RU96655U1

RU96655U1 - TENZOMETRIC SENSOR FOR MEASURING POWER WITH THE PROPERTIES OF VIVILITY AND A LOW NOISE LEVEL UNDER THE ACTION OF THE SHOCK LOAD

Info

Publication number: RU96655U1
Application number: RU2010112519/22U
Authority: RU
Inventors: Василий Сергеевич Плевков; Георгий Иванович Однокопылов; Валерий Борисович Максимов; Валентина Викторовна Ракова
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2010-08-10

Abstract

1. Тензометрический датчик измерения силы со свойством живучести и низким уровнем шумов при действии ударной нагрузки, содержащий силоизмерительный мост, выполненный по схеме Уитстона, в электрическую цепь которого включены тензорезисторы, и инструментальный усилитель, подключенный к диагонали силоизмерительного моста и соединенный с регистрирующим устройством, отличающийся тем, что инструментальный усилитель соединен с силоизмерительным мостом посредством проводников без изоляции, выполненных из посеребренной меди. ! 2. Тензометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что тензорезисторы включены в силоизмерительный мост по мостовой схеме. ! 3. Тензометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что тензорезисторы включены в силоизмерительный мост по полумостовой схеме. ! 4. Тензометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что тензорезисторы включены в силоизмерительный мост по четвертьмостовой схеме. ! 5. Тензометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что он имеет максимальные значения показаний измеряемой силы, превышающие значения силы, используемой при ударе, не менее чем в десять раз. ! 6. Тензометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что инструментальный усилитель установлен в непосредственной близости от силоизмерительного моста. ! 7. Тензометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве регистрирующего устройства использована компьютерная измерительная система. 1. A strain gauge force measuring sensor with the property of survivability and low noise level under the action of an impact load, comprising a force measuring bridge made according to the Wheatstone circuit, whose strain gages are included in the electric circuit, and an instrument amplifier connected to the diagonal of the force measuring bridge and connected to a recording device, characterized the fact that the instrumental amplifier is connected to the load bridge through conductors without insulation made of silver-plated copper. ! 2. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that the strain gauges are included in the load bridge according to the bridge circuit. ! 3. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that the strain gauges are included in the load bridge according to a half-bridge circuit. ! 4. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that the strain gages are included in the load bridge according to the quarter-bridge circuit. ! 5. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that it has a maximum value of the readings of the measured force, exceeding the value of the force used during the impact, not less than ten times. ! 6. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that the instrument amplifier is installed in the immediate vicinity of the load bridge. ! 7. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that a computer measuring system is used as the recording device.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения значений силы или опорных реакций испытываемого образца при ударных испытаниях, например железобетонных балок.The utility model relates to measuring equipment, namely, devices for measuring the strength or support reactions of a test specimen during impact tests, for example, reinforced concrete beams.

Известно устройство для измерения опорных реакций по патенту РФ на полезную модель №55469. Оно содержит силоизмерительный датчик тензометрического типа, позволяющий при испытании получить величину приложенной силы и опорных реакций.A device for measuring support reactions according to the patent of the Russian Federation for utility model No. 55469 is known. It contains a strain gauge strain gauge type, which allows the test to obtain the value of the applied force and support reactions.

Он обеспечивает измерение силы при проведении динамических испытаний, но не обеспечивает стабильность характеристик выходного сигнала во времени при действии ударной нагрузки.It provides a measurement of strength during dynamic tests, but does not ensure the stability of the characteristics of the output signal in time under the action of an impact load.

