SU1728685A1

SU1728685A1 - Способ регулировки чувствительности к поперечным силам и изгибающим моментам тензорезисторного датчика силы

Info

Publication number: SU1728685A1
Application number: SU904810502A
Authority: SU
Inventors: Владимир Борисович Шумилов
Priority date: 1990-04-06
Filing date: 1990-04-06
Publication date: 1992-04-23

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть предназначено дл измерени силы. Целью изобретени вл етс повышение точности датчиков силы и эффективности их регулировки, Способ заключаетс в выборе плоскости симметрии упругого элемента датчика, проход щей через его продольную ось, объединении в два независимых полумоста тензорезисторов, расположённых симметрично по разные стороны от этой плоскости, нагружении упругого элемента номинальной измер емой силой, измерении разности выходных сигналов полумостов, а после переключени пол рности одного из них- их суммы, повторении операций нагружени , разгружени и измерени сигналов после каждого поворота датчика вокруг своей оси, усреднении полученных значений сигналов и определении полумоста с большей чувствительностью по пол рности сигнала, после чего производитс регулировка коэффициента передачи этого полумоста путем последовательного включени в его цепь резистора, сопротивление которого рассчитываетс по математической формуле. 3 ил. СП С vj ГО 00 О 00 сл

Description

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени силы.

Известен способ уменьшени вли ни поперечной составл ющей силы на результаты измерени . При этом способе компенсаци действи поперечной .силы осуществл етс путем создани противодействующей силы, например, с помощью селектора, представл ющего собой мембранные направл ющие упругого элемента, которые соединены с жестким массивным корпусом.

Недостатком указанного способа вл етс относительно низка точность измерений , так как мембраны вследствие малой жесткости в направлении оси датчика не компенсируют изгибающий момент, который возникает при несовпадении вектора силы с осью датчика. Кроме того, такие датни различий в коэффициентах переда и полумостов. Изменение пол рности питани одного из полумостов в начале и конце каждого цикла нагружени датчика позвол ет измерить как разность Д |, так и сумму 5j сигналов полумостов. Выходные сигналы полумостов примерно одинаковы по значению , но противоположны по знаку, поэтому при их суммировании основной сигнал компенсируетс . После усреднени сумм 5| компенсируетс и синусоидальное изменение сигнала, вызванного непарал лельностью опорныл поверхностей. В результате сигнал дер определ етс с высокой точностью. Измерение разности сигналов Дер необходимо дл вычислени значени сопротивлени регулировочного резистора. Учет пол рности сигнала 5ср дает возможность вы вить полумост с большей чувствительностью, в которой последовательно включаетс дополнительный резистор дл выравнивани чувствительности полумостов.

Как известно, изменение выходного сигнала полумоста BCD при приложении нагрузки к датчику силы составит (сиг.фиг.1)

.&.uiaЈ6u,

где U - напр жение питани полумоста;.

: Ер - относительное изменение сопротивлени тензорезисторов воспринимающих деформацию раст жени ;

Јс - относительное изменение сопротивлени тензорезисторов, воспринимаю- щих деформацию сжати .

Введем следующие обозначени :

Д Дс - ДА изменение разности вы1 ходных сигналов полумостов BCD и BAD после приложени силы к датчику;

б Дс + ДА - изменение суммы этих сигналов.

Тогда

л - Д + 5 .11Ш U(eP+Јc) Д + б m Ас2- или - 42

Дл равенства коэффициентов передачи полумостов необходимо выполнение услови (5 0.

Пусть в плечо ВС (см.фиг.2) добавлен резистор сопротивлением г. Тогда изменение выходного сигнала полумоста BCD после приложени нагрузки будет определ тьс выражением

(ЈЕр+Ер+ЈсУ(2+Ј)2.

Коэффициенты передачи полумостов будут равны,если

д. Дд д. -д (Д-д )/2 или

и(ЈЈр+Јр+Ес)/2 + Ј)

(2)

5После преобразовани выражений 1 и 2

получим дл деформации сжати

Ее

-Г

ЕС

+ 21§0

(Ер+Ес)2

или, если эта деформаци совпадает с поперечной деформацией упругого элемента , то

Гс - Гпп

-2R(T

f

JL

42-+2l3 -

(3)

.(1+/O При включении резистора в плечо CD

дл деформации раст жени получаем

25

rp -2R(

ЕР +ЕС

-У 4 +2|-Јп f (Ер+Ес)23

5

0

5

0

5

0

или,если эта деформаци совпадает с предельной (основной) деформацией упругого элемента, то

ГР ГПД - 2 R ( 1 +

.(4)

Г1

+ 21X0

(1+/О

В результате регулировки полумостов по коэффициенту передачи составл ющие их выходных сигналов, обусловленные действием на датчик поперечной силы vi изгибающего момента, станов тс одинаковы по величине и по знаку, поэтому при измерении разности выходных сигналов полумостов по основной схеме (см.фиг.1) происходит их полна взаимна компенсаци .

