EA039446B1 - Device for electricallly measuring a force (f) acting on it - Google Patents

Device for electricallly measuring a force (f) acting on it Download PDF

Info

Publication number
EA039446B1
EA039446B1 EA201890310A EA201890310A EA039446B1 EA 039446 B1 EA039446 B1 EA 039446B1 EA 201890310 A EA201890310 A EA 201890310A EA 201890310 A EA201890310 A EA 201890310A EA 039446 B1 EA039446 B1 EA 039446B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
force
metal electrode
measuring
thin layer
metal
Prior art date
Application number
EA201890310A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201890310A1 (en
Inventor
Йан Клемм
Original Assignee
Йан Клемм
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102015111425.9A external-priority patent/DE102015111425B4/en
Application filed by Йан Клемм filed Critical Йан Клемм
Publication of EA201890310A1 publication Critical patent/EA201890310A1/en
Publication of EA039446B1 publication Critical patent/EA039446B1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/225—Measuring circuits therefor
    • G01L1/2262—Measuring circuits therefor involving simple electrical bridges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects
    • G01L1/2281—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for temperature variations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/26—Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measurement Of Force In General (AREA)

Abstract

A device for electrically measuring a force (F) acting at least between two pressed-together metal electrodes (1) and a metal electrode (3), characterised in that the metal electrodes, made of hard metal, steel or low-resistance metal layers on ceramic, glass or plastic bodies with an electrical resistance in the region of a few milliohms to not more than 10 Ohm, and an average roughness depth Ra not more than 400 nm, have a force-independent conductivity at the contact surfaces, and which applies force directly to an insulating thin layer (2) or a multi-layer insulating thin layer (2), interlockingly arranged between the metal electrode (1) and the metal electrode (3), which is formed of zinc oxide or stochastically reduced aluminium oxide Al2Ox, wherein x=2.4 to x=2.8 or silicon carbide or DLC layer (diamond-like carbon), at a lowest relative deformation in the region not more than 0.1 permille of the metal electrode (1) and the metal electrode (3); and in that a reference metal electrode (4), which is arranged independently of the force flux to be measured and is secured under constant retaining force of a securing element (5), acts electrically on the metal electrode (3) via the structurally identical insulating thin layer (2) or the multi-layer insulating thin layer (2) with exactly the same physical behaviour, such that this reference resistance of the insulating thin layer between metal electrode (3) and metal electrode (4) is used as a half-bridge or full-bridge under constant pressing force for the complete temperature compensation of the measuring assembly, wherein, in the current path in a series circuit, a defined current of a highly precise current source (6) flows via metal electrode (1), via the insulating thin layer (2) to metal electrode (3) and via the insulating thin layer (2) to metal electrode (4), such that, via the insulating thin layer, a force-dependent voltage (8) decreases between the metal electrode (1) and the metal electrode (3), and a reference voltage (9) decreases between the metal electrode (3) and metal electrode (4) of a referencing insulating thin layer (2), the voltage ratio of which is not temperature dependent, wherein the resulting bridge voltage of the measuring bridge or the directly measured voltage ratio defines a constant, high-resolution and exactly describable and repeatable function for the acting force, independent of the operating temperature of the device, for the electrical measuring of a force.

Description

Изобретение касается устройства для электрического измерения силы, возникающей между минимум двумя металлическими электродами, при котором в качестве сенсорного элемента используется минимум один тонкий слой изоляции, электропроводность которого связана с воздействующей силой однозначной, точно выводимой функцией.The invention relates to a device for the electrical measurement of the force occurring between at least two metal electrodes, in which at least one thin layer of insulation is used as a sensor element, the electrical conductivity of which is related to the acting force by an unambiguous, precisely derived function.

В целом изобретение относится к области техники для измерения силы, причем новые возможности применения изобретения, отличающих его от известного уровня техники, достигаются с помощью упрощения конструкции датчиков силы без деформации корпуса. При этом отличительной особенностью конструкции является использование одного или нескольких однородных слоев изоляции, наносимых на плоские или однородные поверхности механических элементов передачи силы таким образом, что между электрически изолированными элементами передачи силы и металлическими электродами возможна установка датчика, который напрямую и без существенной деформации этих элементов будет генерировать сигнал в форме зависящего от силы изменения напряжения при заданном токе, представляющего собой обладающее высоким уровнем разрешения однозначное непрерывное отражение силы, оказывающей воздействие на прямом механическом и электрическом пути.In general, the invention relates to the field of technology for force measurement, and new possibilities of application of the invention, which distinguish it from the prior art, are achieved by simplifying the design of force sensors without deforming the housing. At the same time, a distinctive feature of the design is the use of one or more homogeneous layers of insulation applied to flat or homogeneous surfaces of mechanical elements of force transmission in such a way that it is possible to install a sensor between electrically isolated elements of force transmission and metal electrodes, which will directly and without significant deformation of these elements generate a signal in the form of a force-dependent voltage change at a given current, which is a high-resolution unambiguous continuous reflection of the force exerted on a direct mechanical and electrical path.

Данная технология позволит создавать датчики с высоким уровнем термостойкости, зависящим от выбранного тонкого слоя изоляции как в миниатюрном исполнении, а именно для монтажного пространства менее одного кубического миллиметра и измерения силы в миллиньютоновом диапазоне, так и в любом размере в макроисполнении, для измерения силы в диапазоне от нескольких ньютонов до нескольких миллионов ньютонов, причем в зависимости от задачи на измерение возможно получить любую геометрическую форму передающих силу механических элементов с размещенными на них тонкими слоями изоляции, любое монтажное пространство, направление воздействия силы и коэффициенты механической передачи.This technology will make it possible to create sensors with a high level of thermal resistance, depending on the chosen thin insulation layer, both in a miniature version, namely for an installation space of less than one cubic millimeter and measuring force in the milliNewton range, and in any size in a macro version, for measuring force in the range from a few Newtons to several million Newtons, and depending on the measurement task, it is possible to obtain any geometric shape of the force-transmitting mechanical elements with thin layers of insulation placed on them, any installation space, the direction of the force and the mechanical transmission coefficients.

Например, произвольный выбор угла внутреннего и внешнего усеченного конуса, на наружную поверхность которого наносится тонкий слой изоляции, позволяет получить конструктивно необходимую чувствительность измерения и в зависимости от геометрического исполнения датчик тяги либо датчик давления. Дополнительную степень свободы при разработке механического и электрического исполнения датчиков силы обеспечивает возможность выбора материала, конструкции и химического состава тонкого слоя изоляции (или системы слоев), который наносится на передающие силу элементы, причем в зависимости от задач измерения за счет этого слоя можно обеспечить любые характеристики термостойкости и чувствительности измерения. Возможна также реализация как миниатюрных, так и крупных сочетаний из нескольких датчиков силы с тонким слоем изоляции в конструкции комбинированного сенсорного блока, чтобы, например, определять величину и направление действующей в пространстве силы по трем направлениям: ширине (составляющая x), длине (составляющая y), глубине (составляющая z).For example, an arbitrary choice of the angle of the inner and outer truncated cones, on the outer surface of which a thin layer of insulation is applied, makes it possible to obtain the required measurement sensitivity and, depending on the geometric design, a thrust sensor or a pressure sensor. An additional degree of freedom in the development of the mechanical and electrical design of force sensors is provided by the possibility of choosing the material, design and chemical composition of a thin layer of insulation (or a system of layers) that is applied to the force-transmitting elements, and, depending on the tasks of measurement, any characteristics can be provided due to this layer. temperature resistance and measurement sensitivity. It is also possible to implement both miniature and large combinations of several force sensors with a thin layer of insulation in the design of a combined sensor unit in order, for example, to determine the magnitude and direction of the force acting in space in three directions: width (x component), length (y component ), depth (z component).

В целом тензорезистивный эффект достаточно хорошо известен из предыдущего уровня техники, а первые публикации о нем появились примерно в 1920 г. Тензорезистивный эффект описывает изменение электрического сопротивления материала под действием значительной внешней силы или давления. Этот эффект наблюдается у всех материалов, обладающих электропроводностью от умеренной до высокой, но у полупроводников чувствительность к давлению во много раз выше, чем у металлов. Принципиально необходимо установить, что такое изменение сопротивления под воздействием внешней силы в результате чувствительности к давлению можно увеличить, если целенаправленно подобрать у полупроводников ориентацию одиночного кристалла в направлении протекания электрического тока и легирование примесными атомами материала носителя.In general, the strain-resistive effect is quite well known from the prior art, and the first publications about it appeared around 1920. The strain-resistive effect describes the change in the electrical resistance of a material under the influence of a significant external force or pressure. This effect is observed in all materials with moderate to high electrical conductivity, but semiconductors are many times more sensitive to pressure than metals. It is fundamentally necessary to establish that such a change in resistance under the influence of an external force as a result of pressure sensitivity can be increased if the orientation of a single crystal in semiconductors in the direction of electric current flow and doping with impurity atoms of the carrier material are purposefully selected.

Тензорезистивный эффект можно наблюдать также на примере слоев аморфного углерода с алмазоподобной структурой кристаллической решетки, как описано в патенте DE 19954164 В4, причем необходимо установить, что влиять на выраженность тензорезистивного эффекта при помощи целенаправленного подбора химического состава и вида структуры кристаллической решетки можно не только в случае использования слоев аморфного углерода, но и в случае использования других тонких слоев и многослойных систем, так называемых многоуровневых слоев, таких как, например, нитрид алюминиятитана, нитрид алюминия-хрома, оксинитрид циркония или оксинитрид алюминия-хрома и многие другие, причем включение примесных атомов или молекулярных структур в качестве зерен в слой-носитель нанокомпозитного материала позволяет значительно усилить тензорезистивный эффект. То есть чувствительность, выражающаяся в изменении электрического сопротивления согласно уровню действующей механической силы или давления, значительно повышается, так как в зависимости от сочетания материалов и имеющихся дефектов решетки в полупроводниках высвобождаются дополнительные носители заряда, зависящие от давления, в форме ионов и(или) электронов. Этот эффект известен еще с 1920 г.; однако благодаря техническому прогрессу и развитию способов изготовления и применения систем слоев появляются новые комбинации материалов и системы слоев, которые, с одной стороны, могут наноситься на самые разные материалы, например на поверхности из металла, керамики, стекла или пластмассы, а с другой стороны - имеют состав, по электрическим свойствам очень близкий к полупроводникам.The tensoresistive effect can also be observed on the example of amorphous carbon layers with a diamond-like crystal lattice structure, as described in the patent DE 19954164 B4, and it must be established that it is possible to influence the severity of the tensoresistive effect by targeted selection of the chemical composition and the type of crystal lattice structure not only in the case using layers of amorphous carbon, but also in the case of using other thin layers and multilayer systems, the so-called multilevel layers, such as, for example, aluminum-titanium nitride, aluminum-chromium nitride, zirconium oxynitride or aluminum-chromium oxynitride and many others, and the inclusion of impurity atoms or molecular structures as grains in the carrier layer of the nanocomposite material can significantly enhance the tensoresistive effect. That is, the sensitivity, expressed as a change in electrical resistance according to the level of the acting mechanical force or pressure, is significantly increased, since, depending on the combination of materials and the existing lattice defects in semiconductors, additional charge carriers are released, depending on pressure, in the form of ions and (or) electrons . This effect has been known since 1920; however, thanks to technological progress and the development of methods for the manufacture and use of layer systems, new combinations of materials and layer systems are emerging, which, on the one hand, can be applied to a wide variety of materials, for example, surfaces made of metal, ceramics, glass or plastic, and on the other hand - have a composition that is very similar in electrical properties to semiconductors.

