Устройство для измерения характеристик тензорезисторов

 

Использование: для прецизионного измерения чувствительности и ползучести тензорезисторов и их температурных изменений. Сущность изобретения: устройство содержит жесткое основание с гранью цилиндрической формы, по профилю которой изгибается упругая балка с тензорезисторами, работающая в режиме релаксации напряжений, что обеспечивает высокую стабильность задания деформации. Устройство имеет небольшие размеры и пригодно для эксплуатации в лабораториях и на местах массовых тензоизмерений. 28 з.п ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области приборостроения.

Известно устройство для измерения характеристик тензорезисторов, содержащее опору, симметричную упругую балку, на которой размещены испытываемые тензорезисторы, узлы нагружения, взаимодействующие с балкой путем приложения двух пар сил, которые создают на поверхности балки постоянную заданную деформацию [1] Недостатком этого устройства является нестабильность во времени задаваемой деформации из-за релаксации деформации в материале упругой балки, что не дает возможности измерить чистую ползучесть самих тензорезисторов и снижает точность измерения других характеристик тензорезисторов.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является устройство для измерения характеристик тензорезисторов, содержащее опору, симметричную упругую балку, взаимодействующую с опорой, нагружающие узлы, связанные с концами симметричной упругой балки и опорой, и электронный измерительный прибор [2] Недостатками этого устройства являются большие габаритные размеры и не исключенное влияние ползучести материала упругой балки на результаты измерения характеристик тензорезисторов из-за релаксации деформаций в свободной от опор части балки. Релаксация деформаций приводит к изменению формы изогнутой поверхности балки и, следовательно, к изменению ("сползанию") заданной деформации, которая должна быть постоянной во времени.2 Изобретение направлено на устранение описанных недостатков известных устройств, т.е. на исключение погрешности от ползучести материала упругой балки и уменьшение габаритных размеров.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для измерения характеристик тензорезисторов, содержащем опору, симметричную упругую балку, взаимодействующую с опорой, нагружающие узлы, связанные с концами симметричной упругой балки и опорой, опора выполнена в виде жесткого основания, грань которого, обращенная к симметричной упругой балке, имеет форму части выпуклой цилиндрической поверхности, плоскость направляющей которой параллельна продольной оси симметричной упругой балки, а образующие цилиндрической поверхности перпендикулярны этой оси, при этом жесткое основание расположено с возможностью взаимодействия части цилиндрической поверхности с центральной частью поверхности симметричной упругой балки.

При этой совокупности существенных признаков во всех случаях будет получен новый технический результат: исключено влияние измерения характеристик тензорезисторов, в первую очередь на измерение ползучести тензорезисторов, а также уменьшены габаритные размеры устройства.

Кроме того, указанные технические результаты могут быть достигнуты при нижеуказанных формах выполнения отдельных элементов устройства.

Направляющие цилиндрической поверхности могут быть выполнены в виде дуги окружности, либо в виде дуги, кривизна которой монотонно уменьшается от середины к краям, либо в виде дуг эллипса, параболы или гиперболы.

В жестком основании может быть выполнен паз, параллельный продольной оси симметричной упругой балки, причем ширина паза меньше ширины упругой балки в зоне ее взаимодействия с жестким основанием, а сам паз может быть глухим или сквозным.

Симметричная упругая балка может иметь равное сечение по всей длине, состоять их двух балок равного сопротивления, либо состоять из двух балок трапецеидальной формы. Также боковые поверхности центрального участка симметричной упругой балки могут быть выполнены в виде дуг окружности, либо дуг, кривизна которых монотонно уменьшается от центра к краям, либо в виде дуг эллипсов, парабол или гипербол.

Устройство может быть снабжено набором сменных опор различных исполнений, т.е. с различными формами направляющей цилиндрической поверхности, при этом сменные опоры, имеющие одинаковый геометрический вид направляющей, имеют различные максимальную и среднюю кривизны.

Устройство также может быть снабжено набором сменных симметричных исполнений, при этом балки одного исполнения, т.е. одинаковой геометрической формы в плане, имеют разную толщину.

Нагружающий узел может быть выполнен в виде резьбовой пары, эксцентрика, клинового механизма, механизма нагружения гирями или рычажного механизма с фиксатором.

