RU2804254C1 - Strain gauge force sensor - Google Patents

Strain gauge force sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2804254C1
RU2804254C1 RU2023102340A RU2023102340A RU2804254C1 RU 2804254 C1 RU2804254 C1 RU 2804254C1 RU 2023102340 A RU2023102340 A RU 2023102340A RU 2023102340 A RU2023102340 A RU 2023102340A RU 2804254 C1 RU2804254 C1 RU 2804254C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
strain gauge
strain gauges
strain
bridge
extreme thread
Prior art date
Application number
RU2023102340A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Александрович Цывин
Original Assignee
Александр Александрович Цывин
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Александрович Цывин filed Critical Александр Александрович Цывин
Application granted granted Critical
Publication of RU2804254C1 publication Critical patent/RU2804254C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: instrument engineering.
SUBSTANCE: invention can be used to create parallelogram and other types of sensors. The elastic element is made in the form of a parallelogram with a monolithic bridge with one open corner in a new topology: strain gauges with even and odd numbers are located one inside the other so that the gratings of one are located inside the grating of the other and are parallel to it. When supply voltage is applied to its input and a force is loaded on the output diagonal, an output signal is generated that is proportional to the measured force.
EFFECT: increase in the measurement accuracy and noise immunity of the sensor.
2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно - к датчикам для измерения сил и веса.The invention relates to measuring technology, and specifically to sensors for measuring forces and weight.

Известны тензорезисторные датчики силы, содержащие упругий элемент и мостовые схемы, состоящие из четырех или более тензорезисторов [1]. Недостатком таких датчиков можно считать то, что мостовая схема состоит из дискретных тензорезисторов, которые встраиваются в контур моста путем пайки. Известно, что каждая пайка внутри контура моста -потенциальный источник нестабильности и снижения надежности измерений.There are known strain gauge force sensors containing an elastic element and bridge circuits consisting of four or more strain gauges [1]. The disadvantage of such sensors is that the bridge circuit consists of discrete strain gauges, which are built into the bridge circuit by soldering. It is known that every soldering inside the bridge circuit is a potential source of instability and reduced measurement reliability.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является тензорезисторный датчик силы, содержащий упругий элемент параллелограммного типа с двумя жесткими опорами и монолитный мост тензорезисторов [2]. Датчики на основе топологически замкнутых монолитных мостов имеют более высокую надежность и долговременную стабильность, так как в них число паяных узлов сведено к минимуму и равно четырем, а в случае монолитных мостов с одним открытым углом - пяти. Более того, датчики с монолитными мостами имеют меньший (в 5…8 раз!) температурный дрейф нулевого сигнала, так как все четыре тензорезистора изготавливаются из малого по площади участка фольги и поэтому имеют равные ТКСы. А если мост тензорезисторов изготовить не из константана, а из нихромовой фольги, то и температурные изменения чувствительности будут снижены в 3…5 раз без использования специальных средств компенсации.The closest in technical essence to the proposed invention is a strain gauge force sensor containing an elastic element of a parallelogram type with two rigid supports and a monolithic bridge of strain gauges [2]. Sensors based on topologically closed monolithic bridges have higher reliability and long-term stability, since the number of solder joints in them is reduced to a minimum and is equal to four, and in the case of monolithic bridges with one open corner - five. Moreover, sensors with monolithic bridges have a smaller (5...8 times!) temperature drift of the zero signal, since all four strain gauges are made from a small area of foil and therefore have equal TCRs. And if the strain gauge bridge is made not from constantan, but from nichrome foil, then temperature changes in sensitivity will be reduced by 3...5 times without the use of special compensation means.

Однако датчикам с монолитными мостами, описанными в [2], также присущи некоторые недостатки.However, sensors with monolithic bridges described in [2] also have some disadvantages.

Один из них заключается в том, что все четыре тензорезистора расположены топологически не компактно, а разнесены по площади упругого элемента, следовательно, воспринимаемые ими деформации хоть и незначительно, но различаются, при этом увеличивается нелинейность преобразования, что снижает точность измерений.One of them is that all four strain gauges are not topologically located compactly, but are spaced across the area of the elastic element, therefore, the deformations they perceive, although slightly, differ, and the nonlinearity of the transformation increases, which reduces the accuracy of measurements.

