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

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть предназначено для измерения силы. Целью изобретения является повышение точности датчиков силы и эффективности их регулировки, Способ заключается в выборе плоскости симметрии упругого элемента датчика, проходящей через его продольную ось, объединении в два независимых полумоста тензорезисторов, расположённых симметрично по разные стороны от этой плоскости, нагружении упругого элемента номинальной измеряемой силой, измерении разности выходных сигналов полумостов, а после переключения полярности одного из нихих суммы, повторении операций нагружения, разгружения и измерения сигналов после каждого поворота датчика вокруг своей оси, усреднении полученных значений сигналов и определении полумоста с большей чувствительностью по полярности сигнала, после чего производится регулировка коэффициента передачи этого полумоста путем последовательного включения в его цепь резистора, сопротивление которого рассчитывается по математической формуле. 3 ил. СП С vj ГО 00 О 00 сл

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s 601 1 1/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4810502/24 (22) 06.04,90 (46) 23.04,92. Бюл. М 15 (71) Научно-производственное объединение

"Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им. Д, И, Менделеева" .(72) B.Á,Øóìèëoâ (53) 531.781(088,8) (56) 3.Бауманн. Измерение сил электрическими методами М. Мир, 1978, с, 430.

Dietrlch М. Storkraftkompensation an

Prazisions kraftenePwanlern. Metrologische

Abchandlungen 4(1984)4, s 321, bis 328.

Hellwlg R.Н. Development, testing and

specifications of super precizion force

transducers for. international comparision

mearurements. Problems meazurement Force

and Mass,11 th International Conferens, 1986, Amsterdam, р, 13 — 22, (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВКИ ЧУВСТВИ-.

ТЕЛЬНОСТИ К ПОПЕРЕЧНЫМ СИЛАМ И

ИЗГИБАЮЩИМ МОМЕНТАМ ТЕН30РЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА СИЛЫ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения силы.

Известен способ уменьшения влияния поперечной составляющей силы на результаты измерения, При этом способе компенсация действия поперечной силы осуществляется путем создания противодействующей силы, например, с помощью селектора, представляющего собой мемб Ы 1728685 А1 (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть предназначено для измерения силы. Целью изобретения является повышение точности датчиков силы и эффективности их регулировки, Способ заключается в выборе плоскости симметрии упругого элемента датчика, проходящей через его продольную ось, объединении в два независимых полумоста тензорезисторов. расположенных симметрично по разные стороны от этой плоскости, нагружении упругого элемента номинальной измеряемой силой, измерении разности выходных сигналов полумостов, а после переключения полярности одного из них- их суммы, повторении операций нагружения, разгружения и измерения сигналов после каждого поворота датчика вокруг своей оси, усреднении полученных значений сигналов и определении полумоста с большей чувствительностью по полярности сигнала, после чего производится регулировка коэффициента передачи этого полумоста путем последовательного включения в его цепь резистора, сопротивление которого рассчитывается по математической формуле. 3 ил. ранные направляющие упругого элемента, которые соединены с жестким массивным корпусом, Недостатком указанного способа является относительно низкая 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 дат1728685

30 и и г= гл= — 2 R(1+р

40 соответственно, 45

50 чики силы имеют большую массу, габариты и высокую трудоемкость изготовления.

Известен также способ, при котором к датчику прикладывают поперечную силу, датчик вращают вокруг своей оси и измеряют его выходной сигнал, что позволяет опре- ° делить влияние направления и значения поперечной силы на выходной сигнал датчика. Затем путем регулировки коэффициента преобразования тензорезисторов сводят это влияние к минимуму.

Указанный способ обладает высокой трудоемкостью, требует специальных приспособлений, Так как конструкция датчика не рассчитана на воздействие такой поперечной силы без одновременного приложения осевой силы, то для сохранения необходимой устойчивости требуется дополнительное устройство крепления, а для передачи поперечной силы — сложное силопередающее устройство.

Известен также способ регулировки, при котором поперечные силы и изгибающий момент создаются с помощью клиньев (пластин, поверхности которых расположены под углом 0,2О), которые располагаются между опорными поверхностями датчика и силовоспроизводя щей установки. Датчик последовагельно нагружают и разгружают измеряемой силой, поворачивая его после разгружения вокруг своей оси на угол

360 /n, где и — числов шагов поворота. Путем поэтапного подбора дополнительных регулировочных тензорезисторов добиваются минимального влияния поперечных сил и изгибающих моментов на выходной сигнал датчика.

Амплитуда изменения выходного сигнала датчика вследствие действия поперечных сил и изгибающих моментов составляет

0,01-0,05% основного (полезного) сигнала.

При таком соотношении сигналов трудно добиться достаточно точной регулировки мостовой схемы. Распределение напряжений в упругом. элементе сжатия носит сложный характер, поэтому способ не позволяет рассчитать деформацию тензорезисторов и значения регулировочных резисторов, регулировка осуществляется их подбором. Таким образом, к недостаткам рассматриваемого способа следует отнести относительно низкую точность и высокую трудоемкость, Целью изобретения является повышение точности датчика и эффективности регулировки при ее одновременном упрощении.

