyamide. The well-known sensor was developed for use mainly on trucks and agricultural vehicles, however, its design includes a sensitive metal element that is difficult to manufacture, which significantly increases the production time of the sensor, and the dimensions of the sensor itself exceed the dimensions of the free space for its installation.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение технологичности тензометрического датчика деформации за счет улучшения его приспособленности к производству, эксплуатации и ремонту путем обеспечения простоты его изготовления, минимизации размеров датчика и унификации комплектующих, а также повышение точности измерений за счет усиления помехозащищенности и устойчивости к внешним неблагоприятным воздействиям.The technical result of the present invention is to increase the manufacturability of the strain gauge strain gauge by improving its suitability for production, operation and repair by ensuring ease of manufacture, minimizing the size of the sensor and unifying the components, as well as improving the accuracy of measurements by increasing noise immunity and resistance to external adverse effects.
Технический результат достигается тем, что в датчике деформации горизонтального типа, содержащем пластиковый корпус, жестко скрепляемый с двумя подкладочными пластинами, внутри которого установлен металлический чувствительный элемент с дугообразной средней частью, на которой установлена тензорезисторная сборка, и соединенный с электронным модулем обработки сигналов, согласно изобретению, чувствительный элемент выполнен из штампованного металлического листа, закрепленного в корпусе при помощи двух пар скрепленных между собой штампованных фиксирующих пластин, а на нем установлен температурный датчик, связанный с электронным модулем обработки сигналов.The technical result is achieved by the fact that in a horizontal type strain gauge containing a plastic housing rigidly fastened with two backing plates, inside of which a metal sensitive element with an arcuate middle part is installed, on which a strain gauge assembly is installed, and connected to an electronic signal processing module, according to the invention , the sensitive element is made of a stamped metal sheet fixed in the housing with the help of two pairs of stamped fixing plates fastened together, and a temperature sensor is installed on it, associated with an electronic signal processing module.
Кроме того, внутри корпуса над электронным модулем может быть установлен куполообразный экранирующий элемент из фольгированного материала толщиной от 0,2 до 0,5 мм.In addition, a dome-shaped shielding element made of foil material with a thickness of 0.2 to 0.5 mm can be installed inside the housing above the electronic module.
При этом, длина и ширина корпуса не превышает, соответственно 55х38 мм, толщина металлического листа чувствительного элемента выбирается из диапазона от 0,5 до 3 мм, а высота чувствительного элемента вместе с фиксирующими пластинами не превышает от 5 до 10 мм.At the same time, the length and width of the housing do not exceed 55x38 mm, respectively, the thickness of the metal sheet of the sensitive element is selected from the range from 0.5 to 3 mm, and the height of the sensitive element together with the fixing plates does not exceed 5 to 10 mm.
Дополнительно с противоположной стороны от тензорезисторной сборки на чувствительном элементе в центре дугообразной части может быть установлена вторая тензорезисторная сборка, соединенная с электронным модулем.Additionally, on the opposite side of the strain gauge assembly, a second strain gauge assembly connected to the electronic module can be installed on the sensitive element in the center of the arcuate part.
Также, фиксирующие пластины могут быть попарно жестко соединены между собой при помощи электродуговой, точечной или иной сварки, а так же заклепывания. Причем допускается использование всех методов соединения одновременно.Also, the fixing plates can be rigidly connected in pairs by means of electric arc, spot or other welding, as well as riveting. Moreover, it is allowed to use all connection methods simultaneously.
Изобретение поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:
Фиг. 1 - вид датчика в разрезе (в изометрии),Fig. 1 - sectional view of the sensor (isometric),
Фиг. 2 - вид датчика в собранном виде (в изометрии),Fig. 2 - view of the sensor in assembled form (in isometry),
Фиг. 3 - чувствительный элемент, выгнутый с фиксирующими пластинами,Fig. 3 - sensitive element, curved with fixing plates,
Фиг. 4 - чувствительный элемент, вогнутый с пластинами и тензорезисторной сборкой,Fig. 4 - sensitive element, concave with plates and strain gauge assembly,
Фиг. 5 - вид сбоку мостовой оси транспортного средства с установленными датчиками.Fig. 5 is a side view of a bridge axle of a vehicle with sensors installed.