Известен датчик силы тензометрический по патенту РФ на полезную модель №78311. Он содержит выполненные за одно целое в форме тела вращения кольцевой опорный элемент, силовводящий цилиндрический элемент и соединяющую их кольцевую мембрану. На внутреннюю поверхность мембраны наклеены четыре тензорезистора, соединенные в электрический мост с токопроводящими и измерительными выводами. Датчик содержит двустороннюю печатную плату в виде кольцеобразной пластины, которая примыкает к тензорезисторам. На внутреннюю поверхность платы нанесены электропроводящая полоска в виде разрезного кольца с зазором и диаметрально зазору контактная площадка. На внешнюю поверхность платы параллельно электропроводящей полоске в виде разрезного кольца нанесены четыре дугообразные электропроводящие полоски с контактными площадками на их концах, к которым подсоединены выводы тензорезисторов. Одна из дугообразных полосок выполнена их двух частей с зазором, который расположен напротив зазора в полоске в виде разрезного кольца, при этом концы последней соединены попарно с концами четвертой дугообразной полоски. Такая конструкция датчика повышает помехозащищенность от электромагнитных наводок за счет разнонаправленного протекания тока в дугообразных полосках кольцеобразной пластины.Known sensor strain gauge according to the patent of the Russian Federation for utility model No. 78311. It contains made in one piece in the form of a body of rotation of the annular support element, a power-leading cylindrical element and an annular membrane connecting them. Four strain gages are glued to the inner surface of the membrane, connected to an electrical bridge with conductive and measuring leads. The sensor contains a double-sided printed circuit board in the form of an annular plate, which is adjacent to the strain gauges. An electrically conductive strip is applied on the inner surface of the board in the form of a split ring with a gap and a contact pad diametrically to the gap. Four arcuate electrically conductive strips with contact pads at their ends, to which the terminals of the strain gauges are connected, are applied to the outer surface of the board parallel to the conductive strip in the form of a split ring. One of the arcuate strips is made of two parts with a gap that is located opposite the gap in the strip in the form of a split ring, while the ends of the latter are connected in pairs with the ends of the fourth arcuate strip. This design of the sensor increases the noise immunity from electromagnetic interference due to the multidirectional current flow in the arcuate strips of the annular plate.

Он обеспечивает измерение силы при статических и низкочастотных динамических испытаниях, но не обеспечивает стабильность характеристик выходного сигнала во времени при действии ударной нагрузки.It provides force measurement in static and low-frequency dynamic tests, but does not ensure the stability of the output signal characteristics in time under the action of an impact load.

В описанных полезных моделях датчик силы работает при условии 0,1*P_max. Необходимость работы силоизмерительных датчиков тензометрического типа в предельной зоне до 10% от максимальной динамической силы удара, действующей на опору, вызвана тем, чтобы повысить долговременную сохраняемость характеристик датчика при многократных импульсных воздействиях в процессе эксплуатации [С.А.Спектор «Электрические измерения физических величин. Методы измерений» Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1987, с.194].In the described utility models, the force sensor operates under the condition of 0.1 * P _max . The need for the work of strain-gauge strain gauge type sensors in the limit zone up to 10% of the maximum dynamic impact force acting on the support is caused by increasing the long-term retention of the sensor characteristics during repeated pulsed influences during operation [S.A.Spekt “Electrical measurements of physical quantities. Measurement Methods ”Leningrad, Energoatomizdat, Leningrad Branch, 1987, p.194].

Наиболее близким устройством, принятым за прототип, является тензодатчик, выполненный по традиционной мостовой схеме Уитстона (htti)://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/l38982 рис.3) Он содержит мост из включенных в мостовую цепь двух обычных резисторов и двух тензорезисторов (полумостовая схема включения), усилитель, подключенный параллельно диагонали моста, и регистрирующее устройство, соединенное с мостом через указанный усилитель. Возможно включение тензорезисторов по мостовой схеме. Величина сопротивления тензорезисторов выбрана с учетом поправок на деформацию их решетки или пластинки и на изменение температуры. Этим снижается погрешность измерения, поскольку повышается чувствительность тензодатчика: с двумя тензорезисторами - в 2 раза, с четырьмя - в 4 раза в сравнении с одним тензорезистором. И обеспечивается термокомпенсация. Он обеспечивает измерение силы, но не обеспечивает стабильность характеристик выходного сигнала во времени при действии ударной нагрузки потому что:The closest device adopted for the prototype is a load cell made according to the traditional Wheatstone bridge circuit (htti): //dic.academic.ru/dic.nsf/bse/l38982 Fig. 3) It contains a bridge from two ordinary circuits included in the bridge circuit resistors and two strain gauges (half-bridge switching circuit), an amplifier connected in parallel to the diagonal of the bridge, and a recording device connected to the bridge through the specified amplifier. It is possible to include strain gages on a bridge circuit. The resistance value of the strain gages is selected taking into account corrections for the deformation of their lattice or plate and for temperature changes. This reduces the measurement error, since the sensitivity of the strain gauge increases: with two strain gages - 2 times, with four - 4 times in comparison with one strain gage. And thermal compensation is provided. It provides a measurement of strength, but does not ensure the stability of the characteristics of the output signal in time under the action of an impact load because:

- пластические деформации конструкции силоизмерительного датчика определяются усталостью металла;- plastic deformations of the load cell design are determined by metal fatigue;

- присутствует высокий уровень трибоэлектрических шумов, так как при проведении ударных испытаний практически невозможно обеспечить неподвижность изолированных проводников кабеля подключения силоизмерительного датчика к измерительной системе;- there is a high level of triboelectric noise, since when conducting shock tests it is almost impossible to ensure the immobility of the insulated conductors of the cable connecting the load cell to the measuring system;

