RU2795669C1

RU2795669C1 - Strain gauge force sensor

Info

Publication number: RU2795669C1
Application number: RU2022133112A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Цывин
Original assignee: Александр Александрович Цывин
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2023-05-05

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention can be used to create noise-proof sensors for measuring forces. The sensor is made in form of a hollow cylinder, inside which a discretely distributed bridge of strain gauges is fixed, consisting of four rows of parallel resistor chains. In the first and third rows, the chains are located along the axis of the cylinder, and in the second and fourth rows, they are located perpendicular to them. The discrete-distributed bridge is made of foil in a monolithic design and fixed on an insulating adhesive substrate. Four rows of resistors are combined into a single structure using four contact pads located at the ends of the chains. Supply voltage is applied to two pads located in the diagonal of the bridge, and an output signal proportional to the measured force is taken from the other two.

EFFECT: invention makes it possible to increase the noise protection, accuracy and stability of measurements due to the discretely distributed topology of the bridge of strain gauges located in the form of a ring fixed in the middle part of the cylinder.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам для измерения веса и силы.The invention relates to measuring technology, to devices for measuring weight and force.

Известен тензорезисторный датчик с двумя полыми цилиндрами [1], на внутреннюю поверхность одного из них наклеены тензорезисторы. Датчик снабжен мембраной, но и она слабо защищает упругий элемент от неизмеряемых силовых факторов. Более близким к заявляемому техническому решению является цилиндрический столбик с внутренней наклейкой моста тенорезисторов [2]. Он имеет лучшую линейность, но также не защищен от влияния поперечных сил и эксцентриситета приложения нагрузки.Known strain gauge sensor with two hollow cylinders [1], strain gauges are glued to the inner surface of one of them. The sensor is equipped with a membrane, but even it poorly protects the elastic element from unmeasured force factors. Closer to the claimed technical solution is a cylindrical column with an internal sticker of the tenoresistor bridge [2]. It has better linearity, but is also not protected from the influence of shear forces and load application eccentricity.

Целями изобретения являются: повышение помехозащищенности, точности и долговременной стабильности благодаря снижению случайной составляющей погрешности от эксцентриситета нагрузки и небольших изгибающих моментов, вызванных поперечными силами.The aims of the invention are: to improve noise immunity, accuracy and long-term stability by reducing the random component of the error from load eccentricity and small bending moments caused by transverse forces.

Цели достигаются тем, что мост тензорезисторов изготавливается из фольги в дискретно-распределенном исполнении в виде четырех тензорезисторов, расположенных на подложке. При этом мост состоит из двух цепочек поперечно расположенных дискретных резисторов и двух цепочек продольно расположенных резисторов. Каждый из четырех тензорезисторов представляет непрерывную вытянутую в продольном направлении цепочку, при этом продольные и поперечные цепочки поочередно чередуются между собой и объединены в единую конструкцию с помощью четырех контактных площадок, расположенных на краях цепочек.The goals are achieved by the fact that the bridge of strain gauges is made of foil in a discrete-distributed design in the form of four strain gauges located on the substrate. In this case, the bridge consists of two chains of transversely arranged discrete resistors and two chains of longitudinally arranged resistors. Each of the four strain gauges is a continuous chain extended in the longitudinal direction, while the longitudinal and transverse chains alternate between themselves and are combined into a single structure using four contact pads located at the edges of the chains.

Такая конструкция мостовой схемы позволяет создавать, при соответствующей корректировке сечения полого цилиндра, датчики на номинальные усилия от 2 до 50 тс. Длина таких структур может меняться в небольших пределах, что позволяет их наклеивать на внутренние диаметры 20…40 мм, при этом длина структур должна совпадать с внутренними диаметрами цилиндров и определяться по формуле L=π⋅D, где D внутренний диаметр цилиндра. Например, если внутренний диаметр равен 30 мм, а сопротивление плеча моста должно быть 400 Ом, то длина одного плеча моста, каждое из которых будет состоять из 10 секций по 40 Ом каждая, и всей структуры в целом составит L=3,14×30=94 мм. Таких секций в мосте должно быть четыре, ширина каждой, исходя из технологических возможностей, составит 3 мм, а ширина каждого из трех зазоров между ними - 1 мм, поэтому общая ширина структуры составит 15 мм. Следовательно, общие габариты мостовой структуры составят 94×15 мм⋅мм. Точный расчет длины структуры по внутреннему диаметру цилиндра позволит дискретно-распределенным тензорезисторам точно и полностью воспринимать деформации цилиндра при его нагружении силой.This design of the bridge circuit allows you to create, with an appropriate adjustment of the cross section of the hollow cylinder, sensors for nominal forces from 2 to 50 tf. The length of such structures can vary within small limits, which allows them to be glued to inner diameters of 20–40 mm, while the length of the structures must match the inner diameters of the cylinders and be determined by the formula L=π⋅D, where D is the inner diameter of the cylinder. For example, if the inner diameter is 30 mm, and the resistance of the bridge arm should be 400 ohms, then the length of one bridge arm, each of which will consist of 10 sections of 40 ohms each, and the entire structure as a whole will be L = 3.14 × 30 =94 mm. There should be four such sections in the bridge, the width of each, based on technological capabilities, will be 3 mm, and the width of each of the three gaps between them is 1 mm, so the total width of the structure will be 15 mm. Therefore, the overall dimensions of the bridge structure will be 94×15 mm⋅mm. Accurate calculation of the length of the structure by the inner diameter of the cylinder will allow discretely distributed strain gauges to accurately and completely perceive the deformation of the cylinder when it is loaded with a force.

