RU2500986C2 - Digital multi-component motion sensor - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: digital multi-component motion sensor comprising a body, a recording unit, a sensitive element with motion sensors, connected into an electric circuit, differing by the fact that the elastic body of the sensor is made in the form of a monoblock from a composite material by winding of a tape of a thermoplastic material with further polymerisation of layers, with placement of deformation strain sensors in its layers, current-conducting elements and contact groups, mounted in layers of the body, the above monoblock of the body has the following structure of the layers differing according to performed functions within the body, counting from outside to inside, a protective layer, which protects elements of the sensor against environmental impact, a layer that levels thickness, comprising holes and grooves for protruding parts of the next layer, an instrumental layer comprising strain sensors, current-conducting elements and contact groups, a support layer that perceives load during writing of a handwritten text, an element of transfer of axial pressure of the writing unit is made in the form of a hollow rod with a writing unit installed in it and connected by the end with the sensitive element, made in the form of an elastic membrane jammed in the in the sensor's body, besides, the element of transfer of the axial movement of the writing unit is made in the form of a ball, contacting with a piezoelement, such as a piezoelement of direct effect of movements, besides, the axis of sensitivity of the piezoelement matches with the longitudinal axis of the sensor.

EFFECT: expansion of functional capabilities of a device due to selective measurement of static or smoothly changing movements along all directions of space with their subsequent digitisation, in particular, development of a small-size device in the form of a pen; rating of the movement of the writing unit during writing of a handwritten text for subsequent statistic treatment; obtaining higher reliability, since in solid multi-layer body the sensors are protected against unfavourable conditions of environment, besides, during manufacturing of the body an excessive quantity of sensors may be installed in its layers, which, whenever necessary, may be readjusted.

2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения деформаций и перемещений и предназначено для измерения статических или плавно меняющихся перемещений. Кроме того оно может быть использовано для измерения параметров перемещения пишущего узла при записи и исследовании рукописных текстов.The invention relates to measuring equipment, in particular to devices for measuring deformations and displacements, and is intended for measuring static or smoothly changing displacements. In addition, it can be used to measure the movement parameters of a writing unit when recording and examining handwritten texts.

Известно «Звуковое перо для считывания рукописной информации» (SU №460552 от 27.03.75 G06K 9/00), содержащее корпус, в котором укреплены излучатель и пишущий узел. Невысокая точность этого устройства в силу физических проблем распространения звуковых колебаний не позволяет использовать его для считывания рукописной информации.Known "Sound pen for reading handwritten information" (SU No. 460552 from 03/27/75 G06K 9/00), containing a housing in which the emitter and the writing unit are mounted. The low accuracy of this device due to physical problems of propagation of sound vibrations does not allow using it for reading handwritten information.

Известно «Перо для ввода рукописных символов» (SU №638988 от 28.12.78 г. G06K 9/00), содержащее корпус с размещенным в нем пишущим стержнем, пьезоэлектрическими пластинами, расположенными вдоль стержня, инерционными элементами для учета ускорения движения устройства. Недостатком устройства является то, что снимаемый сигнал отражает интегральную характеристику движения пера, но не фиксирует особенности почерка, а именно частные признаки почерка, в том числе и усилие давления на пишущий узел.The well-known "Pen for entering handwritten characters" (SU No. 638988 from 12.28.78 G06K 9/00), containing a housing with a writing rod placed in it, piezoelectric plates located along the rod, inertial elements to account for the acceleration of the movement of the device. The disadvantage of this device is that the recorded signal reflects the integral characteristic of the movement of the pen, but does not capture the features of handwriting, namely, particular signs of handwriting, including pressure on the writing unit.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Многокомпонентный датчик перемещений» (RU №2422785 от 27.06 2011, G01L 1/04), который снабжен силоприемным элементом, выполненным в виде упругого цилиндрического стержня, жестко защемленного во внутренней проточке корпуса датчика, а чувствительный элемент выполнен в виде двух полых конусов, сопряженных своими основаниями большого диаметра с цилиндрическим кольцом и разрезанных по образующим на ряд упругих секций, при этом первый полый конус жестко скреплен своим малым основанием с корпусом и посредством контакта боковой внешней конической поверхностью с внутренней конической поверхностью цанги, установленной с возможностью осевого перемещения и фиксируемой с помощью прижимной втулки, второй полый конус, состоящий из упругих секций с тензодатчиками, установленными в области наибольших деформаций, соединен с первым полым конусом с помощью цилиндрического кольца, ограничивающего перемещение цанги, каждая из упругих секций представляет собой сдвоенные балки, размещенные по кольцу, защемленные с одной стороны во внутренней проточке корпуса, а с другой стороны, контактирующие с цилиндрической поверхностью силоприемного элемента посредством ограничительного пружинного кольца. Недостатком приведенного решения является сложность конструктивного исполнения, сложность и длительность тарировки датчика и проведения измерений, невозможность измерения осевого перемещения.Closest to the claimed technical solution is the "Multicomponent displacement sensor" (RU No. 2422785 dated June 27, 2011, G01L 1/04), which is equipped with a receiving element made in the form of an elastic cylindrical rod rigidly clamped in the inner groove of the sensor housing, and the sensitive element is made in the form of two hollow cones, conjugated by their bases of large diameter with a cylindrical ring and cut into generatrices of elastic sections, while the first hollow cone is rigidly fastened with its small base to the body with a mustache and by contacting the lateral outer conical surface with the inner conical surface of the collet, mounted axially movable and fixed with a clamping sleeve, the second hollow cone, consisting of elastic sections with strain gauges installed in the region of greatest deformations, is connected to the first hollow cone by a cylindrical ring restricting the movement of the collet, each of the elastic sections is a double beam, placed along the ring, pinched on one side in enney housing bore and, on the other hand in contact with the cylindrical surface silopriemnogo limiting member by a spring ring. The disadvantage of this solution is the complexity of the design, the complexity and duration of calibration of the sensor and measurements, the inability to measure axial displacement.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, за счет избирательного, по всем направлениям пространства, измерения статических или плавно меняющихся перемещений с их последующей оцифровкой.The objective of the invention is to expand the functionality of the device, by selective, in all directions of space, measuring static or smoothly changing movements with their subsequent digitization.