- для силоизмерительного датчика при проведении ударных испытаний присутствует явление ползучести выходных характеристик со временем, связанное с вязкостью металла. Это приводит к появлению гистерезиса и невозвращению в нуль выходного сигнала разбаланса моста, что в свою очередь приводит к катастрофическому отказу датчика силы - металлическая конструкция датчика переходит в область пластических деформаций с разбалансом тензометрического моста (полумоста) больше допустимого предела.- for the load cell during impact testing, there is a phenomenon of creep of the output characteristics over time, associated with the viscosity of the metal. This leads to the appearance of hysteresis and the non-return of the output signal of the unbalance of the bridge to zero, which in turn leads to a catastrophic failure of the force sensor - the metal structure of the sensor goes into the area of plastic deformations with the unbalance of the strain gauge bridge (half bridge) exceeding the allowable limit.

Задача полезной модели - обеспечить живучесть датчика силы и неизменность его характеристик с пониженным уровнем шумов в процессе проведения многократных ударных испытаний.The objective of the utility model is to ensure the survivability of the force sensor and the immutability of its characteristics with a reduced noise level during multiple impact tests.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель при решении поставленной задачи, заключается в обеспечении низкого уровня шумов и длительности ресурса конструкции датчика силы при проведении многократных ударных испытаний. Для этого необходимо обеспечить работу материала конструкции датчика в упругой стадии. При этом для увеличения амплитуды сигнала датчика силы и выделения его из уровня шумов требуется дополнительная нагрузка на материал. Предлагаемая полезная модель обеспечивает живучесть датчика силы и понижение уровня шумов для мостовой, полумостовой и четвертьмостовой схем.The technical result, which is achieved by the claimed utility model in solving the problem, is to provide a low noise level and a long service life of the design of the force sensor when conducting multiple impact tests. For this, it is necessary to ensure the operation of the material of the sensor structure in the elastic stage. Moreover, to increase the amplitude of the signal of the force sensor and isolate it from the noise level, an additional load on the material is required. The proposed utility model provides survivability of the force sensor and noise reduction for bridge, half-bridge and quarter-bridge circuits.

Задача решена следующим образом.The problem is solved as follows.

Тензометрический датчик измерения силы со свойством живучести и низким уровнем шумов, как и прототип, содержит силоизмерительный мост, выполненный по схеме Уитстона, в электрическую цепь которого включены тензорезисторы, и инструментальный усилитель, подключенный к диагонали силоизмерительного моста и соединенный с регистрирующим устройством. В отличие от прототипа в заявляемой полезной модели инструментальный усилитель соединен с силоизмерительным мостом посредством проводников без изоляции. Проводники выполнены из посеребренной меди.A strain gauge force measuring sensor with the property of survivability and low noise level, like the prototype, contains a load-measuring bridge made according to the Wheatstone scheme, the strain gauges are included in its electric circuit, and an instrument amplifier connected to the diagonal of the force-measuring bridge and connected to the recording device. In contrast to the prototype in the claimed utility model, the instrumental amplifier is connected to the load bridge by means of conductors without insulation. Conductors are made of silver plated copper.

Тензорезисторы могут быть включены в силоизмерительный мост по мостовой, или по полумостовой, или по четвертьмостовой схеме. Инструментальный усилитель установлен в непосредственной близости от силоизмерительного моста. В качестве регистрирующего устройства может быть использована компьютерная измерительная система (КИС). Целесообразно использование тензометрического датчика с максимальными значениями показаний измеряемой силы, используемой при ударе, не менее чем в десять раз.Strain gages can be included in the load bridge over the bridge, or half-bridge, or quarter-bridge. The instrumentation amplifier is installed in the immediate vicinity of the load bridge. As a recording device, a computer measuring system (CIS) can be used. It is advisable to use a strain gauge with maximum readings of the measured force used upon impact, not less than ten times.

Среди известных источников информации не обнаружено тензометрических датчиков, характеризуемых той же совокупностью существенных признаков, что и у заявляемой полезной модели. Это подтверждает новизну полезной модели.Among the known sources of information, no tensometric sensors were found, characterized by the same set of essential features as the claimed utility model. This confirms the novelty of the utility model.

Полезная модель пояснена чертежом. На чертеже приведена функциональная схема предложенного технического решения.The utility model is illustrated in the drawing. The drawing shows a functional diagram of the proposed technical solution.