Согласно заявленному техническому решению, тензометрический датчик горизонтального типа (Фиг. 1) представляет собой устройство для измерения деформации от веса груза, которое состоит из: пластикового корпуса 1, который жестко закреплен чаще всего четырьмя винтами 2 на двух подкладочных пластинах 3, внутри корпуса 1 которого установлен металлический чувствительный элемент 4 с тензорезисторной сборкой, соединенной с электронным модулем 5 обработки сигналов бортовой системы мониторинга осевой нагрузки (СМОН). Корпус 1 имеет перевернутую Т-образную форму (Фиг. 2), чаще всего изготавливается из ударопрочного и маслобензостойкого стеклонаполненного полиамида, и закрепляется к подкладочным пластинам 3 краями горизонтальной перекладины, которая является основанием корпуса 1. Подкладочные пластины 3 приварены или другим образом жестко закреплены на поверхности объекта измерений, например, на мостовой оси транспортного средства (Фиг. 5).According to the claimed technical solution, a horizontal type strain gauge (Fig. 1) is a device for measuring deformation from the weight of a load, which consists of: a
Чувствительный элемент 4 закреплен внутри корпуса 1 при помощи двух пар фиксирующих пластин 6, которые также как корпус 1 жестко крепятся к подкладочным пластинам 3 винтами 2. В каждой паре фиксирующие пластины 6 жестко соединены между собой при помощи электродуговой, или точечной, или иной сварки, или заклепывания. Допускается использование нескольких методов соединения одновременно.The
В корпусе 1 выполнен кабельный вывод 7 для подключения электронного модуля 5 к бортовой системе мониторинга осевой нагрузки (СМОН) (не показана).The
Чувствительный элемент 4 имеет форму удлиненной дугообразной пластины 8, края которой заканчиваются плоскими основаниями 9, каждое из которых крепится в паре жестко скрепленных между собой фиксирующих пластин 6, которые фиксируют чувствительный элемент 4 в корпусе 1 и на подкладочных пластинах 3. Дугообразная средняя часть 8 чувствительного элемента 4 может быть выгнута вверх (как изображено на Фиг. 3) или вогнута вниз (как изображено на Фиг. 4) по отношению к оси (мосту) транспортного средства, а тензорезисторная сборка наклеивается сверху или снизу средней части 8 в ее центре и подключается к электронному модулю 5. Кроме того, для увеличения точности и стабильности измерений, допускается установка дополнительной тензорезисторной сборки, соединяемой с электронным модулем 5 и подключаемой в электрическую схему параллельно. Дополнительная сборка закрепляется на противоположной от первой сборки стороне средней дугообразной части 8 чувствительного элемента 4. Именно такой вариант выполнения датчика с двумя тензорезисторными сборками представлен на Фиг. 1.The
На металлическом чувствительном элементе 4 закреплен температурный датчик (на фигурах не показан) выводного исполнения, за счет чего исключается влияние нагрева печатной платы модуля 5 на результаты измерений вследствие саморазогрева ее электронных компонентов, в частности, микросхемы контроллера в процессе эксплуатации. Данные измерения с температурного датчика поступают в электронный модуль 5.A temperature sensor (not shown in the figures) of the output version is fixed on the metal
Чувствительный элемент 4 изготавливается путем штампования из металлического листа, толщина которого выбирается из диапазона от 0,5 до 3 мм. Такой способ изготовления чувствительного элемента позволяет в несколько десятков раз увеличить скорость и простоту его производства, что в конечном итоге позволяет увеличить технологичность производства датчиков в целом, особенно, при необходимости обеспечения конвейерного производства грузовых автотранспортных средств. Толщина листа выбирается в зависимости от требуемых нагрузок и условий эксплуатации. Например, выявлена следующая усредненная зависимость обеспечения высокой чувствительности от толщины чувствительного элемента для грузовых транспортных средств:The
•Нагрузка на ось (мост) до 5000 кг - 0,8 мм;• Axle load (bridge) up to 5000 kg - 0.8 mm;
•Нагрузка на ось (мост) до 12000 кг - 1,5 мм;• Axle load (bridge) up to 12000 kg - 1.5 mm;
•Нагрузка на ось (мост) свыше 12000 кг - 2,8 мм.• Axle load (axle) over 12,000 kg - 2.8 mm.
Использование листа толщиной менее 0,5 мм в условиях многократных динамических нагрузок в процессе эксплуатации транспортного средства приведет к существенному снижению прочности, последующей усталости и разрушению чувствительного металлического элемента.The use of a sheet with a thickness of less than 0.5 mm under conditions of repeated dynamic loads during the operation of the vehicle will lead to a significant decrease in strength, subsequent fatigue and destruction of the sensitive metal element.
Использование листа толщиной более 3 мм приведет к снижению чувствительности датчика и увеличению погрешности измерений.Using a sheet with a thickness of more than 3 mm will reduce the sensitivity of the sensor and increase the measurement error.