Задача изобретения решается тем, что цифровой многокомпонентный датчик перемещений выполнен следующим образом: упругий корпус датчика выполнен в виде моноблока из композитного материала путем навивки ленты из термопластичного материала с последующей полимеризацией слоев, с размещением в слоях его тензодатчиков деформаций, токопроводящих элементов и контактных групп, смонтированных в слоях корпуса, вышеуказанный моноблок корпуса имеет следующую структуру слоев различающихся по выполняемым функциям в составе корпуса, считая снаружи внутрь, защитный слой, защищающий элементы датчика от воздействия внешней среды, выравнивающий толщину слой, содержащий отверстия и углубления под выступающие части последующего слоя, приборный слой, содержащий тензодатчики, токопроводящие элементы и контактные группы, опорный слой, воспринимающий нагрузку при написании рукописного текста, элемент передачи осевого давления пишущего узла выполнен в виде полого стержня с установленным в нем пишущим узлом и соединен торцом с чувствительным элементом, выполненным в виде упругой мембраны, защемленной в корпусе датчика, причем элемент передачи осевого перемещения пишущего узла выполнен в виде шарика, контактирующего с пьезоэлементом, в качестве которого использован пьезоэлемент прямого эффекта перемещений, причем ось чувствительности пьезоэлемента совпадает с продольной осью датчика, защитный слой корпуса может быть выполнен в виде тонкостенного металлического чехла, скрепленного с композитной оболочкой корпуса, ограничивающего изгибные деформации корпуса.The objective of the invention is solved in that the digital multicomponent displacement sensor is made as follows: the elastic housing of the sensor is made in the form of a monoblock of composite material by winding a tape of thermoplastic material with subsequent polymerization of the layers, with the placement of strain sensors, conductive elements and contact groups mounted in its layers in the layers of the housing, the aforementioned monoblock of the housing has the following structure of layers differing in the functions performed in the housing, counting from the outside inside, a protective layer that protects the sensor elements from the influence of the external environment, a layer leveling the thickness containing holes and recesses for the protruding parts of the subsequent layer, an instrument layer containing strain gauges, conductive elements and contact groups, a support layer that accepts the load when writing handwritten text, element the transmission of the axial pressure of the writing unit is made in the form of a hollow rod with a writing unit installed in it and is connected by an end face with a sensitive element made in the form of an elastic membrane pinched in the sensor housing, wherein the axial displacement transmission element of the writing unit is made in the form of a ball in contact with the piezoelectric element, the piezoelectric element of the direct effect of displacements being used, the axis of sensitivity of the piezoelectric element coinciding with the longitudinal axis of the sensor, the protective layer of the body can be made in the form of a thin-walled a metal case bonded to the composite shell of the housing, limiting the bending deformation of the housing.