Однако такие тензорезистивные слои демонстрируют очень сильный дрейф сопротивления в зависимости от температуры: относительное температурозависимое изменение сопротивления составляет отHowever, such piezoresistive layers show a very strong drift of resistance depending on temperature: the relative temperature-dependent change in resistance is from

- 1 039446- 1 039446

-0,4 до приблизительно -1,2% на 1 кельвин повышения температуры - это также известный технический факт. Такие слои и структуры позволяют создавать дискретные электронные компоненты и схемы на планарных материала-носителях, например на стекле, как при производстве современных плоских экранов. Также такие поверхности с покрытием отличаются чрезвычайной механической прочностью, превосходящей твердые сплавы по прочности на сжатие более чем на 2 ГПа, и устойчивы к температурам в диапазоне от -100 до 1200°С, что зависит от выбранного материала носителя и используемой системы слоев.-0.4 to approximately -1.2% per 1 Kelvin temperature rise is also a known technical fact. Such layers and structures make it possible to create discrete electronic components and circuits on planar carrier materials, such as glass, as in the production of modern flat screens. Also, such coated surfaces are characterized by extreme mechanical strength, surpassing hard alloys in compressive strength by more than 2 GPa, and are resistant to temperatures in the range from -100 to 1200 ° C, depending on the selected support material and the layer system used.

Патент DE 102010024808 A1 описывает конструкцию датчика с тензорезистивным тонким слоем структурированного углерода и электронным измерительным устройством. Используются только слои углерода (DLC, алмазоподобное углеродное покрытие). Такие слои имеют очень низкое электрическое сопротивление. Использование структурированного тензорезистивного функционального слоя ведет к высокой стоимости изготовления поверхностей, на которые воздействует сила. Кроме того, функциональный слой из DLC имеет покрытие для защиты от износа, что может приводить к электрическим помехам в работе измерительного устройства.Patent DE 102010024808 A1 describes the construction of a sensor with a tensoresistive thin layer of structured carbon and an electronic measuring device. Only layers of carbon are used (DLC, diamond-like carbon coating). Such layers have very low electrical resistance. The use of a structured piezoresistive functional layer leads to high manufacturing costs for the surfaces subjected to the force. In addition, the DLC functional layer is coated to protect against wear, which can lead to electrical interference in the operation of the measuring device.

Патент US 2003/0164047 A1 описывает датчик силы с элементом регистрации силы и элементом для температурной компенсации, причем оба элемента изготавливаются из одного материала и имеют одинаковые размеры.US 2003/0164047 A1 describes a force sensor with a force detection element and a temperature compensation element, both of which are made of the same material and have the same dimensions.

Патент DE 10253178 A1 описывает применение слоя из алмазоподобного углерода в качестве температурного датчика, преимущественно для использования в участках механизмов, подвергающихся трибологическим нагрузкам. Дополнительно включена возможность одновременного измерения давления и температуры с использованием разных участков слоя.Patent DE 10253178 A1 describes the use of a layer of diamond-like carbon as a temperature sensor, mainly for use in areas of mechanisms subjected to tribological loads. Additionally, the possibility of simultaneous measurement of pressure and temperature using different parts of the layer is included.

Перечень фигурList of figures

Фиг. 1 - вид в разрезе ячейки для измерения силы с тонким слоем изоляции в разрезе - эталонный тонкий слой изоляции для температурной компенсации используется в качестве электрического измерительного полумоста.Fig. 1 is a sectional view of a force measuring cell with a thin layer of insulation in section - a reference thin layer of insulation for temperature compensation is used as an electrical measuring half-bridge.

Фиг. 2 - вид в разрезе ячейки для измерения силы с тонким слоем изоляции в разрезе - эталонный тонкий слой изоляции для температурной компенсации используется в качестве устройства для измерения сопротивлений.Fig. 2 is a sectional view of a force measuring cell with a thin layer of insulation in section - a reference thin layer of insulation for temperature compensation is used as a device for measuring resistances.

Фиг. 3 - вид в разрезе ячейки для измерения силы с тонким слоем изоляции в разрезе - эталонный тонкий слой изоляции для температурной компенсации в сдвоенном исполнении используется в качестве высокочувствительного моста.Fig. 3 is a sectional view of a force measuring cell with a thin layer of insulation in section - a reference thin layer of insulation for temperature compensation in a dual version is used as a high-sensitivity bridge.

Фиг. 4 - вид в разрезе ячейки для измерения силы с тонким слоем изоляции для одновременной регистрации сил, действующих в двух направлениях - F_x и F_y - эталонный тонкий слой изоляции для температурной компенсации, используемый в качестве электрического устройства для многоканального измерения сопротивлений.Fig. 4 is a sectional view of a force measuring cell with a thin layer of insulation for simultaneous recording of forces acting in two directions - F_x and F_y - a reference thin layer of insulation for temperature compensation, used as an electrical device for multi-channel resistance measurement.

Фиг. 5 - конструкция и схема измерения n-мерного датчика силы с тонким слоем изоляции - nмерная схема измерения с многоканальным эталонным тонким слоем изоляции, используемым для температурной компенсации; вверху: сегмент двумерного датчика с тонким слоем изоляции, вид в разрезе;Fig. 5 - design and measurement circuit of an n-dimensional force sensor with a thin layer of insulation - n-dimensional measurement circuit with a multi-channel reference thin layer of insulation used for temperature compensation; top: 2D sensor segment with a thin layer of insulation, sectional view;

внизу: пример варианта осуществления изобретения с поворотным расположением сегментов из n=4 двумерных блоков датчиков с 4x2=8 измерительными каналами для определения направления силы и измерения ее составляющей. Обозначения:bottom: an example of an embodiment of the invention with a rotary arrangement of segments of n=4 two-dimensional sensor blocks with 4x2=8 measuring channels for determining the direction of the force and measuring its component. Designations:

Е1-1 и Е1-2 - пара электродов Fy+Fx, угол поворота 0°;E1-1 and E1-2 - pair of electrodes Fy+Fx, rotation angle 0°;

Е2-1 и Е2-2 - пара электродов Fy+Fx, угол поворота 45°;E2-1 and E2-2 - pair of electrodes Fy+Fx, rotation angle 45°;

Е3-1 и Е3-2 - пара электродов Fy+Fx, угол поворота 90°;E3-1 and E3-2 - pair of electrodes Fy+Fx, angle of rotation 90°;

Е4-1 и Е4-2 - пара электродов Fy+Fx, угол поворота 135°.E4-1 and E4-2 - pair of electrodes Fy+Fx, angle of rotation 135°.

Фиг. 6 - кривая зависимости сопротивления от силы для измерительной ячейки с тонким слоем изоляции - ячейка состоит из твердосплавного электрода без покрытия и твердосплавного электрода с покрытием типа 02.Fig. 6 resistance versus force curve for a measuring cell with a thin layer of insulation - the cell consists of an uncoated carbide electrode and a type 02 coated carbide electrode.

Фиг. 7 - кривая зависимости сопротивления от силы для измерительной ячейки с тонким слоем изоляции - ячейка состоит из твердосплавного электрода без покрытия и твердосплавного электрода с покрытием типа 03.Fig. 7 - curve of resistance versus force for a measuring cell with a thin layer of insulation - the cell consists of an uncoated carbide electrode and a type 03 coated carbide electrode.

Фиг. 8 - кривая зависимости сопротивления от силы для измерительной ячейки с тонким слоем изоляции - ячейка состоит из твердосплавного электрода без покрытия и твердосплавного электрода с покрытием типа 01.Fig. 8 resistance versus force curve for a measuring cell with a thin layer of insulation - the cell consists of an uncoated carbide electrode and a type 01 coated carbide electrode.

Фиг. 9 - кривая зависимости сопротивления от силы для измерительной ячейки с тонким слоем изоляции - ячейка состоит из двух твердосплавных электродов без покрытия; сопротивление между контактными поверхностями составляет несколько миллиом и колеблется в пределах ±1 мОм.Fig. 9 - curve of resistance versus force for a measuring cell with a thin layer of insulation - the cell consists of two uncoated carbide electrodes; the resistance between the contact surfaces is several milliohms and varies within ±1 mΩ.

Фиг. 10 - кривая зависимости сопротивления от силы для измерительной ячейки с тонким слоем изоляции - ячейка состоит из двух твердосплавных электродов без покрытия; сопротивление между контактными поверхностями составляет несколько миллиом и колеблется в пределах ±1 мОм.Fig. 10 - curve of resistance versus force for a measuring cell with a thin layer of insulation - the cell consists of two uncoated carbide electrodes; the resistance between the contact surfaces is several milliohms and varies within ±1 mΩ.

Фиг. 11 - кривая зависимости сопротивления от силы для измерительной ячейки с тонким слоемFig. 11 - curve of resistance versus force for a measuring cell with a thin layer

- 2 039446 изоляции - ячейка состоит из двух твердосплавных электродов без покрытия с разным уровнем шероховатости (полированное покрытие SiC_05 и неполированное покрытие SiC_02).- 2 039446 insulation - the cell consists of two uncoated carbide electrodes with different levels of roughness (polished SiC_05 coating and unpolished SiC_02 coating).

Фиг. 12 - кривая зависимости сопротивления от силы для измерительной ячейки с тонким слоем изоляции - ячейка состоит из двух твердосплавных электродов без покрытия с разным уровнем шероховатости (полированное покрытие SiC_05 и неполированное покрытие SiC_03).Fig. 12 - curve of resistance versus force for a measuring cell with a thin layer of insulation - the cell consists of two uncoated carbide electrodes with different levels of roughness (polished SiC_05 coating and unpolished SiC_03 coating).