Жесткое основание и симметричная упругая балка могут быть выполнены из сплава с высокой размерной стабильностью, из материала упругих элементов тензорезисторных датчиков, или из материалов с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства, вид сбоку, с частичным разрезом по продольной плоскости симметрии.

На фиг. 2 общий вид устройства, вид сверху, с симметричной упругой балкой равного сечения.

На фиг. 3 симметричная упругая балка с центральной частью, выполненной в виде двух балок равного сопротивления.

На фиг. 4 симметричная упругая балка, выполненная в виде двух трапецеидальных балок.

На фиг. 5 симметричная упругая балка, боковые поверхности центральной части которой выполнены в виде дуг окружности, либо дуг, кривизна которых монотонно уменьшается от центра к краям, либо в виде дуг эллипса, параболы или гиперболы.

На фиг. 6 нагружающий узел, выполненный в виде резьбовой пары.

На фиг. 7 нагружающий узел, выполненный в виде эксцентрика.

На фиг. 8 нагружающий узел, выполненный в виде клинового механизма.

На фиг. 9 нагружающий узел, выполненный с нагружением гирями.

На фиг. 10 нагружающий узел, выполненный в виде рычага с фиксатором.

Устройство для измерения характеристик тензорезисторов содержит опору 1, выполненную в виде жесткого основания, симметричную упругую балку 2, нагружающие узлы 3, передающие усилия на концы симметричной упругой балки 2 через тяги 4 и силопередающие узлы 5, выполненные, например, в виде трехгранных призм. На симметричной упругой балке 2 размещены испытываемые тензорезисторы 6 и 7. В опоре 1 может быть выполнен симметричный паз, граница которого показана линией 8. Паз может быть сквозным, т.е. проходить через всю опору 1, в этом случае его граница показана пунктирной линией, продолжающей сплошную линию 8, либо глухим, имеющим дно, показанное линией 9.

Грань 10 опоры 1, взаимодействующая с симметричной упругой балкой 2, выполнена в виде части выпуклой цилиндрической поверхности, плоскость направляющей 11 которой параллельна продольной оси 12 симметричной упругой балки 2, а образующие 13 цилиндрической поверхности грани 10, показанные пунктиром на фиг. 2, перпендикулярны оси 12. Направляющая 11 цилиндрической поверхности может быть выполнена в виде дуги окружности, либо в виде дуги, кривизна которой монотонно уменьшается от середины оси симметрии 14 к краям, либо в виде дуг эллипса, параболы или гиперболы.

Устройство может быть снабжено набором сменных опор 1 различных исполнений, т.е. с различными геометрическими формами направляющей 11, таким образом, чтобы сменные опоры 1, имеющие одинаковый геометрический тип направляющей 11, имели различные максимальную и средние кривизны.

Симметричная упругая балка 2 может иметь несколько исполнений: равное сечение /фиг. 1 и 2/, центральная часть ее может состоять из двух балок 15 равного сопротивления изгибу /фиг. 3/, из двух трапецеидальных балок 16 /фиг. 4/. Центральная часть симметричной упругой балки 2 также может быть выполнена с боковыми поверхностями в виде дуг 17 /фиг. 5/ с постоянной кривизной, т. е. в виде дуг окружности, либо в виде дуг, кривизна которых монотонно уменьшается от середины оси 18 симметрии к краям, либо в виде дуг эллипса, параболы или гиперболы.

Устройство может быть снабжено набором сменных симметричных упругих балок 2 различных исполнений таким образом, чтобы балки одного исполнения, т. е. имеющие одинаковую геометрическую форму в плане, имели различные толщины.

Нагружающий узел 3 может быть выполнен в виде резьбовой пары винт 19 - гайка 20 /фиг. 6/, эксцентрика 21 с осью поворота 22 /фиг. 7/, клина 23 и охватывающей его серьги (на чертеже на показана), с роликом 24 /фиг.8/, механизма нагружения гирями, состоящего из поддона 25 и показанных пунктиром гирь 26 /фиг. 9/, рычажного механизма, состоящего из рычага 27 на шарнирной опоре 28 с фиксатором 29 /фиг.10/.

Опора 1 и симметричная упругая балка 2 могут быть выполнены из сплава с высокой размерной стабильностью, из материала упругих элементов тензорезисторных датчиков, или из материала с одинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения.

Сигналы с испытываемых тензорезисторов 6 и 7 измеряются электронной аппаратурой (на чертеже на показана).

Устройство работает следующим образом.