Особенности конструкции чувствительного элемента 4 и его закрепления между фиксирующими пластинами 6 позволяют собирать их таким образом, что высота чувствительного элемента вместе с фиксирующими пластинами 6 не превышает величину от 5 до 10 мм, которая значительно ниже высоты ранее используемых датчиков и не создает помех при эксплуатации транспортного средства, на оси (мосту) которой установлен такой датчик. Что также позволяет устанавливать его на различные по назначению транспортные средства. Изготовление корпуса 1 датчика меньшей высоты приведет к невозможности подключения датчика к бортовой системе контроля веса груза, через кабельный вывод 8.The design features of the
Конструкция тензорезисторной сборки (не показана), установленной на чувствительном элементе 4, чаще всего состоит из двух пар перпендикулярно направленных тензорезисторов фольгового типа на основе константана, представляющая собой полномостовую схему Уитсона. Тензорезисторная сборка подключена к электронному модулю 5 обработки сигналов, который представляет собой печатную плату с электронными компонентами. В примере осуществления настоящей полезной модели электронный модуль 5 содержит 32-битный процессор на основе ядра Cortex-М0 для обработки данных, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), температурный датчик для корректировки полученных измерений в зависимости от температуры металлического элемента датчика, NFC модуль для беспроводной передачи данных и CAN интерфейс для проводной передачи данных по специализированному или стандартному протоколу J1939 (FMS) на внешние устройства или в СМОН для дальнейшей обработки и индикации или визуализации.The design of the strain gauge assembly (not shown) mounted on the
Для повышения помехозащищенности датчика внутри корпуса 1 над печатной платой электронного модуля 5 установлен куполообразный экранирующий элемент 10 из фольгированного материала толщиной от 0,2 до 0,5 мм.To increase the noise immunity of the sensor, inside the
Кроме того, для защиты от воздействия внешних факторов в процессе эксплуатации все элементы внутри корпуса 1 заполнены, эластичным защитным компаундом, что совокупно обеспечивает рабочее функционирования датчика в условиях критических температур в диапазоне температур от -45 до +105°С, в условиях динамических нагрузок не менее 108 циклов.In addition, to protect against external factors during operation, all elements inside the
Для фиксации корпуса 1 датчика с чувствительным элементом 4 и фиксирующими пластинами 6 на подкладочных пластинах 3 используются четыре винта 2 типа М8, длина которых выбирается от 8 до 14 мм в зависимости от толщины применяемых подкладочных пластин 3 и конструкции оси (моста). Это дополнительно приводит к уменьшению затрат и экономии материалов при серийных поставках, по сравнению с ранее применяемыми на аналогичных датчиках винтах типа М8х16 мм. Причем, сами головки винтов 2 защищены от внешних воздействий и коррозии пластиковыми колпачками.To fix the
Изготовление фиксирующих пластин 6 из более дешевого материала, чем материал чувствительного элемента, позволяет значительно снизить себестоимость датчика.The manufacture of
Часто установка тензометрического датчика измерения нагрузки на ось грузового транспортного средства осложняется ограниченностью свободной поверхности моста транспортного средства, пригодной для установки датчика. По результатам анализа различных конструкций мостов транспортных средств выбран оптимальный габаритный размер основания датчика с длиной и шириной соответственно не более 55х38 мм.Often the installation of a strain gauge sensor for measuring the load on the axle of a freight vehicle is complicated by the limited free surface of the vehicle axle suitable for installing the sensor. Based on the results of the analysis of various designs of vehicle bridges, the optimal overall size of the sensor base with a length and width of no more than 55x38 mm, respectively, was selected.
Датчик деформации работает следующим образом.The strain sensor works as follows.
На тензорезистивную сборку чувствительного элемента 4, воспринимающего деформацию и закрепленного через основания 9 зажатые между фиксирующими пластинами 6 четырьмя винтами, проходящими через отверстия в горизонтальной части (основании) корпуса 1, к подкладочным пластинам 3 приваренным к верхней горизонтальной поверхности оси транспортного средства с помощью сварки (Фиг. 5), подается напряжение питания. При деформации дугообразной части 8 чувствительного элемента 4 от веса груза транспортного средства происходит изменение сопротивления тензорезистивной сборки или обеих сборок. Величина измеренного электрического сигнала поступает в электронный модуль 5 обработки сигналов, обрабатывается и далее передается в подключаемый через кабельный вывод 7 и кабель в СМОН, где информация об изменениях выводится на экран и сохраняется в фискальной памяти.On the tensoresistive assembly of the
Предлагаемая конструкция датчика позволяет за счет конструкции составных элементов быстро и недорого изготавливать датчик осевой нагрузки для определения веса груза и нагрузки на ось грузовых автотранспортных средств различных типов за счет компактности размеров, и минимизировать расходы при ремонте и установке за счет использования унифицированных составных элементов, а также проводить достоверные и точные измерения в условиях повышенных или пониженных температур и различных помех.The proposed design of the sensor allows, due to the design of composite elements, to quickly and inexpensively produce an axle load sensor to determine the weight of the load and the axle load of various types of trucks due to its compact size, and to minimize costs during repair and installation through the use of unified components, as well as carry out reliable and accurate measurements in conditions of high or low temperatures and various interferences.