Другой недостаток обусловлен тем, что продольные оси тензорезисторов располагаются не вдоль продольной оси подложки и, соответственно, после наклейки моста их продольные оси также не совпадают с продольной осью балки, а располагаются на некотором расстоянии от нее, что снижает помехозащищенность датчика от паразитных изгибающих и крутящих моментов на силовом входе датчика.Another drawback is due to the fact that the longitudinal axes of the strain gauges are not located along the longitudinal axis of the substrate and, accordingly, after gluing the bridge, their longitudinal axes also do not coincide with the longitudinal axis of the beam, but are located at some distance from it, which reduces the noise immunity of the sensor from parasitic bending and torsion torques at the power input of the sensor.

Цель изобретения - повышение точности и помехозащищенности датчика. Поставленные цели достигаются тем, что монолитный мост тензорезисторов выполнен в новой топологии: тензорезисторы с четными и нечетными номерами расположены один в другом симметрично продольной оси подложки так, что решетка одного тензорезистора расположена внутри решетки другого и параллельна ей, при этом крайняя нить второго тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью третьего тензорезистора, вторая крайняя нить третьего тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью четвертого тензорезистора, вторая крайняя нить четвертого тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью первого тензорезистора, при этом в центре общих шин и на концах шин крайних нитей от второго и первого тензорезисторов расположены контактные площадки и для общих шин они выполнены в виде двух областей, соединенных перемычками и расположенных симметрично относительно поперечной оси изолирующей подложки, а для второго и первого тензорезисторов они расположены слева и справа относительно этой оси. Еще одна цель достигается тем, что благодаря новой топологии моста появляется возможность использования его пар четных и нечетных тензорезисторов дискретно, путем разделения моста на две части по линии, проходящей через середины перемычек и совпадающей с поперечной осью подложки, для создания датчиков практически с любой формой упругих элементов.The purpose of the invention is to improve the accuracy and noise immunity of the sensor. The set goals are achieved by the fact that the monolithic bridge of strain gauges is made in a new topology: strain gauges with even and odd numbers are located one inside the other symmetrically to the longitudinal axis of the substrate so that the lattice of one strain gauge is located inside the grid of the other and parallel to it, while the outermost thread of the second strain gauge is connected by a common bus with the extreme thread of the third strain gauge, the second extreme thread of the third strain gauge is connected by a common bus with the extreme thread of the fourth strain gauge, the second extreme thread of the fourth strain gauge is connected by a common bus with the extreme thread of the first strain gauge, while in the center of the common tires and at the ends of the tires of the extreme threads from the second and The first strain gauges have contact pads and for common busbars they are made in the form of two areas connected by jumpers and located symmetrically relative to the transverse axis of the insulating substrate, and for the second and first strain gauges they are located to the left and right relative to this axis. Another goal is achieved by the fact that thanks to the new topology of the bridge, it becomes possible to use its pairs of even and odd strain gauges discretely, by dividing the bridge into two parts along a line passing through the middle of the jumpers and coinciding with the transverse axis of the substrate, to create sensors with almost any form of elastic elements.

На фиг. 1 показана конструкция тензорезисторного датчика силы с упругим элементом параллелограммного типа (вид спереди). Здесь: 1 - две рабочие балки упругого элемента, 2 - его две жесткие опоры, F - приложенное к упругому элементу измеряемое усилие.In fig. Figure 1 shows the design of a strain-resistive force sensor with a parallelogram-type elastic element (front view). Here: 1 - two working beams of the elastic element, 2 - its two rigid supports, F - the measured force applied to the elastic element.

На фиг. 2 - этот же датчик (вид сверху). Здесь: R2 и R4 - тензорезисторы, расположенные один в другом, воспринимающие деформацию сжатия (для данного направления силы), R1 и R3 - тензорезисторы, расположенные также один в другом, воспринимающие деформацию растяжения. O-O продольная ось матрицы монолитного моста, совпадающая с продольной осью балки, О-О' поперечная ось матрицы монолитного моста: по ней, в случае необходимости, производится разрез матрицы на две части. F - измеряемое усилие.In fig. 2 - the same sensor (top view). Here: R2 and R4 are strain gauges located one inside the other, perceiving compression deformation (for a given direction of force), R1 and R3 are strain gauges, also located one inside the other, perceiving tensile deformation. O-O is the longitudinal axis of the monolithic bridge matrix, coinciding with the longitudinal axis of the beam, O-O' is the transverse axis of the monolithic bridge matrix: along it, if necessary, the matrix is cut into two parts. F - measured force.