После прикрепления испытываемых тензорезисторов 6 и 7 к поверхности симметричной упругой балки 2 последняя симметрично размещается на опоре 1 таким образом, чтобы силопередающие узлы 5 входили в зацепление с ее концами. Если в опоре 1 нет паза 8, то к симметричной упругой балке 2 прикрепляются только тензорезисторы 6, расположенные на ее наружной по отношению к опоре 1 стороне, и испытываемые при деформации растяжения, а противоположная сторона симметричной упругой балки 2, обращенная к опоре 1 и взаимодействующая с ней, свободна от тензорезисторов 7. Это позволяет обеспечить свободный от механических помех контакт поверхности симметричной упругой балки 2 и опоры 1. Если паз 8 выполнен, то можно разместить и тензорезисторы 7, испытываемые при деформации сжатия.

После размещения симметричной упругой балки 2 на опоре 1 в ненагруженном положении, т. е. при исходном положении нагружающих узлов, предварительно с помощью электронной аппаратуры (на чертежах не показана) измеряют исходный ("нулевой") сигнал тензорезисторов 6 и 7. Затем с помощью нагружающих узлов 3 прикладывают силы к концам симметричной упругой балки 2, изгибая ее. При этом на ее поверхности возникает заданная деформация, и тензорезисторы 6 и 7 преобразуют эту деформацию в соответствующие электрические сигналы, измеряемые той же электронной аппаратурой. Характеристики испытываемых тензорезисторов 6 и 7 определяются при этом известными способами и приемами.

Принципиальная разница между известными устройствами и данным изобретением состоит в схеме задания деформации симметричной упругой балки 2. При постепенно увеличивающемся изгибе симметричной упругой балки 2, который обеспечен работой нагружающих узлов 3, она начинает прилегать к грани 10 опоры 1, начиная от середины оси симметрии 18 таким образом, что зона контакта между симметричной упругой балкой 2 и опорой 1 (на чертеже зона контакта не показана) постепенно расширяется от центра оси симметрии 18 к краям. При этом упругая линия центральной части симметричной балки 2 в зоне контакта с опорой 1 точно повторяет форму направляющей 11 грани 10. Нагружение и деформирование симметричной упругой балки 2, осуществляемое нагружающими узлами 3, продолжается до тех пор, пока тензорезисторы 6 и 7 полностью не окажутся в зоне деформаций, заданных направляющей 11, т.е. когда длина зоны контакта центральной части симметричной упругой балки 2 и опоры 1 будет больше длины зоны размещения тензорезисторов 6 и 7. Параметры нагружающих устройств 3 дискретного действия с эксцентриком 21 /фиг. 7/, с клином 23 /фиг. 8/ и с рычагом 27 /фиг.10/ подобраны таким образом, чтобы положение, соответствующее максимальной заданной деформации, т.е. полностью изогнутой симметричной упругой балки 2, обеспечивалось при крайнем положении эксцентрика 21, клина 23 и рычага 27 при их движении в направлениях, указанных стрелками. Соответственно нулевая деформация обеспечивается при другом положении этих элементов. Параметры нагружающих устройств непрерывного действия с резьбовой парой /фиг. 6/ и с гирями /фиг. 9/, т.е. число оборотов гайки 20 и масса, и число гирь 26, необходимые для задания максимальной деформации, подбираются экспериментально, либо расчетным путем.

В нагруженном состоянии задаваемая деформация поверхности симметричной упругой балки 2 в каждой точке зоны контакта с опорой 1 полностью определяется толщиной первой и радиусом кривизны последней в рассматриваемой точке. Соотношение между указанными толщиной и радиусом выбираются на основе известных формул сопротивления материалов или при помощи расчета на ЭВМ методом конечного элемента таким образом, чтобы обеспечить желаемое значение задаваемой деформации. Приближенно величина среднего значения задаваемой деформации в каждой точке зоны контакта может быть вычислена как частное от деления половины толщины симметричной упругой балки 2 на радиус кривизны направляющей 11 опоры 1 в этой же точке.

Устройство может иметь в комплекте несколько симметричных упругих балок с разными толщинами и несколько опор с одинаковой геометрической формой направляющей 11, но с разной максимальной или средней кривизнами. Заменяя опоры или симметричные упругие балки, это позволяет в широких пределах изменять деформацию, задаваемую устройством при измерении характеристик тензорезисторов.