В общем случае изобретение представляет собой устройство для электрического измерения действующей на него силы (F), которая действует между как минимум двумя прижатыми друг к другу металлическими электродами (1) и металлическим электродом (3). Металлические электроды выполнены из твердого сплава, стали или низкоомных слоев металла на керамике, стекле или пластмассе с электрическим сопротивлением в диапазоне от нескольких миллиом до не более чем 10 Ом и средней шероховатостью Ra не более 400 нм и обладают не зависящей от силы проводимостью на контактных поверхностях. Сила непосредственно действует на тонкий слой изоляции (2) или тонкий слой многослойной изоляции (2), расположенный между металлическим электродом (1) и металлическим электродом (3) с геометрическим замыканием и состоящий из оксида цинка или восстановленного случайным образом оксида алюминия Al2Ox при значениях от x=2,4 до x=2,8, карбида кремния или слоя DLC (алмазоподобного углеродного покрытия), при минимальной относительной деформации металлического электрода (1) и металлического электрода (3) в пределах не более 0,1 промилле. Эталонный металлический электрод (4), расположенный так, что он не зависит от измеряемого силового потока и зафиксирован крепежным элементом (5) с постоянной удерживающей силой и который электрически воздействует на металлический электрод (3) через конструктивно идентичный тонкий слой изоляции (2) или тонкий слой многослойной изоляции (2) с точно таким же физическим поведением таким образом, что такое эталонное сопротивление тонкого слоя изоляции между металлическим электродом (3) и металлическим электродом (4) испытывает постоянную силу прижима для полной температурной компенсации измерительного устройства и служит полумостом или мостом, причем по контуру в последовательном соединении от металлического электрода (1) через тонкий слой изоляции (2) к металлическому электроду (3) и через тонкий слой изоляции (2) к металлическому электроду (4) протекает ток от высокоточного источника тока (6) таким образом, что при прохождении через тонкий слой изоляции между металлическим электродом (1) и металлическим электродом (3) имеет место зависящее от силы падение напряжения (8), а между металлическим электродом (3) и металлическим электродом (4) - эталонное падение напряжения (9), соответствующее эталонному тонкому слою изоляции (2), при этом коэффициент трансформации по таким напряжениям зависит от температуры, причем результирующее напряжение измерительного моста или коэффициент трансформации по напряжениям, измеренным напрямую, представляет собой поддающуюся точному описанию непрерывную воспроизводимую функцию с высоким разрешением, которая определяет воздействующую силу независимо от рабочей температуры установки для электрического измерения силы, и причем коэффициент трансформации по напряжению с компенсацией температуры или измеренное напряжение моста можно напрямую использовать на блоке подготовки и обработки сигналов при помощи электрического соединения, получив таким образом гальванически развязанную, механически прочную конструкцию предлагаемого устройства для измерения силы. Геометрическая форма металлических электродов (1, 2, 3) может быть произвольной: как плоской, так и фасонной.In general, the invention is a device for electrically measuring the force acting on it (F), which acts between at least two metal electrodes (1) pressed against each other and a metal electrode (3). Metal electrodes are made of hard alloy, steel or low-resistance metal layers on ceramics, glass or plastic with electrical resistance in the range from several milliohms to no more than 10 Ohms and an average roughness R a not more than 400 nm and have a conductivity independent of the strength of the contact surfaces. The force directly acts on a thin layer of insulation (2) or a thin layer of multi-layer insulation (2) located between the metal electrode (1) and the metal electrode (3) with positive locking and consisting of zinc oxide or randomly reduced aluminum oxide Al 2 O x at values from x=2.4 to x=2.8, silicon carbide or a layer of DLC (diamond-like carbon coating), with a minimum relative deformation of the metal electrode (1) and the metal electrode (3) within no more than 0.1 ppm. A reference metal electrode (4) located so that it is independent of the measured power flow and fixed by a fastener (5) with a constant holding force and which electrically acts on the metal electrode (3) through a structurally identical thin layer of insulation (2) or a thin a layer of multi-layer insulation (2) with exactly the same physical behavior in such a way that such a reference resistance of a thin layer of insulation between the metal electrode (3) and the metal electrode (4) experiences a constant pressing force for full temperature compensation of the measuring device and serves as a half-bridge or bridge, moreover, along the circuit in series connection from the metal electrode (1) through a thin layer of insulation (2) to the metal electrode (3) and through a thin layer of insulation (2) to the metal electrode (4) current flows from a high-precision current source (6) in this way that when passing through a thin layer of insulation between a metal electrode (1) and the metal electrode (3) there is a force-dependent voltage drop (8), and between the metal electrode (3) and the metal electrode (4) there is a reference voltage drop (9), corresponding to the reference thin insulation layer (2), while the coefficient of such voltages is temperature dependent, the resulting voltage of the measuring bridge or the transformation ratio of directly measured voltages being a describable, continuous, high-resolution, reproducible function that determines the applied force, independent of the operating temperature of the electrical force measuring apparatus, and temperature-compensated voltage transformation ratio or the measured bridge voltage can be directly used on the signal preparation and processing unit by means of an electrical connection, thus obtaining a galvanically isolated, mechanically robust design of the proposed device for measuring strength. The geometric shape of the metal electrodes (1, 2, 3) can be arbitrary: both flat and shaped.

Вариант осуществления изобретения отличается тем, что при изготовлении контактных поверхностей как минимум двух металлических электродов обеспечивается средний уровень шероховатости Ra не более 400 нм с геометрическим замыканием в диапазоне менее 4 мкм по всей площади контактной поверхности, при этом электрическое сопротивление между контактными поверхностями минимум двух или большего числа металлических электродов (1), металлических электродов (3) и металлических электродов (4) без тонкого слоя изоляции, которые могут быть выполнены, например, из твердого сплава, очень прочной стали или низкоомных слоев металла на керамике, стекле или пластмассе с электрическим сопротивлением в диапазоне от нескольких миллиом до не более чем 10 Ом, независимо от силы, с которой эти металлические элементы прижимаются друг к другу, остается постоянным в пределах допустимого диапазона ±3 мОм и в зависимости от используемого металла и площади контактных поверхностей составляет от 20 до не более чем 160 мОм, что обеспечивает необходимое для измерительной техники подтверждение того, что на тонком слое изоляции (2) имеет место зависящее от силы изменение сопротивления.An embodiment of the invention is characterized in that in the manufacture of contact surfaces of at least two metal electrodes, an average level of roughness R a of not more than 400 nm is provided with positive locking in the range of less than 4 μm over the entire area of the contact surface, while the electrical resistance between the contact surfaces is at least two or a larger number of metal electrodes (1), metal electrodes (3) and metal electrodes (4) without a thin layer of insulation, which can be made, for example, of hard alloy, very strong steel or low-resistance metal layers on ceramic, glass or plastic with electrical resistance in the range from several milliohms to no more than 10 ohms, regardless of the force with which these metal elements are pressed against each other, remains constant within the allowable range of ± 3 mOhm and, depending on the metal used and the area of contact surfaces, is from 20 to no more than 160 m Ohm, which provides the necessary confirmation for measurement technology that a force-dependent change in resistance takes place on the thin insulation layer (2).

Вариант осуществления изобретения отличается тем, что на твердосплавные или стальные электроды или электроды из керамики, стекла или пластмассы с металлическим покрытием нанесен такой тонкий слой изоляции (2), имеющий электрическое сопротивление в диапазоне от нескольких миллиом до не более чем 10 Ом, что прочность основных элементов металлических электродов (1), металлических электродов (3) и металлических электродов (4) равна прочности тонкого слоя изоляции (2) или превышает ее, что предотвращает деформацию и повреждение тонкого слоя изоляции в результате смещения или вдавливания в материал, на который он нанесен, а деформация измерительного устройства под воздействием силы отсутствует или чрезвычайно мала, т.е. относительная деформация менее 0,1 промилле, благодаря чему вся система измерения силы при работе не подвергается смещению в результате деформации металлических электродов (1), металлических электродов (3) и металлических электродов (4), и воз- 3 039446 действие силы на тонкий слой изоляции преобразуется в прямое изменение сопротивления как однозначная непрерывная функция силы с высоким разрешением.An embodiment of the invention is characterized in that hard metal or steel electrodes or electrodes made of ceramic, glass or plastic with a metal coating are coated with such a thin layer of insulation (2) having an electrical resistance in the range from a few milliohms to no more than 10 ohms that the strength of the main elements of metal electrodes (1), metal electrodes (3) and metal electrodes (4) is equal to the strength of the thin insulation layer (2) or exceeds it, which prevents deformation and damage to the thin insulation layer as a result of displacement or indentation into the material on which it is applied , and the deformation of the measuring device under the influence of force is absent or extremely small, i.e. relative deformation of less than 0.1 ppm, due to which the entire force measurement system during operation is not subject to displacement as a result of deformation of the metal electrodes (1), metal electrodes (3) and metal electrodes (4), and the effect of force on a thin layer insulation is converted to a direct change in resistance as a high-resolution unambiguous continuous function of force.

Вариант осуществления изобретения отличается тем, что механические передающие элементы в форме металлических электродов (1), металлических электродов (3) и металлических электродов (4), служащие для передачи силы от внешней точки, на которую воздействует сила, на тонкий слой изоляции (2) устройства для измерения силы и эталонный тонкий слой изоляции (2), расположенный между металлическими электродами (3) и (4), изготовлены из высокопрочных сортов стали или твердых сплавов, из металлического порошка по технологии литья под давлением, из керамики или стекла с нанесением специального высокопрочного слоя или системы слоев из карбида кремния, DLC (алмазоподобное углеродное покрытие), оксида цинка или восстановленного случайным образом оксида алюминия Al2,8Ox с относительным содержанием кислорода х от 2,4 до 2,8, что обеспечивает очень высокую механическую и химическую прочность, устойчивость формы и отсутствие износа элементов измерительного ячейки, состоящей из металлических электродов (1, 3, 4) и тонкого слоя изоляции (2) таким образом, что такая ячейка выдерживает термическую нагрузку на тонкий слой изоляции (2) и электрический контакт с электронной схемой измерения составляющих (6, 7 и далее до 17) вблизи измерительного устройства на расстоянии до 200 мм, позволяя эксплуатировать измерительное устройство в температурном диапазоне от -80 до +300°С без изменения однозначного соответствия между силой и сопротивлением тонкого слоя изоляции (2) или многослойной системы тонких слоев изоляции (2) при числе циклов срабатывания, значительно превышающем сто тысяч.An embodiment of the invention is characterized in that the mechanical transmission elements in the form of metal electrodes (1), metal electrodes (3) and metal electrodes (4), which serve to transmit force from an external point on which the force acts to a thin layer of insulation (2) force measuring devices and a reference thin layer of insulation (2) located between the metal electrodes (3) and (4) are made of high-strength steels or hard alloys, metal powder using injection molding technology, ceramic or glass coated with a special high-strength layer or system of layers of silicon carbide, DLC (Diamond Like Carbon Coating), zinc oxide or randomly reduced aluminum oxide Al 2 , 8 O x with a relative oxygen content x from 2.4 to 2.8, which provides very high mechanical and chemical strength, shape stability and lack of wear of the elements of the measuring cell, consisting of metal electrodes in (1, 3, 4) and a thin layer of insulation (2) in such a way that such a cell can withstand a thermal load on a thin layer of insulation (2) and electrical contact with the electronic circuit for measuring components (6, 7 and further up to 17) near the measuring devices at a distance of up to 200 mm, allowing the measuring device to be operated in the temperature range from -80 to +300 ° C without changing the one-to-one correspondence between the strength and resistance of a thin insulation layer (2) or a multilayer system of thin insulation layers (2) with the number of operation cycles, well over one hundred thousand.