Кроме того, полумосты одинаково реагируют на изменение линейных размеров упругого элемента от температуры, что снижает температурный дрейф нул .

На фиг.1 схематически изображены тен- зорезисторы, собранные в мост Уитстона; на фиг.2 - мостова схема, в плечо ВС которой введено дополнительное сопротивление г; на фиг.3 изображено устройство, реализующее предложенный способ балансировки мостовой схемы тензорезисторно- го датчика силы.

Устройство дл осуществлени способа регулировки мостовой схемы (см,фиг.3) включает тензорезисторы, которые закреплены на упругом элементе датчика силы и собранные в схему Уитстона 1. На мост подаетс питание от стабилизатора напр жени посто нного тока 2. На полумост BCD питание подаетс непосредственно от стабилизатора , а на полумост DAB - через ключ 3. С помощью ключа 3 производитс изменение пол рности питани полумоста. Измерение выходного сигнала (зажимы А и С) производитс с помощью компаратора А. Датчик силы нагружаетс с помощью сило- задающей установки.

Предлагаемый способ осуществл етс этим устройством следующим образом.

На первом этапе тензорезисторный датчик п раз нагружают известной силой Р и измер ют изменение суммы ( 6) и разности (Л| выходных сигналов его полумостов , составл ющих мост 1.

В исходном положении ключа 3 тензорезисторы с одним типом деформации (раст жени .или сжати ) включены в противоположные плечи моста, при этом напр жение между точками А и С характеризует разность сигналов полумостов. Измерение разности сигналов с помощью компаратора 4 до (UACO) и после (UACH) нагружени датчика позвол ет определить ее изменение Д UACH -UACO.

После изменени пол рности питани полумоста DAB с помощью ключа 3 тензорезисторы с одним типом деформации (раст жени или сжати ) включаютс в смежные плечи моста, что позвол ет с помощью компаратора 4 измерить сумму сигналов полумостов . По измеренной сумме сигналов до (UAco4) и после (UACH) нагружени датчика определ ют изменение сумм сигналов полумостов .6- идсьг- UACO

На втором этапе по формулам (3) и (4) определ ют значение разбаланса полумостов по коэффициенту преобразовани , провод т регулировку коэффициента преобразовани тензорезисторов путем подключени к плечам моста дополнительных резисторов.

Пусть датчики силы работают на раст жение , тогда отношение между деформаци ми раст жени плеч АВ, CD и сжати плеч AD, ВС равно коэффициентам Пуассона /г, соответственно отношение изменений сопротивлений плеч моста, работающих на раст жение (ер) и сжатие (ЕС), равно ЕС/ЕР /. Дл стали коэффициент Пуассона равен / 0,3 и при Д 20 мВ получаем ер - 3.007 . ЕС - 0.923 .

Как показали исследовани разбаланс полумоста имеет значение пор дка 5ср 50 мкВ, Если дср 0, то выравнивание коэффициентов преобразовани полумостов осуществл етс путем увеличени сопротивлени полумоста BCD.

Дл приведенных выше данных вычислим изменение выходного сигнала полумоста BCD при нагружении датчика с мостом

без дополнительного сопротивлени

диос - URp+ep) UR

DC 2R.+ R(Cp.+Јc) 2R ш МИ

изменение выходного сигнала полумо- ста с дополнительным сопротивлением в плече ВС

r«-2R(-T+/r +

JL

( (1+ -+2l4l)

2,54 Ом

диосUR(1+ep)

а U DC 2 R + rc + R ( Ко + Г, UR

гс +к(7:р +гс) 9,95мВ ,

2R +Гс

изменение выходного сигнала полумоста с дополнительным сопротивлением в плече С

35

(-ТТ7Г +

+/02

+

аО

0,78 Ом

45

™° 3№3№&- обоих случа х подключение дополнительного сопротивлени уменьшает выходной сигнал полумоста BCD на 50 мкВ и коэффициенты преобразовани полумостов выравниваютс .