Толщина симметричной упругой балки 2 и радиус кривизны опоры 1 в каждой точке зоны контакта между ними постоянны во времени, следовательно, такой же степенью стабильности будут обладать и деформация, задаваемая устройством на поверхности симметричной упругой балки 2 и являющаяся входным параметром испытываемых тензорезисторов 6 и 7. В этом состоит принципиальное преимущество устройства по сравнению с известными, в которых центральная часть симметричной упругой балки ничем не подкреплена и свободно висит между опорами и нагружающими узлами, благодаря чему в ней беспрепятственно протекают процессы релаксации деформации, снижающие точность поддержания заданного значения деформации, т. е. снижающие стабильность заданной деформации. В устройстве центральная часть симметричной упругой балки 2 оперта на криволинейную грань 10 опоры 1, и вследствие этого не может изменять свою форму. Поэтому процесс релаксации деформаций остановлен, а протекает только процесс релаксации напряжений в материале симметричной упругой балки 2, не влияющий на форму центрального участка симметричной упругой балки 2, который находится в контакте с опорой 1. Следовательно, деформация центрального участка симметричной упругой балки 2 в зоне размещения тензорезисторов 6 и 7 постоянна, и электронный прибор измеряет сигнал с тензорезисторов 6 и 7, к которым нет вклада от ползучести материала симметричной упругой балки 2, вызванной вызванной релаксацией деформаций ее материала. Поэтому устройство позволяет повысить точность измерения всех характеристик тензорезисторов 6 и 7.

Чтобы обеспечить стабильное во времени прилегание центральной части симметричной упругой балки 2 к опоре 1, бывает полезно обеспечить плавность формы эпюры нормальных напряжений сжатия на их контакте без резких скачков и выше некоторого заданного уровня по абсолютной величине. Для этого можно изменять форму направляющей 11 цилиндрической поверхности и форму боковой поверхности симметричной упругой балки 2. С технологической точки зрения наиболее просто это достигается выполнением направляющей 11 в виде дуги окружности и симметричной упругой балки 2 равного сечения, однако при этом эпюра нормальных напряжений на контакте имеет выраженные максимумы на краях и провал в середине, что приводит к повышенному износу. Для выравнивания эпюры нормальных напряжений направляющую 11 можно выполнить в виде дуги, кривизна которой монотонно уменьшается от середины оси симметрии 14 к краям, либо в виде дуги эллипса, параболы или гиперболы. С этой целью можно выполнить центральную часть симметричной упругой балки 2 в виде двух балок 15 равного сопротивления /фиг. 3/ в виде двух трапецеидальных балок 16 /фиг. 4/. Также можно выполнить боковые поверхности центрального участка симметричной упругой балки 2 в виде дуг 17 /фиг. 5/; окружности, либо дуг, кривизна которых монотонно уменьшается от центра оси 18 к краям, либо в виде дуг эллипсов: парабол или гипербол.

Нагружающие узлы 3 прикладывают к концам симметричной упругой балки 2 силы, изгибающие ее по грани 10 опоры 1, и могут иметь несколько исполнений.

На фиг. 6 показано исполнение нагружающего узла 3 в виде резьбовой пары, когда вращение гайки 20 на винте 19 вызывает перемещение тяги 4, изгибающее симметричную упругую балку 2.

Нагружение симметричной упругой балки 2 может производиться эксцентриком 21 /фиг. 7/, при вращении которого вокруг оси 22 он фиксируется выступами в двух крайних положениях тяги 4, соответствующих исходной ("нулевой") и максимальной деформации тензорезисторов 6 и 7.

На фиг. 8 показан клиновой нагружающий узел 3, содержащий клин 23 с двумя разновысокими плоскими участками, взаимодействующими с роликом 24, соединенным через серьгу (на чертеже не показана) с тягой 4. В правом положении клина 23 деформация симметричной упругой балки 2 минимальна, в левом максимальна.

Аналогично работает нагружающий узел 3 с гирями 26, которые последовательно накладываются на поддон 25, соединенный с тягой 4 /фиг. 9/.

Нагружение и разгружение симметричной упругой балки 2 рычагом 27 осуществляется при его вращении вокруг оси 28 и фиксации в двух положениях фиксаторами 29 /фиг. 10/, которые соответствуют нагруженному и разгруженному состояниям симметричной упругой балки 2.