На фиг.1 представлен датчик в разрезе, на фиг.2 - элементы корпуса по слоям в увеличенном виде; на фиг.3 - развертка опорного слоя композитной оболочки корпуса по месту расположения тензодатчиков; на фиг.4 - положение датчика при написании текста; на фиг.5 - схема распределения нагрузок при написании текста; на фиг.6 - структурно-функциональная схема устройства.Figure 1 shows the sensor in section, figure 2 - elements of the housing by layers in an enlarged view; figure 3 - scan of the support layer of the composite shell casing at the location of the load cells; figure 4 - position of the sensor when writing text; figure 5 is a diagram of the distribution of loads when writing text; figure 6 is a structural-functional diagram of the device.

Датчик (фиг.1) содержит корпус 1 многослойной конструкции из композитного материала, с крышкой 2, элемент 3 передачи осевой нагрузки, выполненный в виде полого цилиндрического стержня, с размещенным в его внутренней полости пишущим узлом 4. Крышка 2 соединяется с корпусом резьбой. Чувствительным элементом, воспринимающим нагрузки при написании текста, в данной конструкции датчика является упруго-податливая оболочка 5 корпуса 1, снабженная тензодатчиками 6, расположенными в толще между слоями композитной конструкции в зоне наибольших изгибных деформаций. По своим функциональным предназначениям слои корпуса выполняют разные функции. Если рассматривать их последовательно с верхнего наружного слоя внутрь корпуса, то можно ограничиться четырьмя слоями. Наружный слой 7, самый тонкий, выполняет защитную функцию, защищая последующие слои: выравнивающий толщину 12 и приборный 8, содержащий тензодатчики 6 радиальных перемещений, проводящие элементы, контактные группы от повреждений при избыточных нагрузках и неблагоприятного воздействия внешней среды. Этот слой может быть выполнен в виде защитного чехла 9, в виде тонкостенной цилиндрической оболочки, скрепленной с композитным корпусом. Следующим слоем является выравнивающий толщину слой 12, который в конструкции многослойной оболочки корпуса 1 является технологическим элементом. Он содержит технологические отверстия, углубления под выступающие элементы нижележащего слоя 8, защищая элементы этого слоя от технологических повреждений при навивке последующих слоев. Приборный слой 8 является слоем, выполняющим основную функцию датчика, он содержит тензодатчики, проводящие элементы, контактные группы и другие элементы. Выполненный в виде микросхемы на гибкой полимерной пленке 10 (фиг.3) он приклеивается к опорному слою 11, собственно к чувствительному элементу датчика. Последним является опорный слой 11, являющийся собственно чувствительным элементом датчика, он определяет деформационные свойства датчика, ибо его изгибные напряжения при написании рукописного текста определяют чувствительность датчика, его надежность и неизменность характеристик. При написании рукописного текста корпус 1 датчика опирается в точке контакта пишущего узла 4 (А) (фиг.4), в месте зажима корпуса пальцами руки (Б) и в месте опирания корпуса датчика о кисть руки (В). В силовой схеме датчика (фиг.5) его корпус представляет собой консольную балку цилиндрического сечения, нагружаемую со стороны пишущего узла и пальцев руки сосредоточенными радиальными нагрузками при контакте пишущего узла о поверхность листа бумаги или другой поверхности. При написании рукописного текста передача нагрузок от пишущего узла на тонкостенную упругую оболочку корпуса 1, которая выступает в роли чувствительного элемента, происходит через пальцы пользователя, держащего корпус датчика (фиг.4). Тонкостенная оболочка чувствительного элемента упруго деформируется, в зависимости от характера прилагаемой нагрузки, а поэтому каждый датчик 6, включенный в силовую схему корпуса, нагружается по-разному. Для каждого направления радиального перемещения пишущего узла, со смонтированным в конструкцию корпуса тензодатчиком собирается отдельный измерительный полумост, включенный в электрическую схему. Для вывода проводников с тензодатчиков в корпусе используется приборный слой 8, содержащий тензодатчики, проводящие элементы и контактные группы, внутренняя полость с контактными элементами выходит в полость крышки 2 корпуса (на чертежах не показана). Входящая в состав приборного слоя микросхема 10 может, например, обеспечивать обмен данными с отдельной системой, выполняющей автоматическую запись измеряемых перемещений. Для раздельного измерения давления пишущего узла 4 в осевом направлении, в него введен пьезодатчик 13 осевого перемещения, смонтированный в днище упругой мембраны 14, защемленной в задней части корпуса 1. Пьезоэлемент 13 выполнен в виде диска из пьезокерамики с электродами на торцах диска [1, 2]. Электроды пьезодатчика 13 электрически связаны с входом измерительной схемы, а механически посредством полого стержня 3 и шарика 15 - с источниками статической и переменной нагрузок. При преобразовании сигнала осевого перемещения в электрические сигналы использован