Вариант осуществления изобретения отличается тем, что ячейка для измерения силы, состоящая из металлических электродов (1), металлических электродов (3) и металлических электродов (4) и минимум одного тонкого слоя изоляции (2), реализуется в высокотемпературном варианте для диапазона температур от -80 до +1100°С, и в одном случае до +1200°С, за счет использования термостойкого электрического соединения между тонким слоем изоляции (2) и электронным модулем обработки результатов для составляющих (6, 7 и далее до 17); причем металлический проводник и изолятор и контактные поверхности системы подключения устойчивы к температурам до 1200°С при длине проводов от 20 мм до 5 м, что обеспечивается целенаправленным подбором системы слоев изоляции (2) (SiC, Al2Ox, ZnO).An embodiment of the invention is characterized in that a cell for measuring force, consisting of metal electrodes (1), metal electrodes (3) and metal electrodes (4) and at least one thin layer of insulation (2), is implemented in a high temperature version for a temperature range from - 80 to +1100°C, and in one case up to +1200°C, through the use of a heat-resistant electrical connection between a thin layer of insulation (2) and an electronic results processing module for components (6, 7 and further up to 17); moreover, the metal conductor and insulator and the contact surfaces of the connection system are resistant to temperatures up to 1200 ° C with a wire length of 20 mm to 5 m, which is ensured by the targeted selection of the system of insulation layers (2) (SiC, Al 2 O x , ZnO).

Вариант осуществления изобретения в компактном миниатюрном исполнении для электрического измерения силы F в диапазоне от милли- до меганьютонов отличается тем, что позволяет создать очень прочную, устойчивую к динамическим нагрузкам систему измерения силы за счет механической конструкции металлических электродов (1), металлических электродов (3) и металлических электродов (4), причем средняя шероховатость Ra контактных поверхностей металлических электродов (1) и (4) в 2-30 раз больше, чем средняя шероховатость Ra металлических электродов (3), которая составляет не более 200 нм, что обеспечивает возрастание постоянной кривой зависимости сопротивления от силы для измерительной ячейки в соответствии с прикладной задачей, причем отношение шероховатостей 1:1 у электродов дает существенно меньшее возрастание кривой зависимости сопротивления от силы по сравнению с более высоким соотношением X:1 при X в диапазоне от 1,5 до 30,0, что обеспечивает существенно большее крутое возрастание кривой зависимости сопротивления от силы. Также используются контактные поверхности металлических электродов в форме фасонных элементов с планарной или произвольной поверхностью и определенной шероховатостью поверхности, которые повышают силу сцепления высокопрочных покрытий с поверхностями, через которые передается сила, в результате чего прочность тонкого слоя изоляции (2) или тонкого слоя многослойной изоляции (2) и основной части металлических электродов (1), металлических электродов (3) и металлических электродов (4) по устойчивости к давлению достигает уровня твердых сплавов (до 2 ГПа) или очень прочных сталей (до 1,2 ГПа). За счет выбора технологии изготовления тонкого слоя изоляции (2) (материал и способ его обработки) существующие методики нанесения покрытий позволяют обеспечить определенные характеристики сопротивления или рабочие диапазоны зависящего от силы поведения изоляции для измерения изменений, составляющих от нескольких мОм или Ом до нескольких сот кОм, причем исполнение для измерения сил в миллиньютоновом диапазоне требует объема несколько кубических миллиметров, размер среднего устройства для сил, измеряемых в ньютонах и килоньютонах, составит до ста кубических сантиметров, а крупное устройство, занимающее объем менее одного кубического метра, позволит измерять силы в меганьютоновом диапазоне.An embodiment of the invention in a compact miniature design for electrical measurement of force F in the range from milli- to meganewtons is characterized by the fact that it allows you to create a very durable force measurement system that is resistant to dynamic loads due to the mechanical design of the metal electrodes (1), metal electrodes (3) and metal electrodes (4), and the average roughness R a of the contact surfaces of the metal electrodes (1) and (4) is 2-30 times greater than the average roughness R a of the metal electrodes (3), which is not more than 200 nm, which ensures increase in a constant resistance versus force curve for the measuring cell according to the application, with a roughness ratio of 1:1 at the electrodes giving a significantly smaller increase in the resistance versus force curve compared to a higher X:1 ratio at X in the range of 1.5 up to 30.0, which provides a significantly greater steep increase in the curve dependence of resistance on force. Also used are the contact surfaces of metal electrodes in the form of shaped elements with a planar or arbitrary surface and a certain surface roughness, which increase the adhesion force of high-strength coatings to surfaces through which the force is transmitted, resulting in the strength of a thin layer of insulation (2) or a thin layer of multilayer insulation ( 2) and the main part of metal electrodes (1), metal electrodes (3) and metal electrodes (4) in terms of pressure resistance reaches the level of hard alloys (up to 2 GPa) or very strong steels (up to 1.2 GPa). Through the choice of technology for manufacturing a thin layer of insulation (2) (material and its processing), existing coating techniques allow certain resistance characteristics or operating ranges of force-dependent behavior of insulation to be measured for changes ranging from a few mΩ or Ω to several hundred kΩ, where the version for measuring forces in the milliNewton range requires a volume of several cubic millimeters, the size of the average device for forces measured in newtons and kilonewtons will be up to one hundred cubic centimeters, and the large device, occupying a volume of less than one cubic meter, will allow the measurement of forces in the meganewton range.

Вариант осуществления изобретения отличается тем, что устройство для измерения элементов (1, 2, 3 и т.д. до 17) с использованием сочетания нескольких тонких слоев изоляции (2) или многослойных систем тонких слоев изоляции (2) (также называемых многоуровневые слои), работает по электрической схеме измерительного моста или полумоста таким образом, что за счет способа электрического подключения достигается многократное увеличение чувствительности измерения. При помощи одного или нескольких эталонных металлических электродов (4) для каждой ячейки для измерения силы обеспечивается полная компенсация обусловленного температурой отклонения сопротивления. Также обеспечивается возможность пространственного расположения одной комбинации измерительных ячеек, состоящих из металлических электродов (1) и металлических электродов (3), тонких слоев изоляции (2) и эталонных металлических электродов (4) в направлении действия измеряемой силы, а элементов (1, 2, 3 и 4) второйAn embodiment of the invention is characterized in that a device for measuring elements (1, 2, 3, etc. up to 17) using a combination of several thin layers of insulation (2) or multi-layer systems of thin layers of insulation (2) (also called layered layers) , works according to the electrical circuit of the measuring bridge or half-bridge in such a way that due to the method of electrical connection, a multiple increase in the measurement sensitivity is achieved. By means of one or more metal reference electrodes (4) for each force cell, the temperature-induced resistance deviation is fully compensated. It also provides the possibility of spatial arrangement of one combination of measuring cells, consisting of metal electrodes (1) and metal electrodes (3), thin layers of insulation (2) and reference metal electrodes (4) in the direction of the measured force, and elements (1, 2, 3 and 4) second

- 4 039446 комбинации измерительных ячеек - в направлении нежелательных составляющих силы, например, возникающих в системе при механическом наложении колебаний, для реализации электрической дифференциальной схемы с измерительным мостом или полумостом таким образом, что обеспечивается целенаправленное снижение или полная компенсация возмущающих сигналов паразитарных механических колебаний.- 4 039446 combinations of measuring cells - in the direction of unwanted force components, for example, arising in the system during mechanical superposition of vibrations, to implement an electrical differential circuit with a measuring bridge or half-bridge in such a way that targeted reduction or complete compensation of disturbing signals of parasitic mechanical vibrations is ensured.

Вариант осуществления изобретения отличается тем, что измерительное устройство с сочетанием нескольких тонких слоев изоляции (2.1 соответствует каналу 1, а 2.2 - каналу 2) или многослойных систем тонких слоев изоляции (2.1, 2.2 и т.д. до 2.n), называемых также многоуровневые слои, электрически функционирует как групповое соединение нескольких измерительных каналов с одним или несколькими измерительными мостами или полумостами, пространственное или геометрическое расположение которых позволяет одновременно точно определять величину и направление векторов измеряемых сил по присвоенным измерительным каналам путем отдельной регистрации воздействия сил в качестве векторных составляющих минимум по трем направлениям декартовой системы координат (ширина - X, длина - Y, высота - Z) и(или) дополнительно в полярной системе координат для оси вращения вокруг нормального вектора плоскости X-Y, оси Z и дополнительной оси вращения, однозначно описываемой при помощи угла наклона относительно плоскости X-Y.An embodiment of the invention is characterized in that a measuring device with a combination of several thin insulation layers (2.1 corresponds to channel 1, and 2.2 to channel 2) or multilayer systems of thin insulation layers (2.1, 2.2, etc. up to 2.n), also called multilevel layers, electrically functions as a group connection of several measuring channels with one or more measuring bridges or half-bridges, the spatial or geometric arrangement of which allows you to simultaneously accurately determine the magnitude and direction of the vectors of the measured forces along the assigned measuring channels by separately registering the effects of forces as vector components for at least three directions of the Cartesian coordinate system (width - X, length - Y, height - Z) and (or) additionally in the polar coordinate system for the axis of rotation around the normal vector of the X-Y plane, the Z axis and an additional axis of rotation, uniquely described using the angle of inclination relative to plane X-Y.

Вариант осуществления изобретения отличается тем, что возможны как простые, так и сложные механические конструкции элементов металлических электродов (1), тонких слоев изоляции (2), металлических электродов (3) и эталонных металлических электродов (4) в составе устройства для электрического измерения силы, представляющего собой одно устройство или комбинацию из нескольких устройств для электрического измерения силы при помощи тонких слоев изоляции (2), состоящих из простых (2) или многослойных систем (2 или 2.n), называемых также многоуровневые слои изоляции, которые наносятся на определенные плоские или фасонные поверхности соответствующих деталей при исполнении как в макроразмере (больше 10 мм), так и в миниатюрном формате (в субмиллиметровом масштабе), причем цепь из нескольких элементов из металла и(или) керамики или стекла располагается с силовым и(или) геометрическим замыканием, а действующие моменты и силы регистрируются с компенсацией температуры, причем за счет нанесения высокоомных слоев изоляции в мегаомном диапазоне эти элементы обладают высокоомной электрической изоляцией относительно окружающей среды и достаточной электрической изоляцией по отношению друг к другу и функционируют как невзаимодействующие друг с другом металлические электроды (1), (3) и (4) с механическим и электрическим расцеплением.An embodiment of the invention is characterized in that both simple and complex mechanical structures of elements of metal electrodes (1), thin layers of insulation (2), metal electrodes (3) and reference metal electrodes (4) are possible as part of a device for electrical force measurement, which is a single device or a combination of several devices for the electrical measurement of force using thin layers of insulation (2), consisting of simple (2) or multilayer systems (2 or 2.n), also called multilayer insulation layers, which are applied to certain flat or shaped surfaces of the corresponding parts, when executed both in macro size (more than 10 mm) and in miniature format (on a submillimeter scale), moreover, a chain of several elements made of metal and (or) ceramics or glass is located with force and (or) geometric closure , and the acting moments and forces are recorded with temperature compensation, and due to the application of high ohm layers of insulation in the megaohm range, these elements have high-resistance electrical insulation relative to the environment and sufficient electrical insulation with respect to each other and function as non-interacting metal electrodes (1), (3) and (4) with mechanical and electrical tripping.