Для повышения точности измерения характеристик тензорезисторов можно выполнить опору 1 и симметричную упругую балку 2 из сплава с высокой размерной стабильностью, например, из сталей типа штамповых. Также можно выполнить опору 1 и симметричную упругую балку 2 из материала, используемого для изготовления упругих элементов тензорезисторных датчиков механических величин: специальных пружинных сталей, сплавов алюминия, бронзы, титана, из кремния и т.п. полупроводниковых материалов, из сапфира и т.п.

Для повышения точности измерения температурных характеристик можно также изготовить опору 1 и симметричную упругую балку 2 из одного и того же материала, либо из вышеперечисленных материалов с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения.

Устройство позволяет с высокой точностью измерять следующие характеристики тензорезисторов: чувствительность, ползучесть, температурное изменение "нуля", температурное изменение чувствительности, температурное изменение ползучести. 2 4

Формула изобретения

1. Устройство для измерения характеристик тензорезисторов, содержащее опору, симметричную упругую балку, взаимодействующую с опорой, нагружающие узлы, связанные с концами симметричной упругой балки и опорой, электронный измерительный прибор, отличающееся тем, что опора выполнена в виде жесткого основания, грань которого, взаимодействующая с симметричной упругой балкой, имеет форму части выпуклой цилиндрической поверхности, плоскость направляющей которой параллельна продольной оси симметричной упругой балки, а образующие цилиндрической поверхности перпендикулярны к той же оси, при этом жесткое основание расположено с возможностью взаимодействия части цилиндрической поверхности с центральной частью поверхности симметричной упругой балки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что направляющая выпуклой цилиндрической поверхности выполнена в виде дуги окружности.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что направляющая выпуклой цилиндрической поверхности выполнена в виде дуги, кривизна которой монотонно уменьшается от середины жесткого основания к краям.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что направляющая выпуклой цилиндрической поверхности выполнена в виде дуги эллипса.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что направляющая выпуклой цилиндрической поверхности выполнена в виде дуги параболы.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что направляющая выпуклой цилиндрической поверхности выполнена в виде дуги гиперболы.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в жестком основании выполнен паз, параллельный продольной оси симметричной упругой балки, причем ширина паза меньше ширины упругой балки в зоне ее взаимодействия с жестким основанием.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что паз выполнен сквозным.

9. Устройстве по п. 1, отличающееся тем, что в него введены дополнительные сменные жесткие основания, имеющие различные средние и максимальные кривизны направляющей выпуклой цилиндрической поверхности.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что симметричная упругая балка имеет равное сечение.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что центральная часть симметричной упругой балки выполнена в виде двух балок равного сопротивления.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что симметричная упругая балка выполнена в виде двух трапецеидальных балок.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что боковые поверхности центрального участка симметричной упругой балки выполнены в виде дуг окружности.

14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что боковые поверхности центрального участка симметричной упругой балки выполнены в виде дуг, кривизна которых монотонно уменьшается от центра к краям.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что боковые поверхности центрального участка симметричной упругой балки выполнены в виде дуг эллипсов.

16. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что боковые поверхности центрального участка симметричной упругой балки выполнены в виде дуг парабол.

17. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что боковые поверхности центрального участка симметричной упругой балки выполнены в виде дуг гипербол.

18. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введены дополнительные сменные симметричные упругие балки, имеющие различную толщину.

19. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагружающие узлы выполнены в виде резьбовой пары.

20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагружающие узлы выполнены в виде эксцентрика.

21. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагружающие узлы выполнены в виде клинового механизма.

22. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагружающие узлы выполнены в виде механизма нагружения гирями.

23. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагружающие узлы выполнены в виде рычажного механизма с фиксатором.

24. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что жесткое основание выполнено из сплава с высокой размерной стабильностью.

25. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что симметричная упругая балка выполнена из сплава с высокой размерной стабильностью.

26. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что симметричная упругая балка и жесткое основание выполнены из сплава с высокой размерной стабильностью.

27. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что симметричная упругая балка выполнена из материала, применяемого для изготовления упругих элементов тензорезисторных датчиков механических величин.

28. Устройство по п. 1, отличающееся там, что симметричная упругая балка и жесткое основание выполнены из материала, применяемого для изготовления упругих элементов тензорезисторных датчиков механических величин.

29. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что жесткое основание и симметричная упругая балка выполнены из материалов с одинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10