Claims (5)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2786759C1 true RU2786759C1 (en) | 2022-12-26 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU119369A1 (en) * | 1958-06-16 | 1958-11-30 | Г.Е. Рудашевский | A method of manufacturing strain gauge resistance sensors |
SU131529A1 (en) * | 1958-04-04 | 1959-11-30 | Р.А. Макаров | Device for measuring linear deformations of structural elements |
RU2110766C1 (en) * | 1996-07-23 | 1998-05-10 | Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского | Meter measuring deformations at increased temperatures |
US7155981B2 (en) * | 2001-09-14 | 2007-01-02 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Strain sensor with fixing members |
US8024980B2 (en) * | 2008-01-24 | 2011-09-27 | Microstrain, Inc. | Independently calibrated wireless structural load sensor |
RU201365U1 (en) * | 2019-09-30 | 2020-12-11 | Открытое акционерное общество "МИНСКИЙ НИИ РАДИОМАТЕРИАЛОВ" | Strain gauge |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU131529A1 (en) * | 1958-04-04 | 1959-11-30 | Р.А. Макаров | Device for measuring linear deformations of structural elements |
SU119369A1 (en) * | 1958-06-16 | 1958-11-30 | Г.Е. Рудашевский | A method of manufacturing strain gauge resistance sensors |
RU2110766C1 (en) * | 1996-07-23 | 1998-05-10 | Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского | Meter measuring deformations at increased temperatures |
US7155981B2 (en) * | 2001-09-14 | 2007-01-02 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Strain sensor with fixing members |
US8024980B2 (en) * | 2008-01-24 | 2011-09-27 | Microstrain, Inc. | Independently calibrated wireless structural load sensor |
RU201365U1 (en) * | 2019-09-30 | 2020-12-11 | Открытое акционерное общество "МИНСКИЙ НИИ РАДИОМАТЕРИАЛОВ" | Strain gauge |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3938603A (en) | Constant moment weigh scale with floating flexure beam | |
JP3792274B2 (en) | Six-axis force sensor using multiple shear strain gauges | |
JP5172136B2 (en) | Method and device for monitoring and / or determining the state of a force measuring device | |
EP2175147B1 (en) | Load indicating fastener apparatus | |
CA2898117C (en) | Improved load cell | |
US5090493A (en) | Load cells and scales therefrom | |
EP2189766A1 (en) | Measurement of wheel and/or axle load of road vehicles | |
US5522270A (en) | Device for the measurement of stresses exerted on a mechanical part, and method to fasten said device | |
US7210362B2 (en) | Diaphragm type load detection sensor, load detection unit and electronic scale using same | |
CN102313592A (en) | The calibration steps of weight sensor, be used to use the weight sensor and the electronic-weighing equipment of this method | |
KR101808928B1 (en) | Strain transmitter | |
RU2786759C1 (en) | Strain sensor | |
US4282762A (en) | Load sensing transducer | |
US10830271B2 (en) | Sensor for measuring a tightening force applied on a screw-assembly member | |
US7104139B2 (en) | System and method for load sensing using piezoelectric effect | |
JP2007506985A (en) | Data detection and processing system for rolling bearings and rolling bearings having such a system | |
USRE32003E (en) | Constant moment weigh scale with floating flexure beam | |
US20220404222A1 (en) | Detector and Detecting System | |
CN111397789A (en) | Torque pressure sensing device and electric screwdriver | |
RU2784680C1 (en) | Strain sensor | |
CN211717572U (en) | Force sensor | |
US20030010106A1 (en) | Unknown | |
RU176599U1 (en) | Device for determining the axle load of a vehicle | |
CN214667200U (en) | Vehicle-mounted weighing device and weighing system | |
USRE32002E (en) | Constant moment weigh scale with floating flexure beam |