Вариант осуществления изобретения отличается тем, что чувствительность устройства для электрического измерения силы определяется в диапазоне от миллиньютонов до меганьютонов, а также тем, что направление силы задано предварительно посредством конструктивного исполнения металлических электродов (1), металлических электродов (3) и эталонных металлических электродов (4), являющихся соединяемыми элементами, для изготовления которых можно выбрать любую правильную форму, позитивную и негативную, причем отклонение от заданной формы составит не более 6 мкм при средней шероховатости контактной поверхности электродов Ra не более 400 нм; например, это могут быть сопряженные рабочие поверхности внутреннего и внешнего усеченных конусов для измерения силы тяги или давления, с нанесенным на рабочую поверхность тонким слоем изоляции (2), причем угол конуса и, соответственно, отношение механической передачи ячейки давления или тяги могут быть выбраны произвольно. Также поверхности вставленных друг в друга внутреннего и внешнего цилиндров с нанесенными на внутреннюю поверхность тонкими слоями изоляции для определения радиальной силы натяжения позволяют напрямую измерять способность к передаче радиального и осевого усилия зажимных соединений в цилиндрических зажимных системах, которая определяется как действие линейной силы между этими двумя телами. Еще одним примером конструктивной гибкости данной системы измерения является прямое измерение осевых сил тяги или давления с помощью ступенчатых цилиндров, у которых тонкий слой изоляции (2) двух или нескольких фасонных элементов наносится на торцевые поверхности цилиндровых колец и, таким образом, позволяет напрямую линейно измерять силу тяги или давления, действующую на прижатые друг к другу фасонные элементы; также возможно прямое измерение крутящих моментов, при котором существует плоская контактная поверхность между металлическими электродами (1) и металлическими электродами (3) с лежащим между ними тонким слоем изоляции (2) - в этом случае нормальный вектор направлен по касательной к направлению вращения: у взаимосцепляющихся симметричных относительно оси вращения фасонных деталей тонкий слой изоляции наносится на плоскую или фасонную поверхность вала таким образом, что нормальный вектор указывает направление действия скручивающей измеряемой силы, действующей по окружности цилиндров обоих тел.An embodiment of the invention is characterized in that the sensitivity of the device for electrical force measurement is determined in the range from millinewtons to meganewtons, and also in that the direction of the force is predetermined by the design of the metal electrodes (1), metal electrodes (3) and reference metal electrodes (4 ), which are connected elements, for the manufacture of which you can choose any correct shape, positive and negative, and the deviation from the given shape will be no more than 6 μm with an average roughness of the contact surface of the electrodes R a not more than 400 nm; for example, these can be mating working surfaces of inner and outer truncated cones for measuring traction or pressure, with a thin layer of insulation (2) applied to the working surface, and the angle of the cone and, accordingly, the mechanical transmission ratio of the pressure or traction cell can be chosen arbitrarily . Also, the surfaces of nested inner and outer cylinders with thin layers of insulation applied to the inner surface to determine the radial tension force allow you to directly measure the ability to transmit radial and axial force of clamping connections in cylindrical clamping systems, which is defined as the action of a linear force between these two bodies . Another example of the design flexibility of this measurement system is the direct measurement of axial thrust or pressure forces with stepped cylinders, in which a thin layer of insulation (2) of two or more shaped elements is applied to the end surfaces of the cylinder rings and thus allows a direct linear measurement of the force thrust or pressure acting on shaped elements pressed against each other; direct measurement of torques is also possible, in which there is a flat contact surface between the metal electrodes (1) and the metal electrodes (3) with a thin layer of insulation (2) lying between them - in this case, the normal vector is directed tangentially to the direction of rotation: for interlocking symmetrical with respect to the axis of rotation of the shaped parts, a thin layer of insulation is applied to the flat or shaped surface of the shaft in such a way that the normal vector indicates the direction of action of the torsional measured force acting on the circumference of the cylinders of both bodies.

Вариант осуществления изобретения отличается тем, что металлические электроды при помощи одного или нескольких тонких слоев изоляции (2 или 2.n) электрически изолированы друг от друга и механически имеют такую правильную форму или фасонную форму, что обеспечивают возможность измерения сил тяги и давления по двум или нескольким каналам, при этом тонкий слой изоляции нанесен по окружности двух связанных друг с другом усеченных конусов на наружную поверхность соответствующего внутреннего электрода, а точно подогнанные по посадке (т.е. со средней шероховатостьюAn embodiment of the invention is characterized in that the metal electrodes are electrically insulated from each other by means of one or more thin layers of insulation (2 or 2.n) and mechanically have such a regular shape or shaped shape that it is possible to measure thrust and pressure forces along two or several channels, while a thin layer of insulation is applied around the circumference of two truncated cones connected to each other on the outer surface of the corresponding inner electrode, and precisely adjusted in fit (i.e. with an average roughness

- 5 039446 менее 400 нм и допуском по форме менее 6 мкм) два электрически изолированных друг от друга внешних электрода формируют негативную ответную часть, при этом деформация металлических электродов (1), металлических электродов (3) и эталонных металлических электродов (4) отсутствует или имеет место очень незначительная относительная деформация менее 0,01 промилле, а тонкий слой изоляции (2) на усеченном конусе, вершина которого расположена в направлении действия силы, измеряет силу давления, а на усеченном конусе, вершина которого расположена в направлении, противоположном действию силы, - силу тяги, благодаря чему такое устройство для электрического измерения силы позволяет одновременно измерять силы, действующие в противоположных направлениях, в форме положительных и отрицательных значений.- 5 039446 less than 400 nm and shape tolerance less than 6 μm) two external electrodes electrically isolated from each other form a negative counterpart, while there is no deformation of the metal electrodes (1), metal electrodes (3) and reference metal electrodes (4) or there is a very slight relative deformation of less than 0.01 ppm, and a thin layer of insulation (2) on the truncated cone, the apex of which is located in the direction of the force, measures the pressure force, and on the truncated cone, the apex of which is located in the direction opposite to the force, a traction force, whereby such an electrical force measurement device can simultaneously measure forces acting in opposite directions in the form of positive and negative values.

При электрическом измерении силы при помощи тонкого слоя изоляции (2) с использованием описанного выше устройства в качестве источника тока (6) используется прецизионный электронный генератор сигналов, который работает в режиме регулируемого источника постоянного тока или в режиме источника сигналов переменного тока, подавая на схему измерения сопротивления четко определенные, пригодные в качестве точного эталона сигналы выходного тока, например синусоидальные, прямоугольные или треугольные импульсы, при возможности произвольного выбора амплитуды и частоты. При этом схема обработки и оценки сигнала подобрана в соответствии с используемым режимом таким образом, что в зависимости от конкретного применения можно целенаправленно подавлять или компенсировать влияние электрических помех из окружающей среды, т.е. сильных электрических или электромагнитных полей, посредством фильтрации сигнала через полосовой пропускающий или задерживающий фильтр, предельные частоты которого определяются в соответствии с конкретной задачей. При этом в режиме импульс-пауза обеспечивается снижение потребления энергии таким измерительным устройством на 20-40%.In electrical force measurement using a thin layer of insulation (2) using the device described above as a current source (6), a precision electronic signal generator is used, which operates in the mode of a regulated DC source or in the mode of an AC signal source, supplying to the measurement circuit resistance well-defined output current signals suitable as an accurate standard, such as sinusoidal, rectangular or triangular pulses, with the possibility of an arbitrary choice of amplitude and frequency. In this case, the signal processing and evaluation scheme is selected in accordance with the mode used in such a way that, depending on the specific application, it is possible to purposefully suppress or compensate for the influence of electrical interference from the environment, i.e. strong electric or electromagnetic fields, by filtering the signal through a band pass or stop filter, the frequency limits of which are determined in accordance with a specific task. At the same time, in the pulse-pause mode, the energy consumption of such a measuring device is reduced by 20-40%.

Динамика системы измерения силы при помощи тонкого слоя изоляции, причем система состоит из металлических электродов (1), тонких слоев изоляции (2), металлических электродов (3) и эталонных металлических электродов (4) или комбинации устройств для электрического измерения силы при помощи тонкого слоя изоляции с соответствующими элементами (1, 2, 3 и 4), обеспечивает при измерении силовых воздействий частоту замеров в мегагерцевом диапазоне исключительно за счет выбора тонких слоев изоляции (2) и эталонных тонких слоев изоляции (4) с низкоомным измерительным сопротивлением в диапазоне от 1 до 100 Ом. Это позволяет повысить измерительные токи и, в частности, крутизну фронта измерительного напряжения, которое проявляется как падение напряжения при преодолении сопротивления тонкого слоя изоляции и достигается в диапазоне от десятков наносекунд до нескольких микросекунд. Электрическая регулировка измерительной электроники для регистрации падения напряжения при преодолении тонкого слоя изоляции (2 или 2.n) с разрешением как минимум до трех знаков в микровольтовом диапазоне при задержке менее восьмисот наносекунд полностью определяет производительность всей измерительной системы в плане быстродействия и чувствительности; таким образом, обеспечивается измерение силы с высокой частотой и без искажений, например, на подшипниковых вкладышах турбин или генераторах сильных токов.Dynamics of a force measurement system using a thin layer of insulation, the system consisting of metal electrodes (1), thin layers of insulation (2), metal electrodes (3) and reference metal electrodes (4) or a combination of devices for electrical force measurement using a thin layer insulation with the corresponding elements (1, 2, 3 and 4), provides, when measuring force effects, the frequency of measurements in the megahertz range solely due to the choice of thin layers of insulation (2) and reference thin layers of insulation (4) with a low-resistance measuring resistance in the range from 1 up to 100 Ohm. This makes it possible to increase the measuring currents and, in particular, the steepness of the measuring voltage front, which manifests itself as a voltage drop when overcoming the resistance of a thin insulation layer and is achieved in the range from tens of nanoseconds to several microseconds. The electrical adjustment of the measuring electronics to register the voltage drop across a thin layer of insulation (2 or 2.n) with a resolution of at least three digits in the microvolt range with a delay of less than eight hundred nanoseconds completely determines the performance of the entire measuring system in terms of speed and sensitivity; in this way, it is possible to measure force at high frequency and without distortion, for example on turbine bearing shells or high current generators.