Поставленная цель достигается тем, что при способе регулировки чувствительности к поперечной силе и изгибающим моментам тензорезисторного датчика силы, заключающемся в одновременном нагружении упругого элемента стержневого типа поперечными силами, изгибающими моментами и номинальной измеряемой силой, измерении сигнала собранных по мостовой схеме тензорезисторов, повторении операций и разгружения после каждого поворота датчика вокруг своей оси на угол 360 /и, где n— число циклов, и последующей регулировке путем включения резисторов в мостовую схему, предварительно выбирают плоскость симметрии упругого элемента, проходящую через его продольную ось, затем образуют два независимых пзлумоста из тензорезисторов, расположенных по разные стороны от этой плоскости, проводят и циклов нагружения, измеряя при каждом цикле разность выходных сигналов полумостов Ь и после переключения полярности питания одного из полумостов — их сумму д., рассчитывают среднее значение сигналов асср идар, по полярности сигнала д <р определяют полумост с большей чувствительностью и выравнивают чувствительность полумостов,. последовательно включая в его цепь резистор, сопротивление которого равно

r=r»= — 2В(1+р при включении резистора в плечо с тензорезисторами, воспринимающими продольную (основную) или поперечную деформацию где Ь я — средняя разность выходных сигналов; д ся — средняя сумма выходных сигналов полумостов; .,и — коэффициент Пуассона;

R — сопротивление плеча полумоста.

Данный способ является способом регулировки чувствительности к поперечным силам и изгибающим моментам тензореэисторных датчиков силы, в которых выбирают плоскость симметрии упругого

55 элемента, проходящую через его продольную ось, а затем образуют два независимых полумоста, симметричных относительно той же плоскости. Такая геометрическая симметрия системы упругий элемент — тензоре60 зисторные полумосты является предпосылкой для определения и исключе1728685 ния различий в коэффициентах переда и полумостов. Изменение полярности питания одного из полумостов в начале и конце каждого цикла. нагружения датчика позволяет измерить как разность Л, так и сумму 5 д; сигналов полумостов. Выходные сигналы полумостов примерно одинаковы по значению, но противоположны по знаку, поэтому при их суммировании основной сигнал компенсируется. После усреднения сумм di компенсируется и синусоидальное изменение сигнала. вызванного непараллельностью опорныл поверхностей, В результате сигнал дср определяется с высокой точностью. Измерение разности сигналов Аср необходимо для вычисления значения сопротивления регулировочного резистора. Учет полчрности сигнала д ср дает возможность выявить полумост с большей чувствительностью, в которой последовательно включается дополнительный резистор для выравнивания чувствительности полумостов, Как известно, изменение выходного сигнала полумоста BCD при приложении

25 нагрузки к датчику силы составит (сиг,фиг.1)

0 (4 +, g

° 4 где U — напряжение питания полумоста;

fp — относительное изменение сопротивления тензорезисторов воспринимающих деформацию растяжения; ес — относительное изменение сопротивления тензорезисторов, воспринимающих деформацию сжатия, Введем следующие обозначения:

Л = А — Лд — изменение разности вы ходных сигналов полумостов BCD u BAD после приложения силы к датчику; 4О д = с + Лд — изменение суммы этих сигналов.

Тогда +д . 2 Ы + (ц 45

Ьс — или = (1)

Для равенства коэффициентов передачи полумостов необходимо выполнение условия д= О.

Пусть s плечо ВС (см.фиг.2) добавлен 5О резистор сопротивлением r. Тогда изменение выходного сигнала полумоста ВСО после. приложения нагрузки будет определяться выражением

Ж =U("fp - -е -ес) (2 Р ")2 55

Коэффициенты передачи полумостов . будут равны, если

А = — Лд =А — д = (Л вЂ”.д)/2 или

u (— Ер + Ер + Ес ) 2 + — } г 2

R R

Л вЂ” д

2 (2)

После преобразования выражений 1 и 2 получим для деформации сжатия

r =2R(Ес

Ер Ес (Ер + Ес ) или, если эта деформация совпадает с поперечной деформацией упругого элемента, то гс — гпп — 2 R (1 +f4 (3) (1 +Р )2

При включении резистора в плечо CD для деформации растяжения получаем г, = — г R (— Š——

f.

Ep+Fc

+. )2. Л

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

Ip =гg = — 2R(1+р (4) (1+р)2

В результате регулировки полумостов по коэффициенту передачи составляющие их выходных сигналов, обусловленные действием на датчик поперечной силы и изгибающего момента, становятся одинаковы по величине и по знаку, поэтому при измерении разности выходных сигналов полумостов по основной схеме (см.фиг.1) происходит их полная взаимная компенсация.

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

На фиг.1 схематически изображены тензорезисторы, собранные в мост Уитстона; на фиг.2 — мостовая схема, в плечо ВС которой введено дополнительное сопротивление r; на фиг.3 изображено устройство, реализующее предложенный способ балансировки мостовой схемы тензорезисторного датчика силы.

