Способ и устройство тензоэлектрического преобразования

Использование: для создания тензометрических средств измерения давления контактного типа. Сущность изобретения заключается в том, что способ тензоэлектрического преобразования напряженно-деформированного состояния тензочувствительной консоли заключается в измерении мостовым методом изменения электрического сопротивления тонкой металлической пленки, нанесенной на упругий диэлектрический слой, при этом одновременно измеряют изменение электрической емкости, образованной между смежными тонкими металлическими пленками, планарно свободными относительно друг друга и разделенными диэлектрическими слоями. Технический результат - повышение точности и чувствительности преобразования напряженно-деформируемых состояний тензочувствительной консоли. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Заявленное изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензометрическим средствам измерений и датчикам давления контактного типа, для анализа стационарных и динамических напряженно-деформированных состояний тензочувствительной консоли вследствие воздействия на нее физических величин (линейных перемещений, изгибных и крутящих моментов, механических колебаний, скоростного напора газовых или жидкостных потоков и др.), преобразуемых в электрический сигнал.

Может быть применено в робототехнике при анатомической параметризации дистальной части конечностей антропоморфных робототехнических систем в качестве сенсорных средств тактильного и силомоментного типа, в аэро- или гидродинамике для измерений скоростных напоров воздушных или жидкостных потоков, а также в эластомерных изделиях в качестве средств диагностики состояния.

Известны электрические методы тензометрии, основанные на измерении напряженно-деформированного состояния компонента, элемента или конструкции в целом, путем измерения электрических параметров материала (сопротивления, емкости, индуктивности) или генерирующих напряжение (пьезоэлектрических) тензодатчика при его механическом нагружении [Интернет-сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/. Тензометрия.].

Наиболее широкое применение получил тензорезистивный метод, основанный на деформации (в том числе изгибной) электропроводящих материалов (металлов, тонких металлических пленок, полупроводников) и изменении их удельных электрических сопротивлений [Мехеда В.А. Тензометрический метод измерения деформаций. Учебное пособие. - Самара: Изд-во Самарского государственного аэрокосмического университета, 2011. - 56 с.]. В качестве проводящих материалов обычно используются тонкие металлические пленки, напыленные на гибкую диэлектрическую подложку. В последнее время находят применение полупроводниковые и пьезоэлектрические датчики. При этом, имея высокую чувствительность, они непригодны для измерений статических деформаций и существенно проигрывают в этом тензорезистивным датчикам, выполненным в виде металлических тонких пленок (фольги). Последние имеют широкое применение в тензометрических средствах измерений и анализа стационарных и динамических напряженно-деформированных состояний. При воздействии на них физических величин напряженно-деформируемые состояния тензочувствительного элемента преобразуются в электрические сигналы.

В качестве измерителей параметров таких элементов являются мостовые методы измерений, обладающие большой точностью, высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых значений, возможностью создания как специализированных приборов, предназначенных для измерения какой-либо одной величины, так и универсальных приборов с ручным уравновешиванием или автоматических с цифровым отсчетом [Измерения в электронике. Справочник. В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 197-200].

Уравновешивание по двум параметрам для мостов переменного тока обеспечивает достижение частотно-независимого состояния равновесия моста при сколь угодно малом пороге чувствительности нуль-индикатора. Благодаря этому расширились функциональные возможности мостов: они стали применимыми для раздельного измерения по двухэлементной схеме замещения электрических двухполюсников, а при использовании частотно-независимого состояния равновесия стали обладать наивысшими метрологическими свойствами [Панфилов В.А. Электрические измерения. - Академия, 2006; Дугушкин С.Н. Мосты переменного тока для измерения параметров трехэлементных двухполюсников. Автореферат диссертации к.т.н.: специальность 05.11.01. Ульяновск, 2005 г.].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ тензоэлектрического преобразования напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя тензочувствительного элемента [Интернет-сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/… Тензометрия], заключающийся в измерении мостовым методом электрического сопротивления тензорезистора, выполненного в виде тонкой металлической пленки, нанесенной на упругий диэлектрический слой. Регистрация и обработка сигналов, в том числе, цифровая, в реальном масштабе времени и с возможностью визуализации напряженно-деформируемых состояний на экранах мониторов или графических дисплеев, осуществляется посредством измерительного сбалансированного моста, питаемого от источника постоянного напряжения. При этом мост уравновешивается так, чтобы в отсутствие приложенной силы на тензочувствительном элементе напряжение на измерительной диагонали равнялось нулю. Следовательно, при приложении силы изменяемое сопротивление будет определяться по значению тока гальванометра. Возможны разные варианты включения тензорезисторов в четверть-, полу- или полномостовые измерительные схемы [Измерения в электронике. Справочник. В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 197-200].