Механические передающие элементы в форме металлических электродов (1), металлических электродов (3) и эталонных металлических электродов (4), служащие для передачи силы от внешней точки, на которую она воздействует, на тонкий слой изоляции (2), изготовлены из прочных пластмасс или высокопрочных композиционных материалов в форме фасонных элементов, причем система электрического измерения силы создается за счет нанесения высокопрочных слоев металла, действующих в качестве электропроводящих металлических электродов элементов (1, 3 и 4), нанесения тонких слоев изоляции (2 или 2.n) на эти металлические электроды (1, 3 и 4), и за счет низкоомного электрического подключения этих электродов к электронной измерительной системе с диапазоном сопротивления менее пятидесяти миллиом для элементов (6, 7 и далее до 17) на материале-носителе основания металлических электродов (1, 3 и 4) - пластмассе или композиционном материале.Mechanical transmission elements in the form of metal electrodes (1), metal electrodes (3) and reference metal electrodes (4), serving to transmit force from an external point on which it acts to a thin layer of insulation (2), are made of durable plastics or high-strength composite materials in the form of shaped elements, and the electrical force measurement system is created by applying high-strength metal layers acting as electrically conductive metal electrodes of the elements (1, 3 and 4), applying thin layers of insulation (2 or 2.n) to these metal electrodes (1, 3 and 4), and due to the low-resistance electrical connection of these electrodes to an electronic measuring system with a resistance range of less than fifty milliohms for elements (6, 7 and further up to 17) on the carrier material of the base of the metal electrodes (1, 3 and 4) - plastic or composite material.

Металлические электроды (1, 3 и 4) изолированы друг от друга при помощи тонкого слоя изоляции (4), так что емкость и(или) сопротивление такой измерительной ячейки, состоящей из элементов (1, 2, 3 и далее до 17), находится в однозначной и постоянной функциональной зависимости от действующей на нее внешней силы давления, причем для электрического измерения зависящей от силы емкости С или полного сопротивления Z в качестве источника тока используется прецизионный электронный генератор сигналов, работающий в режиме источника сигналов переменного тока, подавая на схему измерения емкости и полного сопротивления четко определенные, пригодные в качестве точного эталона сигналы выходного тока, например синусоидальные, прямоугольные или треугольные импульсы, при возможности произвольного выбора амплитуды и частоты, возбуждая схему в качестве колебательного контура с резонансной частотой, причем под действием силы между металлическими электродами (1, 3 и 4) колебательный контур перестраивается из-за изменения емкости и(или) полного сопротивления, а амплитуда измеряемого сигнала переменного напряжения уменьшается в результате емкостно-резистивного сопротивления тонкого слоя изоляции (2), характер которого описывается однозначной и постоянной функциональной зависимостью от воздействующей силы давления, а электронная схема обработки и оценки сигнала при помощи соответствующего задаче полосового пропускающего или задерживающего фильт- 6 039446 ра может практически полностью подавить или компенсировать посторонние сигналы от паразитарных механических колебаний или внешних электрических полей.The metal electrodes (1, 3 and 4) are isolated from each other by a thin layer of insulation (4), so that the capacitance and/or resistance of such a measuring cell, consisting of elements (1, 2, 3 and further up to 17), is in an unambiguous and constant functional dependence on the external pressure force acting on it, and for the electrical measurement of the force-dependent capacitance C or impedance Z, a precision electronic signal generator is used as a current source, operating in the mode of an alternating current signal source, supplying to the capacitance measurement circuit and impedance, well-defined output current signals suitable as an accurate standard, for example, sinusoidal, rectangular or triangular pulses, with the possibility of an arbitrary choice of amplitude and frequency, exciting the circuit as an oscillatory circuit at a resonant frequency, moreover, under the action of a force between metal electrodes (1 , 3 and 4) the oscillatory circuit is reconstructed from - due to changes in capacitance and (or) impedance, and the amplitude of the measured AC voltage signal decreases as a result of the capacitive-resistive resistance of a thin layer of insulation (2), the nature of which is described by an unambiguous and constant functional dependence on the acting pressure force, and the electronic circuit for processing and evaluating 6 039446 can almost completely suppress or compensate extraneous signals from parasitic mechanical vibrations or external electric fields.

Металлические электроды (1, 3 и 4) электрически изолированы друг от друга тонким слоем изоляции таким образом, что полное сопротивление Z (т.е. индуктивное сопротивление переменного тока или емкостное сопротивление переменного тока) такой электрической измерительной ячейки демонстрирует однозначную и постоянную функциональную зависимость от внешней воздействующей на ячейку силы давления, причем для электрического измерения зависящей от силы индуктивности L или емкости С в качестве источника тока используется прецизионный электронный генератор сигналов, работающий в режиме регулируемого источника сигналов переменного тока, подавая на схему измерения емкости и полного сопротивления четко определенные, пригодные в качестве точного эталона сигналы выходного тока, например синусоидальные, прямоугольные или треугольные импульсы, при возможности произвольного выбора амплитуды и частоты, и возбуждая схему в качестве колебательного контура с резонансной частотой.The metal electrodes (1, 3 and 4) are electrically isolated from each other by a thin layer of insulation in such a way that the impedance Z (i.e. AC inductance or AC capacitance) of such an electrical measuring cell shows a unique and constant functional dependence on external pressure force acting on the cell, and for the electrical measurement of the force-dependent inductance L or capacitance C, a precision electronic signal generator is used as a current source, operating in the mode of an adjustable AC signal source, supplying well-defined, suitable as an accurate reference, output current signals such as sine, square or triangular pulses, with an arbitrary choice of amplitude and frequency, and driving the circuit as an oscillating circuit at a resonant frequency.

Согласно изобретению измерение сил выполняется, как показано в примерах осуществления изобретения на фиг. 1, 2 и 3: между как минимум двумя механическими элементами, передающими силу (1 и 3), выполненными в форме электродов, электрически изолированных друг от друга посредством тонкого слоя изоляции (2), электрическое сопротивление которого связано однозначно прослеживаемой функцией с развивающейся силой F; при этом в конструктивной близости, но за пределами силового потока, располагается эталонный металлический электрод (4), крепление которого обеспечивает постоянную силу прижима этого электрода (4) к электроду истока (3).According to the invention, the measurement of forces is carried out as shown in the exemplary embodiments of the invention in FIGS. 1, 2 and 3: between at least two mechanical elements transmitting force (1 and 3), made in the form of electrodes, electrically isolated from each other by means of a thin layer of insulation (2), the electrical resistance of which is related by a uniquely traceable function to the developing force F ; in this case, in constructive proximity, but outside the power flow, there is a reference metal electrode (4), the fastening of which provides a constant pressing force of this electrode (4) to the source electrode (3).

Таким образом, можно создать измерительный полумост или мост, который будет полностью компенсировать зависимость измерительного устройства от температуры таким образом, что результирующее напряжение моста будет связано однозначной прослеживаемой функцией с воздействием силы между электродами (1 и 3) независимо от температуры окружающей среды. Для этого минимум два электрода (1 и 3) и общий электрод истока (E_q или 3) с соответствующими сенсорными электродами (Е_п) электрически подключаются к источнику тока (6) таким образом, что заданный известный ток I_q от регулируемого источника тока (6), измеряется при помощи амперметра (7) как ток I, а при прохождении через тонкий слой изоляции происходит падение напряжения U или U_n в случае многомерного датчика, которое измеряется с высокой степенью точности при помощи вольтметра (8) и передается на один или несколько эталонных измерительных электродов (4 или U.ref(n)) при использовании схемы с измерительным мостом или полумостом в качестве напряжения мостовой схемы, что позволяет полностью компенсировать зависимость сопротивления тонкого слоя изоляции и, соответственно, измерительного устройства от температуры.Thus, it is possible to create a measuring half-bridge or a bridge that will completely compensate for the temperature dependence of the measuring device in such a way that the resulting voltage of the bridge will be associated with an unambiguous traceable function of the force applied between the electrodes (1 and 3), regardless of the ambient temperature. To do this, at least two electrodes (1 and 3) and a common source electrode (E_q or 3) with the corresponding sensor electrodes (E_p) are electrically connected to the current source (6) in such a way that the given known current I_q from the regulated current source (6), measured with an ammeter (7) as current I, while passing through a thin layer of insulation there is a voltage drop U or U_n in the case of a multidimensional sensor, which is measured with a high degree of accuracy using a voltmeter (8) and transmitted to one or more reference measuring electrodes (4 or U.ref(n)) when using a circuit with a measuring bridge or half-bridge as the voltage of the bridge circuit, which allows you to fully compensate for the dependence of the resistance of a thin layer of insulation and, accordingly, the measuring device on temperature.

По сравнению с известными решениями для датчиков силы и, в частности, с патентами DE 19954164 В4 и DE 102006019942 A1, отличия состоят в следующем: все устройства для измерения силы на основе тензорезистивных систем с тонким слоем изоляции, известные из предыдущего уровня техники, не включают устройство для полной компенсации обусловленного температурой дрейфа сопротивления изоляции;Compared with the known solutions for force sensors and in particular with the patents DE 19954164 B4 and DE 102006019942 A1, the differences are as follows: a device for fully compensating the temperature-induced drift of the insulation resistance;

применяются тонкие слои изоляции и многослойные системы, обладающие свойствами полупроводников, причем их чувствительность, обусловленная зависимостью электрической проводимости и электрического сопротивления от силы, целенаправленно существенно повышается посредством специальной технологии изготовления, подбора сочетания химических веществ и создания дефектов решетки, которые высвобождают дополнительные носители электрического заряда. Примеры таких тонких слоев изоляции и их сочетаний: нитрид алюминия-титана, нитрид алюминия-хрома, оксинитрид циркония или оксинитрид алюминия-хрома и многие другие материалы, которые как полупроводники демонстрируют высокую чувствительность и значительное изменение сопротивления под действием силы;thin insulation layers and multilayer systems with semiconductor properties are used, and their sensitivity, due to the dependence of electrical conductivity and electrical resistance on force, is purposefully significantly increased through special manufacturing technology, the selection of a combination of chemicals and the creation of lattice defects that release additional charge carriers. Examples of such thin insulation layers and their combinations are: aluminum-titanium nitride, aluminum-chromium nitride, zirconium oxynitride or aluminum-chromium oxynitride and many other materials that, as semiconductors, exhibit high sensitivity and a significant change in resistance under the action of force;

форма и материалы для механических элементов, передающих силу, выбираются таким образом, чтобы под воздействием силы их геометрия не менялась или деформация была бы пренебрежимо мала, что обеспечивает измерение силы без погрешности из-за изменения траектории или длины пути на прямом отрезке при передаче электрически измеримого сигнала, т.е. единственным чувствительным связующим звеном является тонкий слой изоляции и на измерительную цепь не влияют какие-либо прочие допуски конструктивных элементов или механические неполадки;the shape and materials for mechanical elements transmitting force are chosen in such a way that under the influence of force their geometry would not change or the deformation would be negligible, which ensures force measurement without error due to changes in the trajectory or path length on a straight line when transmitting an electrically measurable signal, i.e. the only sensitive link is a thin layer of insulation and the measuring circuit is not affected by any other structural tolerances or mechanical failures;