Такое исполнение моста позволяет в 3…5 раз снизить величину случайной составляющей погрешности при воздействии паразитных силовых факторов, так как возникающие при этом изгибающие моменты на силовом входе датчика вызывают перераспределение механических напряжений таким образом, что одни части цилиндра будут растягиваться, а другие сжиматься, следовательно, и расположенные на этих поверхностях цепочки дискретно-распределенных тензорезисторов будут также одни растягиваться, а другие сжиматься. Таким образом происходит автоматическая компенсация воздействия на датчик паразитных поперечных сил и изгибающих моментов. Мост тензорезисторов закрепляют в виде кольца на половине рабочей высоты столбика, где напряжения распределены более равномерно по сравнению с краевыми рабочими зонами цилиндра, где имеют место градиенты напряжений.This design of the bridge makes it possible to reduce the magnitude of the random component of the error by 3...5 times under the influence of parasitic force factors, since the resulting bending moments at the power input of the sensor cause a redistribution of mechanical stresses in such a way that some parts of the cylinder will be stretched, while others will be compressed, therefore , and the chains of discretely distributed strain gauges located on these surfaces will also stretch some of them, while others will compress. In this way, the effect of parasitic transverse forces and bending moments on the sensor is automatically compensated. The bridge of strain gauges is fixed in the form of a ring at half the working height of the column, where the stresses are distributed more evenly compared to the edge working areas of the cylinder, where stress gradients occur.

На Фиг. 1 показана топология моста тензорезисторов 5 с выводами 1, 2, 3, 4.On FIG. 1 shows the topology of the bridge of strain gauges 5 with pins 1, 2, 3, 4.

На Фиг. 2 приведена электрическая схема моста, (а-б)-выводы питания: Епит, (в-г)-выводы выходного сигнала: Uвых.On FIG. 2 shows the electrical circuit of the bridge, (a-b) - power outputs: Epit, (c-d) - output signal outputs: Uout.

На Фиг. 3 показан датчик силы с дискретно-распределенным мостом 5.On FIG. 3 shows a force sensor with a discretely distributed bridge 5.

Работа датчика сводится к следующему: при его нагружении силой Р, как показано на рис. 3, тензорезисторы R1 и R3 воспринимают деформацию сжатия и их сопротивления уменьшаются, а тензорезисторы R2 и R4 деформацию растяжения и их сопротивления увеличиваются, что приводит к разбалансу моста, в результате на выходной диагонали формируется выходной сигнал пропорциональный измеряемому усилию Р.The operation of the sensor is reduced to the following: when it is loaded with a force P, as shown in Fig. 3, strain gauges R1 and R3 perceive compressive strain and their resistances decrease, and strain gauges R2 and R4 tensile strain and their resistances increase, which leads to an unbalance of the bridge, as a result, an output signal proportional to the measured force P is formed on the output diagonal.

Предлагаемый датчик имеет преимущества в сравнении с известными, а именно:The proposed sensor has advantages in comparison with the known ones, namely:

1. Повышается помехозащищенность от неизмеряемых силовых факторов.1. Increases noise immunity from unmeasured power factors.

2. Повышается точность за счет снижения случайной составляющей погрешности.2. Increases accuracy by reducing the random component of the error.

3. Упрощается технология и точность наклейки за счет монолитности исполнения моста.3. The technology and accuracy of the sticker are simplified due to the monolithic design of the bridge.

4. Может быть реализована возможность групповой наклейки мостов на внутренние поверхности цилиндров нескольких датчиков, а количество одновременно наклеиваемых датчиков определятся только объемом камеры с регулируемым нагревом для проведения наклейки.4. The possibility of group sticking of bridges on the inner surfaces of the cylinders of several sensors can be implemented, and the number of sensors glued simultaneously is determined only by the volume of the chamber with adjustable heating for sticking.

Источники информации, принятые автором при экспертизеSources of information accepted by the author during the examination

1. Пат. США №2814946, кл. 73-141, 1957.1. Pat. USA No. 2814946, class. 73-141, 1957.

2. Авт. свидетельство СССР №473913, м. кл. G01L 1/22, 1975.2. Auth. certificate of the USSR No. 473913, m. class. G01L 1/22, 1975.

Claims

1. A force sensor containing an elastic element in the form of a hollow cylinder and a bridge of strain gauges fixed on it, characterized in that the bridge of strain gauges is made in a discrete-distributed design and consists of four chains elongated in one direction, two of which consist of longitudinally, and two - from transverse strain gauges, while the chains are arranged alternately in four rows and each consists of several sections, combined into a single whole with the help of four contact pads located at the ends of the chains.

2. The force sensor according to claim 1, characterized in that the length of the discretely distributed bridge of strain gauges is made equal to the circumference of the hollow cylinder and is determined from the expression L=πD, where D is the inner diameter of the cylinder, while the bridge of strain gauges is fixed on its inner wall in in the form of a ring in the middle of the working part of the cylinder.