Тензометрический датчик измерения силы со свойством живучести и низким уровнем шумов при действии ударной нагрузки

Тензометрический датчик измерения силы со свойством живучести и низким уровнем шумов может найти применение при ударных испытаниях, например при испытаниях железобетонных балок. Датчик содержит силоизмерительный мост и инструментальный усилитель. Силоизмерительный мост выполнен по схеме Уитстона. В электрическую цепь моста по мостовой, или по полумостовой, или по четвертьмостовой схеме включены тензорезисторы. К диагонали силоизмерительного моста в непосредственной близости от него посредством проводников без изоляции подключен инструментальный усилитель. Проводники выполнены из посеребренной меди. Выход усилителя соединен с компьютерной измерительной системой. Тензометрический датчик имеет максимальные значения показаний измеряемой силы, превышающие значения силы, используемой при ударе, не менее чем в десять раз. Датчик имеет низкий уровень шумов и длительный ресурс работы при проведении многократных ударных испытаний. 1 н.з. и 6 з. пп. ф-лы, 1 илл.

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.

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.

Он обеспечивает измерение силы при проведении динамических испытаний, но не обеспечивает стабильность характеристик выходного сигнала во времени при действии ударной нагрузки.

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.

Он обеспечивает измерение силы при статических и низкочастотных динамических испытаниях, но не обеспечивает стабильность характеристик выходного сигнала во времени при действии ударной нагрузки.

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].

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:

- пластические деформации конструкции силоизмерительного датчика определяются усталостью металла;

- присутствует высокий уровень трибоэлектрических шумов, так как при проведении ударных испытаний практически невозможно обеспечить неподвижность изолированных проводников кабеля подключения силоизмерительного датчика к измерительной системе;

- 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.

Задача полезной модели - обеспечить живучесть датчика силы и неизменность его характеристик с пониженным уровнем шумов в процессе проведения многократных ударных испытаний.

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.

Задача решена следующим образом.

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.

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.

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.

Полезная модель пояснена чертежом. На чертеже приведена функциональная схема предложенного технического решения.

Датчик содержит измерительный мост из резисторов R1-R4, усилитель 5, соединенный с компьютерной измерительной системой 6 (КИС).

- при подключении по четвертьмостовой схеме:

R1 - тензорезистор, подверженный деформациям сжатия-растяжения;

R2, R3, R4 - резисторы в составе схемы Уитстона.

- при подключении по полумостовой схеме:

R1 - тензорезистор, подверженный деформациям сжатия (растяжения);

R2 - тензорезистор, подверженный деформациям растяжения (сжатия);

R3, R4 - резисторы в составе схемы Уитстона.

- при подключении по мостовой схеме:

R1, R4 - тензорезисторы, подверженные деформациям сжатия (растяжения);

R2, R3 - тензорезисторы, подверженные деформациям растяжения (сжатия);

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.

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.