также, например, при исполнении датчика с использованием в качестве электродов (1 и 3) твердосплавных передающих силу элементов, между соседними поверхностями металлических электродов (1 и 3) возникают точно определенные переходные сопротивления, постоянные с точностью до нескольких мОм, вне зависимости от силы, с которой эти элементы прижимаются друг к другу; доступность любого, в том числе миниатюрного, исполнения датчиков для измерения силы или комбинаций таких датчиков с измерением силы по нескольким направлениям позволяет создать чрезвычайно быстродействующее и точное измерительное устройство, причем физическая величина такой системы ограничивается только такими электрическими параметрами, как время перезаряда измерительных токов и изменения напряжения измерительного контура на участке до аналого-цифрового преобразователя. Таким образом, для современных электронных схем усиления и обработки сигналов становится доступен неизвестный ранееalso, for example, when the sensor is designed using carbide force-transmitting elements as electrodes (1 and 3), precisely defined transient resistances appear between adjacent surfaces of the metal electrodes (1 and 3), constant to within a few mΩ, regardless of the force, with which these elements are pressed against each other; the availability of any, including a miniature, version of sensors for measuring force or combinations of such sensors with force measurement in several directions allows you to create an extremely fast and accurate measuring device, and the physical size of such a system is limited only by such electrical parameters as the recharge time of measuring currents and changes voltage of the measuring circuit in the area up to the analog-to-digital converter. Thus, for modern electronic circuits for amplification and signal processing, a previously unknown

- 7 039446 класс мощности в области динамического измерения силы;- 7 039446 power class in the field of dynamic force measurement;

в зависимости от выбранного тонкого слоя изоляции или многослойной системы таких слоев и их состава при использовании передающих силу элементов соответствующей прочности становится возможной недоступная прежде устойчивость таких датчиков к температурам в диапазоне от -100 доDepending on the selected thin insulation layer or multilayer system of such layers and their composition, when using force-transmitting elements of appropriate strength, the hitherto inaccessible resistance of such sensors to temperatures in the range from -100 to

1200°С;1200°C;

возможно применение датчиков силы в энергосберегающих решениях и высокорентабельных миниатюрных системах для измерения силы с продолжительностью работы от батареи до нескольких лет, так как измеряемые токи лишь кратковременно переключаются в активный режим при очень длительных периодах покоя, а очень короткие переходные процессы измерительной системы позволяют обеспечить минимальную длительность активной фазы;it is possible to use force sensors in energy-saving solutions and highly cost-effective miniature force measurement systems with a battery life of up to several years, since the measured currents only briefly switch to active mode during very long periods of rest, and the very short transients of the measuring system allow for a minimum duration active phase;

механическая прочность и стойкость к износу тонкого слоя изоляции превышает предельные нагрузки, действующие на механические элементы системы. Например, при использовании твердосплавных элементов прочность на сжатие составляет более 2 ГПа.mechanical strength and wear resistance of a thin layer of insulation exceeds the limit loads acting on the mechanical elements of the system. For example, when using carbide elements, the compressive strength is more than 2 GPa.

Данная технология измерения с использованием тонкого слоя изоляции предусматривает разнообразные возможности конструктивного исполнения, которые дают высокую степень свободы при выборе типоразмеров - от миниатюрных и средних с использованием стандартных механических элементов, например крепежа (болтов, винтов, прижимных шайб и т.п.), до масштабов, используемых в тяжелом машиностроении.This thin layer measurement technology provides a variety of design options that allow a high degree of freedom in sizing - from miniature and medium using standard mechanical elements, such as fasteners (bolts, screws, clamp washers, etc.), to scales used in heavy engineering.

На примере варианта осуществления изобретения на фиг. 4 внизу показан вид в разрезе устройства для измерения силы в одном направлении, а на фиг. 4 вверху - измерение силы с раскладкой на составляющие по двум направлениям, т.е. в двумерном пространстве (2D) с составляющими силы F_x и F_y.In the example of the embodiment of the invention in FIG. 4 below is a sectional view of a device for measuring force in one direction, and FIG. 4 at the top - measurement of force with a layout into components in two directions, i.e. in two-dimensional space (2D) with force components F_x and F_y.

Еще один пример исполнения, приведенный на фиг. 5, представляет собой конструкцию многомерного датчика, электрическим способом измеряющего силу с раскладкой на компоненты в сдвоенном четырехмерном пространстве при 4 разных углах поворота в трехмерном пространстве (F_x + F_y). Для этой электрической измерительной схемы и выбранной для нее конструкции датчика представлен вид в разрезе, причем конструкция позволяет добавить любое количество роторных сенсорных элементов (n-); данный конкретный пример приведен для n=4, что соответствует отдельным блокам для 4 углов поворота и демонстрирует свободу выбора механической конструкции и возможности электрической измерительной системы.Another embodiment shown in Fig. 5 is a structure of a multi-dimensional sensor electrically measuring force in dual 4-dimensional space at 4 different rotation angles in 3-dimensional space (F_x + F_y). For this electrical metering circuit and the sensor design chosen for it, a sectional view is presented, with the design allowing the addition of any number of rotary sensor elements (n-); this particular example is given for n=4, which corresponds to separate blocks for 4 angles of rotation and demonstrates the freedom of choice of mechanical design and the possibility of an electrical measuring system.

Обозначения.Notation.

(1) - Электрод; общий электрод в случае многомерных измерительных ячеек.(1) - Electrode; common electrode in the case of multidimensional measuring cells.

(2) - Тонкий слой изоляции (в случае многомерного исполнения - 2-n или 2.n), т.е. тонкий слой изоляции n.(2) - A thin layer of insulation (in the case of multidimensional execution - 2-n or 2.n), i.e. thin layer of insulation n.

(3) - Электрод; электрод N в случае многомерных датчиков (в случае многомерного исполнения - 3n или 3.n).(3) - Electrode; electrode N in case of multidimensional sensors (in case of multidimensional version - 3n or 3.n).

(4) - Эталонный металлический электрод; электрод N в случае многомерных датчиков (в случае многомерного исполнения - 4-n или 4.n).(4) - Reference metal electrode; electrode N in case of multidimensional sensors (in case of multidimensional version - 4-n or 4.n).

(5) - Крепление эталонного металлического электрода, фиксирующее его с постоянной силой в обоих противоположных направлениях.(5) - Fastening of the reference metal electrode, fixing it with constant force in both opposite directions.

(6) - Источник тока I_q.(6) - Current source I_q.

(7) - Амперметр I или, в случае многомерного исполнения, амперметр N соответствующей компоненты (направления) силы и сопоставленного ей канала измерения тока N.(7) - Ammeter I or, in the case of a multidimensional design, ammeter N of the corresponding component (direction) of the force and the current measurement channel N associated with it.

(8) - Вольтметр U или, в случае многомерного исполнения, U_n - вольтметр N соответствующей компоненты (направления) силы и сопоставленного ей канала измерения напряжения N (в случае многомерного исполнения - 8-n или 8.n).(8) - Voltmeter U or, in the case of a multidimensional design, U_n - voltmeter N of the corresponding component (direction) of the force and the voltage measurement channel N associated with it (in the case of a multidimensional design - 8-n or 8.n).

(9) - Эталонный вольтметр U_ref или, в случае многомерного исполнения, U_ref-m - вольтметр М соответствующей компоненты (направления) силы и сопоставленного ей канала измерения эталонного напряжения М (в случае многомерного исполнения - 9-m или 9.m).(9) - Reference voltmeter U_ref or, in the case of multidimensional execution, U_ref-m - voltmeter M of the corresponding component (direction) of the force and the channel for measuring the reference voltage M associated with it (in the case of multidimensional execution - 9-m or 9.m).

(10) - Эталонный амперметр I_ref или, в случае многомерного исполнения, I_ref-m - амперметр М соответствующей компоненты (направления) силы и сопоставленного ей канала измерения эталонного тока М (в случае многомерного исполнения - 9-m или 9.m).(10) - Reference ammeter I_ref or, in the case of multidimensional execution, I_ref-m - ammeter M of the corresponding component (direction) of the force and the channel for measuring the reference current M associated with it (in the case of multidimensional execution - 9-m or 9.m).

(11) - Постоянное сопротивление R1 - константа измерительного полумоста.(11) - Constant resistance R1 - measuring half-bridge constant.

(12) - Постоянное сопротивление R2 - константа измерительного полумоста.(12) - Constant resistance R2 - measuring half-bridge constant.

(13) - Сопротивление слоя изоляции R1 измерительного моста.(13) - Insulation layer resistance R1 of the measuring bridge.

(14) - Эталонное сопротивление изоляции R_ref-1 измерительного моста.(14) - Reference insulation resistance R_ref-1 of the measuring bridge.

(15) - Сопротивление изоляции R_2 измерительного моста.(15) - Insulation resistance R_2 of the measuring bridge.

(16) - Эталонное сопротивление изоляции R_ref-2 измерительного моста.(16) - Reference insulation resistance R_ref-2 of the measuring bridge.

(17) - Сопротивление слоя изоляции R_17 между двумя прилегающими друг к другу измерительными элементами, позволяющее реализовать схему полного измерительного моста(17) - The resistance of the insulation layer R_17 between two measuring elements adjacent to each other, allowing the implementation of a full measuring bridge circuit