Наиболее близким к устройству по технической реализации является тензорезистивный преобразователь [Спирин А.Е., Спирин Е.А., Крылов А.И. Патент RU 2586259, Тензорезистивный преобразователь. 2016 г.], содержащий тензочувствительную консоль, выполненную в виде симметричной или ассиметричной сэндвич-структуры, состоящей из двух и более планарно свободных и собранных воедино в заделке упругих диэлектрических слоев разной длины, на больший из которых (коренной слой) с одной или с двух сторон нанесены тензорезисторы, выполненные в виде тонких металлических пленок, измерительный мост, плечи которого соединены с тензорезисторами в четверть-, полу- или полномостовую схему, и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста. Такая тензочувствительная консоль с переменной площадью сечения обладает качеством тела, равного сопротивлению изгибу. Под действием силы, приложенной к незакрепленному концу тензорезистивного преобразователя, упругая подложка изгибается. Тензочувствительные слои, расположенные на одной стороне подожки, растягиваются, а на другой - сжимаются. При этом изгибная жесткость на каждом участке в сечении сэндвич-структуры тензорезистивного преобразователя различна: минимальна на свободном конце (наиболее гибкая, так как определяется жесткостью одного (коренного) упругого диэлектрического слоя) и максимальна вблизи защемления (определяется суммарной жесткостью всех упругих слоев). Такое изготовление тензочувствительной консоли существенно расширяет динамический диапазон тензорезистивного преобразователя напряженно-деформированных состояний в электрический сигнал.

Наличие одного изменяемого и измеряемого тензоэлектрического параметра - электрического сопротивления (тензорезистора) в одном или двух или четырех плечах мостовой измерительной схемы препятствует расширению функциональных возможностей мостовых методов измерения, в частности на переменном токе.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей тензоэлектрических преобразователей и при ее осуществлении может быть получен следующий технический результат - повышение точности и чувствительности преобразования мостовым методом переменного тока напряженно-деформированных состояний тензочувствительной консоли за счет одновременного двупараметрического измерения измерительным мостом переменного тока изменяемых активного и реактивного сопротивлений соответственно тензорезистора и емкости межслоевых компонентов сэндвич-структуры. При этом мерой последней может быть тангенс угла диэлектрических потерь или сдвиг фаз.

Технический результат достигается тем, что в известных способах тензоэлектрического преобразования напряженно-деформируемые состояния тензочувствительных элементов (мембранного, балочного, консольного или кантилеверного типов) преобразуются в изменение электрических параметров материалов, или сопротивление, или емкость, или индуктивность [Интернет-сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/… Тензометрия]. В частности, в тензорезисторах изменяется электрическое (удельное) сопротивление поверхностного слоя тонкой металлической пленки, нанесенной на упругий диэлектрический слой; в емкостных тензометрах изменяется электрическая емкость конденсатора, образуемого между его пластинами-обкладками от величины зазора (толщины d, межэлектродного расстояния).

Технический результат в известном устройстве достигается тем, что устройство содержит [Спирин А.Е., Спирин Е.А., Крылов А.И. Патент RU 2586259, Тензорезистивный преобразователь. 2016 г.]: тензочувствительную консоль, выполненную в виде симметричной или ассиметричной сэндвич-структуры, состоящей из двух и более планарно свободных и собранных воедино в заделке упругих диэлектрических слоев одинаковой или разной длины, на больший из которых с одной или с двух сторон нанесены тензорезисторы в виде тонких металлических пленок, измерительный мост, плечи которого соединены с тензорезисторами в четверть-, полу- или полномостовую схему, и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста.

Признаком, отличающим изобретение от прототипа по способу, является то, что одновременно с измерением изменения электрического сопротивления тензорезистора измеряют электрическую емкость, образованную между смежными тонкими металлическими пленками - электродами, разделенными диэлектрическими слоями, планарно свободными относительно друг друга, но собранными воедино в заделке. При этом изменение емкости при напряженно-деформированном состоянии осуществляется за счет изменения перекрытия площади электродов. А при больших деформациях на изгиб и при выполнении тензочувствительной консоли в виде ассиметричной сэндвич-структуры изменение емкости осуществляется как за счет изменения перекрытия площади электродов, так и за счет изменения межэлектродного расстояния при отрыве смежных тонких металлических слоев - электродов друг от друга.