Датчик содержит измерительный мост из резисторов R1-R4, усилитель 5, соединенный с компьютерной измерительной системой 6 (КИС).The sensor contains a measuring bridge of resistors R1-R4, an amplifier 5 connected to a computer measuring system 6 (CIS).

- при подключении по четвертьмостовой схеме:- when connected by a quarter-bridge circuit:

R1 - тензорезистор, подверженный деформациям сжатия-растяжения;R1 is a strain gauge subject to compression-tensile strains;

R2, R3, R4 - резисторы в составе схемы Уитстона.R2, R3, R4 - resistors in the composition of the Wheatstone circuit.

- при подключении по полумостовой схеме:- when connected in half-bridge mode:

R1 - тензорезистор, подверженный деформациям сжатия (растяжения);R1 is a strain gauge subject to compressive (tensile) deformations;

R2 - тензорезистор, подверженный деформациям растяжения (сжатия);R2 is a strain gauge subject to tensile (compression) deformations;

R3, R4 - резисторы в составе схемы Уитстона.R3, R4 - resistors in the composition of the Wheatstone circuit.

- при подключении по мостовой схеме:- when connected via a bridge circuit:

R1, R4 - тензорезисторы, подверженные деформациям сжатия (растяжения);R1, R4 - strain gauges susceptible to compression (tension) deformations;

R2, R3 - тензорезисторы, подверженные деформациям растяжения (сжатия);R2, R3 - strain gages subject to tensile (compression) deformations;

Питание моста Уитстона, измерительного усилителя осуществляется по кабелю. При ударных испытаниях с диагонали силоизмерительного моста выходной сигнал поступает на вход инструментального усилителя 5. Поскольку выходной сигнал моста поступает к инструментальному усилителю 5 через проводники без изоляции, выполненные из посеребренной меди, то это исключает появление трибоэлектрических шумов, так как отсутствует трение диэлектрика изолятора относительно проводника, что является причиной возникновения трибоэлектрических шумов. Выходной сигнал с инструментального усилителя 5 поступает по кабелю в компьютерную измерительную систему 6 (КИС). Инструментальный усилитель выполняется с минимальными геометрическими размерами и располагается в непосредственной близости от измерительного моста Уитстона. В результате амплитуда выходного сигнала с усилителя 5 увеличивается в n раз, где n - коэффициент усиления инструментального усилителя, а уровень наведенных шумов после выхода усилителя остается на прежнем уровне. Вследствие этого уровень сигнала датчика силы существенно превосходит уровень сигнала трибоэлектрических шумов. Датчик силы при ударных нагрузках может использоваться в широком диапазоне изменения величин от 0 до Р_max.The Wheatstone Bridge, a measuring amplifier, is powered by cable. During shock tests from the diagonal of the load-measuring bridge, the output signal is input to the instrument amplifier 5. Since the output signal of the bridge is transmitted to the instrument amplifier 5 through non-insulated conductors made of silver-plated copper, this eliminates the appearance of triboelectric noise, since there is no friction of the insulator dielectric relative to the conductor , which is the cause of triboelectric noise. The output signal from the instrumental amplifier 5 is supplied via cable to the computer measuring system 6 (CIS). The instrumentation amplifier is designed with minimal geometric dimensions and is located in close proximity to the Wheatstone measuring bridge. As a result, the amplitude of the output signal from amplifier 5 increases n times, where n is the gain of the instrumental amplifier, and the level of induced noise after the output of the amplifier remains at the same level. As a result, the signal level of the force sensor significantly exceeds the signal level of triboelectric noise. The force sensor under shock loads can be used in a wide range of values from 0 to P _max .

Claims

1. A strain gauge force measuring sensor with the property of survivability and low noise level under the action of an impact load, comprising a force measuring bridge made according to the Wheatstone circuit, whose strain gages are included in the electric circuit, and an instrument amplifier connected to the diagonal of the force measuring bridge and connected to a recording device, characterized the fact that the instrumental amplifier is connected to the load bridge through conductors without insulation made of silver-plated copper.

2. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that the strain gauges are included in the load bridge according to the bridge circuit.

3. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that the strain gauges are included in the load bridge according to a half-bridge circuit.

4. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that the strain gages are included in the load bridge according to the quarter-bridge circuit.

5. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that it has a maximum value of the readings of the measured force, exceeding the value of the force used during the impact, not less than ten times.

6. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that the instrument amplifier is installed in the immediate vicinity of the load bridge.

7. The strain gauge sensor according to claim 1, characterized in that a computer measuring system is used as the recording device.