1728685

Устройство для осуществления способа регулировки мостовой схемы (см.фиг.3) включает тензорезисторы, которые закреплены на упругом элементе датчика силы и собранные в схему Уитстана 1. На мост по-. дается питание от стабилизатора напряжения постоянного тока 2. На полумост BCD питание подается непосредственно от стабилизатора, а на полумост DAB — через ключ

3. С помощью ключа 3 производится изменение полярности питания полумоста. Измерение выходного сигнала (зажимы А и С) производится с помощью компаратора 4.

Датчик силы нагружается с помощью силозадающей установки.

Предлагаемый способ осуществляется этим устройством следующим образом.

На первом этапе тензорезисторный датчик и раз нагружают известной силой P и измеряют изменение суммы (4) и разности (h, ) выходных сигналов его полумостов, составляющих мост 1.

В исходном положении ключа 3 тензорезисторы с одним типом деформации (растяжения .или сжатия) включены в противоположные плечи моста, при этом напряжение между точками А и С характеризует разность сигналов полумостов.

Измерение разности сигналов с помощью компаратора 4 до (Unco) и после (0дсн) нагружения датчика позволяет определить ее изменение Ь= UACH — UACO.

После изменения полярности питания полумоста DAB с помощью ключа 3 тензорезисторы с одним типом деформации (растяжения или сжатия) включаются в смежные плечи моста, что позволяет с помощью компаратора 4 измерить сумму сигналов полумостов, По измеренной сумме сигналов до (UAco+) и после (0дсн ) нагружения датчика определяют изменение сумм сигналов полу0 + мостов д = 0Асн — UAcoHa втором этапе по формулам (3) и (4) определяют значение разбаланса полумостов по коэффициенту преобразования, проводят регулировку коэффициента преобразования тензорезисторов путем подключения к плечам моста дополнительных резисторов.

Пусть датчики силы работают на растяжение, тогда отношение между деформациями растяжения плеч АВ, CD и сжатия плеч

AD, ВС равно коэффициентам Пуассона р, соответственно отношение изменений сопротивлений плеч моста, работающих на . растяжение (ер) и-сжатие (ес), равно

ec/яр =p. Для стали коэффициент Пуассона равен р = 0,3 и при Ь= 20 мВ получаем ер 3.007 10, ес - 0.923 10

ЛООС oìe, изменение выходного сигнала полумо15 ста с дополнительным сопротивлением в плече ВС

Гс=2Я(— — -+

1+р

2,54 Ом

2 — = 9,95 MB

UR

+ гс изменение выходного сигнала полумоста с дополнительным солротивлением в плече С

35 гр =2 (+

1 +р.

= 0,78 Ом

40 и

AU oc—

4Б

2й+гр

В обоих случаях подключение дополнительного сопротивления уменьшает выход50 ной сигнал полумоста BCD на 50 мкВ и коэффициенты преобразования полумостов выравниваются.

Если сумма дср < О, то резисторы с теми же сопротивлениями должны быть

55 подключены соответственно в плечи AD или

AS. Распределение дополнительных сопротивлений между плечами полумоста производится с учетом требований к его начальной балансировке, т,е. достижения

Как показали исследования разбаланс полумоста имеет значение порядка

B cp = 50 мкВ, Если д,р > О, то выравнивание коэффициентов преобразования по5 лумостов осуществляется путем увеличения сопротивления полумоста BCD.

Для приведенных выше данных вычислим изменение выходного сигнала полумоста SCD при нагружении датчика с мостом

10 без дополнительного сопротивления, 1728685

10 минимального выходного. сигнала при отсутствии воздействия на датчик, После возвращения ключа 3 в исходное состояние датчик готов к измерениям, Такая регулировка моста производится 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 это. отпадает необходимость поэтапного подбора. регулировочных резисторов, их значения определяются расчетным путем, что снижает трудоемкость процесса регулировки и упрощает его.

Формула изобретения

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 /и. где n — число циклов нагружения-разгружения, 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 bcb, 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 Ь, затем переключают полярность питания одного из полумостов и измеряют их сумму

4, после проведения и циклов нагруженияразгружения рассчитывают усредненное значение сигналов Лcð и д <>, по полярно-, 10 сти сигнала дср определяют полумост с большей чувствительностью и выравнивают чувствительность полумостов, последовательно включая в его цепь резистор. сопротивление которого равно

15 гпд = — 2R(1 +,и

20 при включении резистора в плечо с тензорезисторами, воспринимающими продольную деформацию, и

25 г.. = — 2R(1 +,и

30 при включении резистора в плечо с тензорезисторами, воспринимающими поперечную . деформацию, где Л

0 p — средняя сумма выходных сигналов полумостов и — коэффициент Пуассона:

R — сопротивление плеча полумоста.

1728685

Составитель 8, Шумилов

Техред М.Моргентал Корректор М. Максимишинец

Редактор А. Бер

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 1400 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5