На фиг. 3 изображена топология предлагаемого монолитного моста тензорезисторов и линия пунктиром - его разрез О-О' на две пары тензорезисторов с четными и нечетными номерами. Здесь: 3, 4, 5 - общие шины, 6, 7 - шины от второго и первого тензорезисторов; контактные площадки общих шин соединены перемычками 8, контактные площадки второго и первого тензорезисторов 9, 10 соответственно.In fig. Figure 3 shows the topology of the proposed monolithic bridge of strain gauges and the dotted line - its section O-O' into two pairs of strain gauges with even and odd numbers. Here: 3, 4, 5 - common buses, 6, 7 - buses from the second and first strain gauges; the contact pads of the common buses are connected by jumpers 8, the contact pads of the second and first strain gauges 9, 10, respectively.

На фиг. 4 - принципиальная электрическая схема датчика, здесь: R1 R3 и R2 R4-тензорезисторы, расположенные в противоположных плечах моста; 3-4 диагональ питания, 5-11 диагональ измерения выходного сигнала. Датчик работает следующим образом: при подаче электрического напряжения постоянного тока на его входную диагональ 3-4 и нагружении датчика силой F на его выходной диагонали 5-11 формируется выходной сигнал, пропорциональный измеряемой силе. Предлагаемая новая топология монолитного моста после его закрепления на упругом элементе позволяет повысить точность и помехозащищенность датчика за счет особого расположения тензорезисторов на подложке: продольные оси тензорезисторов совпадают с продольной осью балки и для восприятия одинаковых уровней деформации тензорезисторы расположены компактно-попарно один в другом.In fig. 4 - circuit diagram of the sensor, here: R1 R3 and R2 R4 strain gauges located in opposite arms of the bridge; 3-4 power supply diagonal, 5-11 output signal measurement diagonal. The sensor operates as follows: by applying DC electrical voltage to its input diagonal 3-4 and loading the sensor with a force F, an output signal proportional to the measured force is generated on its output diagonal 5-11. The proposed new topology of the monolithic bridge, after it is fixed to the elastic element, makes it possible to increase the accuracy and noise immunity of the sensor due to the special arrangement of strain gauges on the substrate: the longitudinal axes of the strain gauges coincide with the longitudinal axis of the beam and to perceive the same levels of deformation, the strain gauges are arranged in compact pairs, one inside the other.

Предложенный монолитный мост также можно использовать для любых упругих элементов дискретно, предварительно разделив его на две части: (R1, R3) и (R2, R4).The proposed monolithic bridge can also be used for any elastic elements discretely, having previously divided it into two parts: (R1, R3) and (R2, R4).

Источники информацииInformation sources

1. Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под редакцией Е.П. Осадчего, М., Машиностроение, 1979 г., с. 247-274.1. Design of sensors for measuring mechanical quantities. Edited by E.P. Osadchy, M., Mechanical Engineering, 1979, p. 247-274.

2. Авт. свидетельство СССР №1198398, М. Кл G01L 1/22, 1985, БИ №46.2. Auto. USSR certificate No. 1198398, M. Kl G01L 1/22, 1985, BI No. 46.

Claims (2)