Если сумма 5Ср 0, то резисторы с теми же сопротивлени ми должны быть

подключены соответственно в плечи AD или АВ. Распределение дополнительных сопротивлений между плечами полумоста производитс с учетом требований к его начальной балансировке, т.е. достижени

0

5

рично по разные стороны от этой плоскости, после нагружени упругого элемента номинальной измер емой силой измер ют разность выходных сигналов полумостов Д|, затем переключают пол рность питани одного из полумостов и измер ют их сумму 5j, после проведени п циклов нагружени - разгружени рассчитывают усредненное значение сигналов Аср и 5 Ср , по пол ркости сигнала дер определ ют полумост с большей чувствительностью и выравнивают чувствительность полумостов, последовательно включа в его цепь резистор, сопротивление которого равно

гпд -2R(TT -минимального выходного сигнала при отсутствии воздействи на датчик.

После возвращени ключа 3 в исходное состо ние датчик готов к измерени м.

Така регулировка моста производитс как при первичной, так и при последующих поверках датчика силы.

Таким образом, по сравнению с прототипом способ дает возможность повысить точность регулировки в 10-12 раз и во столько же раз снизить чувствительность датчиков к поперечным силам и изгибающим моментам. При этс.1 отпадает необходимость поэтапного подбора.регулировочных резисторов, их значени определ ютс расчетным путем, что снижает трудоемкость процесса регулировки и упрощает его.

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и

Способ регулировки чувствительности к поперечным силам и изгибающим моментам тензорезисторного датчика силы, заключающийс в одновременном нагружении упругого элемента стержневого типа поперечными силами, изгибающими моментами и номинальной измер емой силой , измерении сигнала собранных по мостовой схеме тензорезисторов, повторении операций нагружени и разгружени после каждого поворота датчика вокруг своей оси на угол 360°/п, где п - число циклов нагру- жени -разгружёни , и последующей регулировке путем включени резисторов в мостовую схему, отличающийс тем, что, с целью повышени точности датчика и эффективности регулировки, выбирают плоскость симметрии упругого элемента, проход щую через его продольную Ъсь, объедин ют в два независимых полумоста тензорезисторы, расположенные симмет (О

-Г

1

О+/О2

+ 2 I

1

A CD

ср

при включении резистора в плечо с тензоре- зисторами, воспринимающими Продольную деформацию, и.

25

(т+/г

+ 2 I

)

Лср

30

5

при включении резистора в плечо с тензоре- зисторами, воспринимающими поперечную. деформацию,

где Аср - средн разность выходных сигналов полумостов;

дер - средн сумма выходных сигналов полумостов

р- коэффициент Пуассона:

R - сопротивление плеча полумоста.

Фиг.1

Фиг. 2

Фие.З

Claims

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ регулировки чувствительности к поперечным силам и изгибающим моментам тензорезисторного датчика силы, заключающийся в одновременном нагружении упругого элемента стержневого типа поперечными силами, изгибающими моментами и номинальной измеряемой силой, измерении сигнала собранных по мостовой схеме тензорезисторов, повторении операций нагружения и разгружения после каждого поворота датчика вокруг своей оси на угол 360°/п. где η - число циклов нагружения-разгружёния, и последующей регулировке путем включения резисторов в мостовую схему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности датчика и эффективности регулировки, выбирают плоскость симметрии упругого элемента, проходящую через его продольную Ъсь, объединяют в два независимых полумоста тензорезисторы, расположенные симметрично по разные стороны от этой плоскости, после нагружения упругого элемента номинальной измеряемой силой измеряют разность выходных сигналов полумостов Δ₍, 5 затем переключают полярность питания одного из полумостов и измеряют их сумму <5i /после проведения η циклов нагруженияразгружения рассчитывают усредненное значение сигналов Лер и д ср -по полярно¹θ сти сигнала <5 _Ср определяют полумост с большей чувствительностью и выравнивают чувствительность полумостов, последовательно включая в его цепь резистор, сопротивление которого равно

15 1 г пд =-2R(-_TTy~ _2о -hrw⁺²ⁱ4^ при включении резистора в плечо с тензорезисторами, воспринимающими Продольную деформацию, и

25 _Гп„ = __2В(тг_f-£ _ +2ΐ4^-»ΐΥ (1+//)^{2 Д}ср при включении резистора в плечо с тензорезисторами, воспринимающими поперечную деформацию, где Аср - средняя разность выходных сиг35 налов полумостов;

д_Ср - средняя сумма выходных сигналов полумостов μ - коэффициент Пуассона;

R - сопротивление плеча полумоста.

«

Фиг.2

Фиг.З