R >500xR 1. _ _R>500xR 1. _ _

- 8 039446- 8 039446

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM

Claims (14)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Устройство для электрического измерения действующей на него силы (F), включающее ячейку для измерения силы, состоящую из первого металлического электрода (1) и расположенного в направлении измеряемой силы (F) от него второго металлического электрода (3), каждый из которых выполнен из твердого металла, стали или низкоомных слоев металла на керамике, стекле или пластмассе, с контактными поверхностями, на которые воздействует измеряемая сила (F) и которые имеют электрическое сопротивление в диапазоне от нескольких миллиом до не более чем 10 Ом и среднюю шероховатость поверхности (Ra) не более 400 нм для получения не зависящей от силы проводимости;1. A device for electrical measurement of the force acting on it (F), including a cell for measuring the force, consisting of the first metal electrode (1) and the second metal electrode (3) located in the direction of the measured force (F) from it, each of which is made of hard metal, steel or low-resistance metal layers on ceramic, glass or plastic, with contact surfaces that are subjected to a measurable force (F) and that have an electrical resistance in the range from a few milliohms to not more than 10 ohms and an average surface roughness (R a ) no more than 400 nm to obtain strength-independent conductivity; тонкой изоляционной пленки (2), расположенной между металлическими электродами (1, 3) с геометрическим замыканием, изготовленной из материала, относящегося к группам, состоящим из оксида цинка, восстановленного случайным образом оксида алюминия Al2Ox, где x = от 2,4 до 2,8, карбида кремния, слоя DLC (алмазоподобного углеродного покрытия);a thin insulating film (2) located between metal electrodes (1, 3) with positive locking, made of a material belonging to the groups consisting of zinc oxide, randomly reduced aluminum oxide Al 2 O x , where x = from 2.4 up to 2.8, silicon carbide, DLC (Diamond Like Carbon Coating) layer; эталонного металлического электрода (4), помещаемого на отрезок тонкой изоляционной пленки (2), на который не передается сила от первого металлического электрода (1) и который присоединен ко второму металлическому электроду (3) при помощи крепежного элемента (5), обеспечивающего постоянную удерживающую силу;a reference metal electrode (4) placed on a piece of thin insulating film (2), to which no force is transmitted from the first metal electrode (1) and which is attached to the second metal electrode (3) using a fastener (5), which provides a constant holding strength; измерительной схемы, выполненной в форме полумоста или моста, при этом токовая цепь, питающаяся от источника тока (6), имеет последовательное соединение с первым металлическим электродом (1), тонким слоем изоляции (2) со вторым металлическим электродом (3), а также тонким слоем изоляции (2) с эталонным металлическим электродом (4);a measuring circuit made in the form of a half-bridge or bridge, while the current circuit powered by the current source (6) has a serial connection with the first metal electrode (1), a thin layer of insulation (2) with the second metal electrode (3), and also a thin layer of insulation (2) with a reference metal electrode (4); выполнено таким образом, что зависящее от силы измеряемое напряжение (8) представляет напряжение между первым металлическим электродом (1) и вторым металлическим электродом (3), при этом напряжение уменьшается, проходя через тонкую изоляционную пленку (2);configured in such a way that the force-dependent measured voltage (8) represents the voltage between the first metal electrode (1) and the second metal electrode (3), the voltage decreasing as it passes through the thin insulating film (2); эталонное напряжение (9) представляет напряжение между вторым металлическим электродом (3) и эталонным металлическим электродом (4);the reference voltage (9) represents the voltage between the second metal electrode (3) and the reference metal electrode (4); измерительная схема определяет отношение между зависящим от силы напряжением (8) и эталонным напряжением (9), которое отражает величину действующей силы.the measuring circuit determines the relationship between the force-dependent voltage (8) and the reference voltage (9), which reflects the magnitude of the acting force. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тонкий слой изоляции (2) выполнен в виде тонкой многослойной изоляционной пленки (2).2. The device according to claim 1, characterized in that the thin layer of insulation (2) is made in the form of a thin multilayer insulating film (2). 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что контактные поверхности первого и второго металлических электродов (1, 3) выполнены с геометрическим замыканием с зазором не менее 4 мкм по всей площади контакта.3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the contact surfaces of the first and second metal electrodes (1, 3) are made with a positive fit with a gap of at least 4 μm over the entire contact area. 4. Устройство по одному или нескольким пп.1-3, отличающееся тем, что прочность первого металлического электрода (1), второго металлического электрода (3) и эталонного металлического электрода (4) равна прочности тонкой изоляционной пленки (2) или превышает ее.4. The device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the strength of the first metal electrode (1), the second metal electrode (3) and the reference metal electrode (4) is equal to or exceeds the strength of the thin insulating film (2). 5. Устройство по одному или нескольким пп.1-4, отличающееся тем, что между измерительной схемой и ячейкой для измерения силы зазор составляет не более 200 мм.5. A device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the gap between the measuring circuit and the cell for measuring the force is no more than 200 mm. 6. Устройство по одному или нескольким пп.1-5, отличающееся тем, что средняя шероховатость Ra контактных поверхностей первого металлического электрода (1) и эталонного металлического электрода (4) в 2-30 раз превышает среднюю шероховатость контактной поверхности второго металлического электрода (3), для которого средняя шероховатость Ra составляет не более 200 нм.6. The device according to one or more claims 1-5, characterized in that the average roughness R a of the contact surfaces of the first metal electrode (1) and the reference metal electrode (4) is 2-30 times higher than the average roughness of the contact surface of the second metal electrode ( 3), for which the average roughness R a is no more than 200 nm. 7. Устройство по одному или нескольким пп.1-6, отличающееся тем, что ячейка для измерения силы включает несколько эталонных металлических электродов (4).7. Device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the cell for measuring the force includes several reference metal electrodes (4). 8. Устройство по одному или нескольким пп.1-7, отличающееся наличием второй ячейки для измерения силы, конструктивно идентичной первой, которую можно ориентировать в направлении составляющей возмущающей силы.8. The device according to one or more of claims 1 to 7, characterized by the presence of a second cell for measuring force, structurally identical to the first, which can be oriented in the direction of the component of the perturbing force. 9. Устройство по одному или нескольким пп.1-8, отличающееся тем, что ячейка для измерения силы включает несколько тонких изоляционных пленок (2.1, 2.2), которые электрически подключены к нескольким измерительным схемам и имеют пространственное и(или) геометрическое расположение для одновременной регистрации направления действия и величины составляющих векторов измеряемых сил.9. The device according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the cell for measuring the force includes several thin insulating films (2.1, 2.2), which are electrically connected to several measuring circuits and have a spatial and (or) geometric arrangement for simultaneous registration of the direction of action and the magnitude of the components of the vectors of the measured forces. 10. Устройство по пп.1-9, отличающееся тем, что изготовленные в виде соединяемых элементов металлические электроды (1, 3) и эталонный металлический электрод (4) относятся к следующей группе:10. The device according to claims 1-9, characterized in that the metal electrodes (1, 3) made in the form of connected elements and the reference metal electrode (4) belong to the following group: с конструкцией в виде внутреннего и внешнего усеченных конусов с пригнанными рабочими поверхностями и нанесенной на рабочую поверхность тонкой изоляционной пленкой (2);with a design in the form of internal and external truncated cones with fitted working surfaces and a thin insulating film applied to the working surface (2); с конструкцией в виде внешнего и внутреннего цилиндров с тонкой изоляционной пленкой, нанесенной на рабочие поверхности цилиндра, причем тонкая изоляционная пленка (2) нанесена на торцевую поверхность цилиндровых колец.with a design in the form of external and internal cylinders with a thin insulating film applied to the working surfaces of the cylinder, and a thin insulating film (2) is applied to the end surface of the cylinder rings. 11. Устройство по одному или нескольким пп.1-10, отличающееся тем, что тонкая изоляционная11. The device according to one or more of claims 1-10, characterized in that a thin insulating - 9 039446 пленка (2) расположена по окружности двух соединенных друг с другом усеченных конусов и на наружной поверхности соответствующего внутреннего электрода, к которому точно подогнаны электрически изолированные друг от друга наружные охватывающие электроды.- 9 039446 the film (2) is located around the circumference of two truncated cones connected to each other and on the outer surface of the corresponding inner electrode, to which the outer female electrodes, electrically insulated from each other, are precisely fitted. 12. Устройство по одному или нескольким пп.1-11, отличающееся тем, что источником тока (6) является электронный генератор сигналов, который работает в качестве регулируемого источника постоянного тока в первом режиме работы или в качестве источника сигналов переменного тока во втором режиме работы, причем измерительную схему можно настраивать на соответствующий режим работы.12. The device according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the current source (6) is an electronic signal generator that operates as a regulated DC source in the first mode of operation or as an AC signal source in the second mode of operation , and the measuring circuit can be adjusted to the appropriate mode of operation. 13. Устройство по одному или нескольким пп.1-12, отличающееся тем, что механические передающие элементы, передающие силу на металлические электроды (1, 3) и эталонный металлический электрод (4), выполнены в виде отформованных деталей из твердых пластмасс или высокопрочных композитных материалов.13. The device according to one or more of claims 1-12, characterized in that the mechanical transmission elements that transmit force to the metal electrodes (1, 3) and the reference metal electrode (4) are made in the form of molded parts made of hard plastics or high-strength composite materials. 14. Устройство по одному или нескольким пп.1-13, отличающееся тем, что измерительная схема дополнительно включает полосовой пропускающий или задерживающий фильтр.14. The device according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that the measuring circuit further includes a band pass or stop filter.
EA201890310A 2015-07-14 2016-07-09 Device for electricallly measuring a force (f) acting on it EA039446B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015111425.9A DE102015111425B4 (en) 2014-07-18 2015-07-14 Method and device for electrical force measurement by means of insulating thin film
PCT/DE2016/100305 WO2017008784A1 (en) 2014-07-18 2016-07-09 Method and device for electrical force measurement by means of an insulating thin layer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201890310A1 EA201890310A1 (en) 2018-05-31
EA039446B1 true EA039446B1 (en) 2022-01-27

Family

ID=56567326

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201890310A EA039446B1 (en) 2015-07-14 2016-07-09 Device for electricallly measuring a force (f) acting on it

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2016292465B2 (en)
CA (1) CA2992321C (en)
EA (1) EA039446B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030164047A1 (en) * 2002-01-18 2003-09-04 Toyoda Koki Kabushiki Kaisha Load sensor, temperature compensation method for the load sensor and manufacturing method of the load sensor
DE10253178A1 (en) * 2002-09-10 2004-03-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Use of a layer made from diamond-like carbon as temperature sensor in machine components and tools
DE102010024808A1 (en) * 2010-06-23 2011-12-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Piezoresistive force sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030164047A1 (en) * 2002-01-18 2003-09-04 Toyoda Koki Kabushiki Kaisha Load sensor, temperature compensation method for the load sensor and manufacturing method of the load sensor
DE10253178A1 (en) * 2002-09-10 2004-03-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Use of a layer made from diamond-like carbon as temperature sensor in machine components and tools
DE102010024808A1 (en) * 2010-06-23 2011-12-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Piezoresistive force sensor

Also Published As

Publication number Publication date
AU2016292465A1 (en) 2018-03-01
EA201890310A1 (en) 2018-05-31
CA2992321A1 (en) 2017-01-19
CA2992321C (en) 2020-06-09
AU2016292465B2 (en) 2020-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102491230B1 (en) device that measures force electrically
US20220011177A1 (en) Piezoelectric thin-film sensor and use thereof
US4967605A (en) Detector for force and acceleration using resistance element
JP2008516202A (en) Sensor element having at least one measuring element having piezoelectric properties and pyroelectric properties
CN110243394B (en) Resonant sensor based on intelligent material
Sohgawa et al. Multimodal measurement of proximity and touch force by light-and strain-sensitive multifunctional MEMS sensor
CN113302414B (en) Sensor support device for a bearing
KR20230002918A (en) method and device
US7536919B2 (en) Strain gauge
EA039446B1 (en) Device for electricallly measuring a force (f) acting on it
CN108139281A (en) For measuring the sensor of pressure and method
US20240167896A1 (en) Device for measuring deformations, stresses, forces and/or torques in a plurality of axes
RU2346250C1 (en) Mechanical quantities measuring device (versions) and method of its production
JPS63266325A (en) Force detector
JP2006337118A (en) Elastomer sensor and vibration detection method using same
Elbestawi Force measurement
CN103968975B (en) Based on the anti-corrosion pressure transducer of PDMS pressure drag and stainless steel electric capacity
CN203940939U (en) A kind of anti-corrosion pressure transducer based on PDMS pressure drag and stainless steel electric capacity
CN206905691U (en) A kind of single shaft micromechanics displacement transducer based on tunnel magneto-resistance effect
US20220146343A1 (en) Force sensor
Zhang et al. A New Fabrication Method for Capacitive Displacement Sensor
WO2022248057A1 (en) Temperature stable acceleration sensor based on 2d materials and its use
Chen et al. Thick film resistors on alumina substrate as sensing elements
JPS63266324A (en) Moment detector
Zhang et al. A High Temperature Pressure Sensor Based on Advanced Thick Film Technology