RU2819553C1 - Strain gage force sensor - Google Patents

Strain gage force sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2819553C1
RU2819553C1 RU2024100396A RU2024100396A RU2819553C1 RU 2819553 C1 RU2819553 C1 RU 2819553C1 RU 2024100396 A RU2024100396 A RU 2024100396A RU 2024100396 A RU2024100396 A RU 2024100396A RU 2819553 C1 RU2819553 C1 RU 2819553C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
force
bridges
hemisphere
elastic element
Prior art date
Application number
RU2024100396A
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 RU2819553C1 publication Critical patent/RU2819553C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: instrumentation.
SUBSTANCE: invention relates to instrument making and can be used to create compact force sensors in the form of tumbler pillars. Elastic element of the sensor is made in the form of a shaped membrane, which is equipped with a power rod. On the membrane there are two bridges of foil tensoresistors, each is equipped with a rectangular insulating substrate, bridges are located in mutually perpendicular directions. Membrane rod rests against one of force-introducing hemispheres. Cylindrical support of the membrane rests on the second force-introducing hemisphere. Measured force is transmitted through the force-introducing hemisphere to the power rod, which deforms the membrane and the strain gauge bridges fixed on it. When voltage is supplied to inputs of bridges and its loading by force (weight) on output diagonals of bridges output signals are generated, which are proportional to measured force, which are supplied to two connectors located on opposite sides of the second hemisphere.
EFFECT: high accuracy and reliability of the sensor, as well as ease of manufacture.
3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно - к датчикам (Д) для измерения веса и силы.The invention relates to measuring technology, and specifically to sensors (D) for measuring weight and force.

Известен тензорезисторный датчик силы (ТДС), содержащий упругий элемент (УЭ) в форме мембраны, на которой закреплен мост тензорезисторов (TP) [1]. Недостатки подобных Д состоят в том, что они имеют значительные погрешности нелинейности и гистерезиса, обусловленные натягом срединной поверхности мембраны.A strain gauge force sensor (TSF) is known, containing an elastic element (UE) in the form of a membrane on which a strain gauge bridge (TP) is attached [1]. The disadvantages of such D are that they have significant nonlinearity and hysteresis errors caused by the tension of the middle surface of the membrane.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ТДС, содержащий УЭ в виде профилированной мембраны [2]. У таких Д улучшена линейность характеристики за счет выравнивания поля деформации мембраны. К недостаткам следует отнести сложность наклейки TP на изогнутые поверхности мембраны и слабо фильтруемые погрешности от паразитных поперечных сил.The closest in technical essence to the proposed invention is a TDS containing UE in the form of a profiled membrane [2]. For such D, the linearity of the characteristic is improved by leveling the deformation field of the membrane. Disadvantages include the difficulty of sticking TP onto curved membrane surfaces and poorly filtered errors from parasitic shear forces.

Цели изобретения - упрощение наклейки и повышение точности расположения TP на мембране, повышение точности и надежности измерений за счет возможности наклейки двух мостов TP и включения в конструкцию Д двух силоприемных полусфер и силопередающего штока, фильтрующих паразитные поперечные силы, а также за счет снижения температурных погрешностей «нуля» и чувствительности путем изготовления основных элементов Д из одной марки стали.The objectives of the invention are to simplify the sticker and increase the accuracy of the location of the TP on the membrane, increase the accuracy and reliability of measurements due to the possibility of sticking two TP bridges and the inclusion in the design D of two force-receiving hemispheres and a force-transmitting rod that filter parasitic transverse forces, as well as by reducing temperature errors " zero" and sensitivity by manufacturing the main elements D from the same grade of steel.