1. Тензорезисторный датчик силы, содержащий параллелограммный упругий элемент, монолитный мост тензорезисторов на изолирующей подложке, отличающийся тем, что структура монолитного моста выполнена в новой топологии: тензорезисторы с четными и нечетными номерами расположены один в другом симметрично продольной оси подложки так, что решетка одного тензорезистора расположена внутри решетки другого и параллельна ей, при этом крайняя нить второго тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью третьего тензорезистора, вторая крайняя нить третьего тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью четвертого тензорезистора, вторая крайняя нить четвертого тензорезистора связана общей шиной с крайней нитью первого тензорезистора, при этом в центре общих шин и на концах шин крайних нитей от второго и первого тензорезисторов расположены контактные площадки и для общих шин они выполнены в виде двух областей, соединенных перемычками и расположенных симметрично относительно поперечной оси изолирующей подложки, а для второго и первого тензорезисторов они расположены слева и справа относительно этой оси.1. A strain gauge force sensor containing a parallelogram elastic element, a monolithic bridge of strain gauges on an insulating substrate, characterized in that the structure of the monolithic bridge is made in a new topology: strain gauges with even and odd numbers are located one inside the other symmetrically to the longitudinal axis of the substrate so that the lattice of one strain gauge located inside the lattice of the other and parallel to it, while the extreme thread of the second strain gauge is connected by a common bus with the extreme thread of the third strain gauge, the second extreme thread of the third strain gauge is connected by a common bus with the extreme thread of the fourth strain gauge, the second extreme thread of the fourth strain gauge is connected by a common bus with the extreme thread of the first strain gauge , while in the center of the common busbars and at the ends of the busbars of the outermost threads from the second and first strain gauges there are contact pads and for the common busbars they are made in the form of two areas connected by jumpers and located symmetrically relative to the transverse axis of the insulating substrate, and for the second and first strain gauges they located to the left and right relative to this axis. 2. Тензорезисторный датчик силы по п. 1, отличающийся тем, что при создании датчиков с любой формой упругих элементов также возможно применение монолитного моста в новой топологии путем использования отдельно пар четных и нечетных тензорезисторов благодаря возможности разделения моста по линии, проходящей через середины перемычек и совпадающей с поперечной осью подложки.2. The strain gauge force sensor according to claim 1, characterized in that when creating sensors with any form of elastic elements, it is also possible to use a monolithic bridge in a new topology by using separate pairs of even and odd strain gauges due to the possibility of dividing the bridge along a line passing through the middles of the jumpers and coinciding with the transverse axis of the substrate.
RU2023102340A 2023-02-02 Strain gauge force sensor RU2804254C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2804254C1 true RU2804254C1 (en) 2023-09-26

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1118876A1 (en) * 1983-06-10 1984-10-15 Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Испытательных Машин,Приборов И Средств Измерения Масс (Никимп) Method of manufacturing resistance strain gauge force pickups
SU1198398A1 (en) * 1984-05-24 1985-12-15 Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Испытательных Машин,Приборов И Средств Измерения Масс Strain-gauge force transducer
SU1649314A1 (en) * 1989-10-20 1991-05-15 Одесское Производственное Объединение "Точмаш" Tensoresistor force sensor
US20220412820A1 (en) * 2020-02-28 2022-12-29 Nanomade Lab Touch surface functionalized by a combined force and proximity sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1118876A1 (en) * 1983-06-10 1984-10-15 Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Испытательных Машин,Приборов И Средств Измерения Масс (Никимп) Method of manufacturing resistance strain gauge force pickups
SU1198398A1 (en) * 1984-05-24 1985-12-15 Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Испытательных Машин,Приборов И Средств Измерения Масс Strain-gauge force transducer
SU1649314A1 (en) * 1989-10-20 1991-05-15 Одесское Производственное Объединение "Точмаш" Tensoresistor force sensor
US20220412820A1 (en) * 2020-02-28 2022-12-29 Nanomade Lab Touch surface functionalized by a combined force and proximity sensor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под редакцией Е.П. Осадчего, М., Машиностроение, 1979 г., стр.247-274. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102482611B1 (en) Split bridge circuit force sensor
US4128001A (en) Parallel beam load cell insensitive to point of application of load
AU594619B2 (en) Digital load shift compensation
US3826145A (en) Electrical ataxiameter
US3576128A (en) Half bridge moment desensitization of parallelogram-type beams
US3927560A (en) Moment desensitization of load cells
US4565255A (en) Weighing device with strain gages
US3341796A (en) Force transducer
RU2804254C1 (en) Strain gauge force sensor
CA1202336A (en) Compensated multi-load cell scale
Dorsey Homegrown strain-gage transducers: Simple compensation procedures can be used to correct errors in strain-gage transducer bridges
US3490272A (en) Temperature compensated resistance measurement bridge
RU2692122C1 (en) Solid-state linear acceleration sensor
RU2795669C1 (en) Strain gauge force sensor
JPH0125425B2 (en)
RU2807002C1 (en) Strain gauge force sensor
SU568854A1 (en) Dynamometer
SU353159A1 (en) SILITARY SENSOR
RU2794992C1 (en) Strain gauge force sensor
SU1198398A1 (en) Strain-gauge force transducer
SU212584A1 (en) DEVICE FOR MEASURING VOLTAGE IN THE GROUND MASS OR ON THE CONTACT WITH THE STRUCTURE
SU1543262A1 (en) Three-component dynamometer for measuring components of cutting force
SU1303851A1 (en) Device for measuring temperature and strain
SU1760395A1 (en) Strain measurement dynamometer of longitudinal force
CN103239217A (en) Anti-overload pulse blood pressure wave strength sensor