Признаком, отличающим изобретение от прототипа по устройству, является введение по меньшей мере одного и более электродов, выполненных в виде тонких металлических пленок, нанесенных на планарно свободные диэлектрические слои и образующих между ними электрические емкости, включенные последовательно или параллельно с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока. Кроме того, тонкие металлические пленки как электродов, так и тензорезисторов могут быть выполнены фигурными в виде меандра, гребенки или спирали. Это дополнительно увеличивает изменение электрической емкости при деформации изгиба за счет изменения - уменьшения или увеличения площади перекрытия электродов при планарном смещении всех слоевых компонентов сэндвич-структуры.

Известно техническое решение для получения переменной емкости конденсаторов путем изменения площади перекрытия вращающихся друг относительно друга пластинчатых электродов. На этом принципе в системе роторных и статорных пластин построена работа воздушных конденсаторов переменной емкости [Справочник по электрическим конденсаторам. М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др.; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1983].

Признаком, характеризующим данное изобретение, наряду с одновременным измерением мостовым методом двух изменяемых параметров активного и реактивного сопротивлений при деформации тензочувствительной консоли на изгиб, является изменение электрических емкостей за счет уменьшения или увеличения площади перекрытия тонких металлических пленок электродов и/или тензорезисторов при планарном смещении относительно друг друга всех слоевых компонентов сэндвич-структуры. Эффект достигается за счет того, что один конец тензочувствительной консоли находится в защемлении (в заделке), а другой свободный.

Полученный при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение точности и чувствительности преобразования напряженно-деформируемых состояний тензочувствительной консоли, достигается за счет одновременного измерения мостом переменного тока изменения электрического сопротивления тонкой металлической пленки и электрической емкости (тангенса угла диэлектрических потерь или сдвига фаз) межслоевых компонентов сэндвич-структуры. За счет введения, по меньшей мере, одного и более электродов, выполненных в виде тонких металлических пленок, нанесенных на планарно свободные диэлектрические слои, между ними образуются тензоконденсаторы с изменяемыми электрическими емкостями, которые включены последовательно или параллельно с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока. При этом изменение электрической емкости тензоконденсатора достигается изменением площади перекрытия тонких металлических пленок электродов и/или тензорезисторов, разделенных диэлектрическими слоями, при работе тензочувствительной консоли на изгиб.

Сущность способа и устройства тензоэлектрического преобразования поясняется принципом действия тензочувствительной консоли, показанной на фигурах 1-5. На фиг. 1 и 2 изображено устройство тензочувствительной консоли в продольном сечении и вид сверху при отсутствии изгиба. На фиг. 3 и 4 показано продольное сечение фрагмента тензочувствительной консоли при ее изгибе и ее планарная развертка соответственно. На фиг. 5 дополнительно показано продольное сечение фрагмента тензочувствительной консоли при противоположных f и F изгибных воздействиях и выполнении смежных электродов со смещением в планарной плоскости.

Тензочувствительная консоль содержит: 1 - заделку - основание с жестким защемлением; 2 - планарно свободные упругие диэлектрические слои, выполненные из тонкопленочного полимера, имеющие одинаковую ширину, одинаковые или разные длины, на больший из которых с одной или с двух сторон нанесены один, два или четыре тензорезистора 3 в виде тонких металлических пленок; 4 - электроды, выполненные из тонких металлических пленок планарно сплошных или фигурных в виде спирали, меандра или гребенки (как показано на фигурах), состоящей из i=1, 2 … n гребней - компонентов, с постоянной или переменной скважностью; 5 - электрические емкости C_i (тензоконденсаторы), образованные между соответствующими компонентами смежных тонких металлических пленок, разделенных диэлектрическими слоями, планарно свободными относительно друг друга, но собранными воедино в заделке 1.

Принцип действия четырехплечего моста переменного тока и схемы включения активных и реактивных сопротивлений в его плечи описаны в методике поверки [ГОСТ 8.686-2009. Мосты переменного тока уравновешенные. Методика поверки. - М.: Стандартинформ, 2011]. Поскольку схемы мостов переменного тока отличаются большим разнообразием, то путем последовательных эквивалентных преобразований все они могут быть приведены к простой четырехплечей схеме. В качестве индикаторов в измерительной диагонали измерительного моста переменного тока могут быть использованы двухпараметрические осциллографические индикаторы, вибрационные гальванометры и тому подобное, позволяющие определить два параметра в одной мостовой схеме.