Поставленные цели достигаются тем, что УЭ снабжен двумя мостами TP и силовым штоком, который упирается в первую силоприемную полусферу, а цилиндрическая опора упругого элемента опирается на вторую силоприемную полусферу. В опоре, для исключения влияния на точность Д растяжения срединной поверхности мембраны, с помощью двух глухих, кольцевых, встречно-направленных проточек, сформирован упругий шарнир. А также тем, что каждый мост в форме протяженных цепочек последовательно расположенных TP закреплен на прямоугольной изолирующей подложке, подложки закреплены на плоской поверхности мембраны во взаимно-перпендикулярных направлениях, при этом TP, точно зафиксированные на подложке, при ее закреплении на мембране точно располагаются на ней в зонах с равными величинами радиальных напряжений различных знаков, формирующихся из-за расчетного профиля второй стороны мембраны. А также тем, что упругий элемент и две силоприемные полусферы изготовлены из одной марки стали. На Фиг. 1 показан разрез Д, где Р - измеряемая сила. На Фиг. 2 - схема расположения мостов TP на мембране. На Фиг. 3 - схема нагружения плоской мембраны диаметром D, постоянной толщины h const силой Р, а также эпюра изгибающих моментов На Фиг. 4 - схема нагружения профилированной мембраны диаметром D переменной толщины силой Р и эпюра изгибающих моментов На Фиг. 5 - электрическая схема Д, где R1, R2, R3, R4 - сопротивления TP в мостовой схеме, (1-3) - клеммы для подачи напряжения питания, (2-4) - клеммы для регистрации выходного сигнала.The set goals are achieved by the fact that the UE is equipped with two TP bridges and a power rod, which rests on the first force-receiving hemisphere, and the cylindrical support of the elastic element rests on the second force-receiving hemisphere. In the support, to eliminate the effect on the accuracy of D of stretching the middle surface of the membrane, an elastic hinge is formed using two blind, annular, counter-directional grooves. And also by the fact that each bridge in the form of extended chains of sequentially located TP is fixed on a rectangular insulating substrate, the substrates are fixed on the flat surface of the membrane in mutually perpendicular directions, while the TP, precisely fixed on the substrate, when fixed to the membrane, are precisely located on it in zones with equal values of radial stresses of different signs, formed due to the calculated profile of the second side of the membrane. And also by the fact that the elastic element and two force-receiving hemispheres are made of the same grade of steel. In FIG. Figure 1 shows section D, where P is the measured force. In FIG. 2 - diagram of the arrangement of TP bridges on the membrane. In FIG. 3 - diagram of loading of a flat membrane with diameter D, constant thickness h const by force P, as well as a diagram of bending moments In FIG. 4 - loading diagram of a profiled membrane with a diameter D of variable thickness force P and diagram of bending moments In FIG. 5 - electrical diagram D, where R1, R2, R3, R4 are TP resistances in the bridge circuit, (1-3) - terminals for supplying supply voltage, (2-4) - terminals for recording the output signal.

Обозначения, принятые на фигурах: 1 - мембранный УЭ; 2 - силовой шток; 3,4 - мосты TP; 5 - верхняя полусфера радиуса 6 - нижняя полусфера радиуса 7 - глухие, кольцевые, встречно - направленные проточки; 8 - подложки двух мостов TP; 9 - глухие отверстия в полусферах под ключ для их прикручивания к УЭ; 10 - герметизирующие прокладки - уплотнения; 11 - электрические разъемы: вых. 1, вых. 2; 12 - переходная колодка для распайки выводов от тензорезисторов и проводов к разъемам. Датчик работает следующим образом: при подаче на диагональ моста (1-3) напряжения питания и нагружении датчика силой Р, на выходной диагонали (2-4) формируется выходной сигнал пропорциональный измеряемой силе.Designations adopted in the figures: 1 - membrane UE; 2 - power rod; 3,4 - TP bridges; 5 - upper hemisphere radius 6 - lower hemisphere radius 7 - blind, circular, counter-directed grooves; 8 - substrates of two TP bridges; 9 - blind holes in the hemispheres on a turnkey basis for screwing them to the UE; 10 - sealing gaskets - seals; 11 - electrical connectors: out. 1, out. 2; 12 - adapter block for wiring leads from strain gauges and wires to connectors. The sensor operates as follows: when supply voltage is applied to the bridge diagonal (1-3) and the sensor is loaded with force P, an output signal proportional to the measured force is generated on the output diagonal (2-4).

Предлагаемая конструкция ТДС позволяет повысить надежность и точность измерений за счет использования двух мостов на мембране и упростить точную наклейку TP в зонах равных механических напряжений разных знаков, а также снизить температурный дрейф «нуля» и температурные изменения чувствительности за счет изготовления основных элементов Д из одной марки стали.The proposed design of the TDS makes it possible to increase the reliability and accuracy of measurements through the use of two bridges on the membrane and to simplify the precise sticking of TP in zones of equal mechanical stresses of different signs, as well as to reduce the temperature drift of the “zero” and temperature changes in sensitivity due to the manufacture of the main elements D from the same brand become.

Источники информации, принятые автором при экспертизе:Sources of information accepted by the author during the examination:

1. Пат США №3095551 кл. 338-5, дата публ. 25.06.63.1. US Pat. No. 3095551 cl. 338-5, publ. 06.25.63.

2. Пат США №3213400 Кл.338-5, дата публ. 25.06.63.2. US Pat. No. 3213400 Cl. 338-5, publ. date. 06.25.63.