Устройство работает следующим образом. В отсутствии напряженно-деформированного состояния тензочувствительной консоли электрические сопротивления тонких металлических пленок 3 тензорезисторов и электрические C_i емкости 5, образованные между смежными электродами 4 из тонких металлических пленок, планарно свободных относительно друг друга и разделенных диэлектрическими 2 слоями, не изменяются (фиг. 1 и 2). Суммарная емкость конденсатора, образованного двумя смежными электродами 4, выполненными в виде гребенки, состоящей из i=1, 2 … n компонентов (на фиг. 1 и 2 показаны штриховыми линиями), составляет ΣC_i=C₁+C₂+…+C_n. Поскольку планарные размеры a×b всех i компонентов равны между собой и планарно совмещены в продольном и поперечном сечениях, как показано на фиг. 1 и 2, то их емкости также равны между собой C₁=С₂=…=C_i=(εε₀ab)/d, где d - расстояние между электродами (толщина диэлектрических слоев). При этом площадь перекрытия электродов всех i=1, 2 … n компонентов максимальна и равна ΣΔS_i=ΔS₁+ΔS₂+…+ΔS_n. Суммарная емкость конденсатора также максимальна.

При последовательном или параллельном включении такого конденсатора с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока мост уравновешивается так, что при отсутствии приложенной силы F=0 на тензочувствительной консоли напряжение в измерительной диагонали измерительного моста равно нулю. При этом уравновешивание осуществляется по двум параметрам: при равенстве произведений модулей комплексных сопротивлений противолежащих плеч и равенстве сумм их фазовых сдвигов. То есть для обеспечения равновесия моста необходимо, что бы в двух смежных плечах были включены активные сопротивления (например, тензорезисторы), а в двух других смежных плечах - реактивные емкостные сопротивления [Измерения в электронике. Справочник. В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 197-200].

Для тензочувствительной консоли, выполненной в виде многослойной сэндвич-структуры, как показано на фиг. 1, любая ее деформация на изгиб будет уменьшать суммарную площадь перекрытия всех электродов. Соответственно будет уменьшаться суммарная емкость таких тензоконденсаторов. При этом углы δ_i смещения для каждого i компонента различны: минимальны вблизи защемления и увеличиваются к краю тензочувствительной консоли (фиг. 3).

Варьируя скважностью, количеством и продольными a_i размерами i компонентов гребенки, можно задавать зависимость изменения суммарной емкости тензоконденсатора от изгиба тензочувствительной консоли.

Выполнение смежных электродов с изначальным продольным смещением пленочных компонентов друг относительно друга в планарной плоскости в отсутствие изгибных деформаций (f=0 и F=0) позволяет регистрировать направление изгибной деформации при силовых воздействиях f вверх или F вниз, как показано стрелками на фиг. 5. При изгибе вниз (F ≠ 0) суммарная площадь ΣΔS_i (F) перекрытия электродов возрастает, при изгибе вверх (f ≠ 0) ΣΔS_i (f) уменьшается. Соответственно, в первом случае емкость тензоконденсатора ΣC_i (F) увеличивается относительно начального состояния, во втором случае ΣC_i (f) уменьшается.

Таким образом, повышение точности и чувствительности преобразования напряженно-деформируемых состояний тензочувствительной консоли достигается за счет одновременного измерения мостом переменного тока изменения электрического сопротивления одного или более тензорезисторов и электрической емкости одного или более тензоконденсаторов, образованных межслоевыми электродами, выполненными из тонких металлических пленок в виде спирали, меандра или гребенки. Более того, поскольку фольговые тензорезисторы выполнены также в виде тонких металлических пленок, то их конфигурация, планарно согласованная с конфигурацией (спираль, меандр, гребенка) тонкопленочных металлических электродов, также дополнительно может образовывать межслоевую емкость тензочувствительной консоли сэндвич-типа.

1. Способ тензоэлектрического преобразования напряженно-деформированного состояния тензочувствительной консоли, заключающийся в измерении мостовым методом изменения электрического сопротивления тонкой металлической пленки, нанесенной на упругий диэлектрический слой, отличающийся тем, что одновременно измеряют изменение электрической емкости, образованной между смежными тонкими металлическими пленками, планарно свободными относительно друг друга и разделенными диэлектрическими слоями.

2. Устройство тензоэлектрического преобразования, содержащее: тензочувствительную консоль, выполненную в виде симметричной или ассиметричной сэндвич-структуры, состоящей из двух и более планарно свободных и собранных воедино в заделке упругих диэлектрических слоев одинаковой или разной длины, на больший из которых с одной или с двух сторон нанесены тензорезисторы в виде тонких металлических пленок; измерительный мост, плечи которого соединены с тензорезисторами в четверть-, полу- или полномостовую схему, и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста, отличающееся тем, что введены по меньшей мере один и более электроды, выполненные в виде тонких металлических пленок, нанесенных на планарно свободные диэлектрические слои и образующие между ними электрические емкости, включенные последовательно или параллельно с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что тонкие металлические пленки выполнены фигурными в виде меандра, гребенки или спирали.