Claims (3)

1. Тензорезисторный датчик силы, содержащий мембранный упругий элемент и мост тензорезисторов, отличающийся тем, что упругий элемент снабжен двумя мостами тензорезисторов и силовым штоком, который упирается в первую силоприемную полусферу, а цилиндрическая опора упругого элемента опирается на вторую силоприемную полусферу; в опоре, для исключения влияния растяжения срединной поверхности мембраны, с помощью двух глухих, кольцевых, встречно-направленных проточек сформирован упругий шарнир.1. A strain gauge force sensor containing a membrane elastic element and a strain gauge bridge, characterized in that the elastic element is equipped with two strain gauge bridges and a force rod, which rests on the first force-receiving hemisphere, and the cylindrical support of the elastic element rests on the second force-receiving hemisphere; in the support, to eliminate the influence of stretching of the middle surface of the membrane, an elastic hinge is formed using two blind, annular, counter-directional grooves. 2. Тензорезисторный датчик силы по п. 1, отличающийся тем, что каждый мост в форме протяженных цепочек последовательно расположенных тензорезисторов закреплен на прямоугольной изолирующей подложке, подложки закреплены на плоской поверхности мембраны во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом тензорезисторы, точно зафиксированные на подложке, при ее закреплении на мембране точно располагаются на ней в зонах с равными величинами радиальных напряжений различных знаков, формирующихся из-за расчетного профиля второй стороны мембраны.2. The strain gauge force sensor according to claim 1, characterized in that each bridge in the form of extended chains of sequential strain gauges is fixed on a rectangular insulating substrate, the substrates are fixed on the flat surface of the membrane in mutually perpendicular directions, while the strain gauges are precisely fixed on the substrate, at its fastening on the membrane are precisely located on it in zones with equal values of radial stresses of different signs, formed due to the calculated profile of the second side of the membrane. 3. Тензорезисторный датчик силы по п. 1, отличающийся тем, что мембранный упругий элемент и две силоприемные полусферы изготовлены из одной марки стали.3. The strain-resistive force sensor according to claim 1, characterized in that the membrane elastic element and two force-receiving hemispheres are made of the same grade of steel.
RU2024100396A 2024-01-11 Strain gage force sensor RU2819553C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2819553C1 true RU2819553C1 (en) 2024-05-21

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
UA28316A (en) * 1996-06-05 2000-10-16 Технічний Науково-Виробничий Центр "Том" Tensio-resistor force transducer
CN1982860A (en) * 2005-12-16 2007-06-20 中国科学院合肥物质科学研究院 Three-dimensional finger force sensor and information acquisition method thereof
RU124796U1 (en) * 2012-09-07 2013-02-10 Закрытое Акционерное Общество "Весоизмерительная Компания "Тензо-М" TENZORESISTERNY MEMBRANE SENSOR OF WEIGHT AND POWER

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
UA28316A (en) * 1996-06-05 2000-10-16 Технічний Науково-Виробничий Центр "Том" Tensio-resistor force transducer
CN1982860A (en) * 2005-12-16 2007-06-20 中国科学院合肥物质科学研究院 Three-dimensional finger force sensor and information acquisition method thereof
RU124796U1 (en) * 2012-09-07 2013-02-10 Закрытое Акционерное Общество "Весоизмерительная Компания "Тензо-М" TENZORESISTERNY MEMBRANE SENSOR OF WEIGHT AND POWER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20010086253A (en) Tensile testing sensor for measuring mechanical jamming deformations on first installation and automatic calibrating based on said jamming
US3411348A (en) Electronic dynamometer
ATE47227T1 (en) PIEZORESISTIVE FORCE MEASUREMENT ELEMENT AND ITS USE FOR DETERMINING FORCES ACTING ON A COMPONENT.
RU2819553C1 (en) Strain gage force sensor
Wang et al. Characterization of a silicon-based shear-force sensor on human subjects
JPH06347284A (en) Strain gauge type converter and initial value variation detecting method thereof
RU2795669C1 (en) Strain gauge force sensor
Heywood et al. Tri-axial plantar pressure sensor: design, calibration and characterization
RU2135976C1 (en) Device for measuring constituents of traction force of jet engine
KIEFFER Analysis of Creep Behavior of Bending Beam Load Cell
SU568854A1 (en) Dynamometer
RU2803392C1 (en) Strain gauge force sensor
JPS63228037A (en) Force measuring device
SU1566235A1 (en) Dynamometer
RU2231023C1 (en) Method of manufacture of strain-gauge sensitive elements
Chahmi Study and realization of a torque measurement sensor based on strain gauges dedicated to bending and torsion
SU1490515A1 (en) Device for measuring pressure
Li et al. A contact stress sensor based on strain gauge
SU1605146A1 (en) Pressure transducer
RU2425326C1 (en) Load meter
Leijen Low-cost silicon-based resistive load cell suitable for asymmetric loads
SU694777A1 (en) Elastic member of a force transducer
RU59801U1 (en) UNIVERSAL REFERENCE ELECTRIC DYNOMETER WITH A NAMED SCALE
RU2222788C2 (en) Transducer measuring vibration movements
SU994937A1 (en) Strain-gauge resistor pickup of force