способ, прямого пьезоэффекта, когда сигнал перемещения воздействует на пьезоэлемент и вызывает изменение электрического сигнала на выходе пьезодатчика. Для этого в конструкции датчика пьезоэлемент 13 предварительно поджат с помощью винта 16 и пружины 17, а измеряемое осевое давление пишущего узла 4 прикладывается через упругую мембрану 14. Пружина 17 с винтом 16 и шариком 15 предназначены для создания первоначального нерабочего усилия в контакте с пьезоэлементом 13 датчика осевого давления. При ввинчивании регулировочного винта 16 прогибается мембрана 14 и создается усилие, пропорциональное перемещению винта 16, от этого усилия в зоне соприкосновения шарика 15 и пьезоэлемента 13 возникает напряжение, пропорциональное предварительному нагружению.The sensor (figure 1) contains a housing 1 of a multilayer composite material construction, with a cover 2, an axial load transmission element 3, made in the form of a hollow cylindrical rod, with a writing unit 4. The cover 2 is connected to the case by a thread. The sensitive element that perceives the load when writing text in this design of the sensor is an elastic-flexible shell 5 of the housing 1, equipped with strain gauges 6 located in the thickness between the layers of the composite structure in the zone of greatest bending deformations. According to their functional purpose, the layers of the casing perform different functions. If we consider them sequentially from the upper outer layer into the body, then we can limit ourselves to four layers. The outer layer 7, the thinnest, performs a protective function, protecting the following layers: leveling thickness 12 and instrument 8, containing strain gauges 6 of radial displacement, conductive elements, contact groups from damage under excessive loads and adverse environmental influences. This layer can be made in the form of a protective cover 9, in the form of a thin-walled cylindrical shell bonded to a composite body. The next layer is the thickness-leveling layer 12, which in the construction of the multilayer shell of the housing 1 is a technological element. It contains technological holes, recesses for the protruding elements of the underlying layer 8, protecting the elements of this layer from technological damage during winding of subsequent layers. The instrument layer 8 is a layer that performs the main function of the sensor, it contains strain gauges, conductive elements, contact groups and other elements. Made in the form of a microcircuit on a flexible polymer film 10 (Fig. 3), it is glued to the support layer 11, in fact, to the sensitive element of the sensor. The last is the support layer 11, which is actually the sensor’s sensitive element, it determines the deformation properties of the sensor, because its bending stresses when writing a handwritten text determine the sensitivity of the sensor, its reliability and invariability of characteristics. When writing handwritten text, the sensor housing 1 is supported at the contact point of the writing unit 4 (A) (Fig. 4), at the place where the housing is clamped with the fingers of the hand (B) and at the place of support of the sensor housing against the wrist (C). In the power circuit of the sensor (Fig. 5), its body is a cantilever beam of cylindrical section, loaded from the side of the writing unit and fingers by concentrated radial loads when the writing unit contacts the surface of a sheet of paper or another surface. When writing handwritten text, the transfer of loads from the writing unit to the thin-walled elastic shell of the housing 1, which acts as a sensitive element, occurs through the fingers of the user holding the sensor housing (Fig. 4). The thin-walled shell of the sensing element is elastically deformed, depending on the nature of the applied load, and therefore, each sensor 6 included in the power circuit of the housing is loaded differently. For each direction of radial movement of the writing unit, with a strain gauge mounted in the housing structure, a separate measuring half-bridge is assembled, which is included in the electrical circuit. To output the conductors from the strain gauges in the housing, an instrument layer 8 is used, containing strain gauges, conductive elements and contact groups, an internal cavity with contact elements extends into the cavity of the cover 2 of the housing (not shown in the drawings). The microcircuit 10, which is part of the instrument layer, can, for example, provide data exchange with a separate system that automatically records the measured displacements. For separate measurement of the pressure of the writing unit 4 in the axial direction, an axial displacement piezosensor 13 is inserted into it, mounted in the bottom of an elastic membrane 14 clamped in the rear of the housing 1. The piezoelectric element 13 is made in the form of a piezoceramic disk with electrodes at the ends of the disk [1, 2 ]. The electrodes of the piezoelectric sensor 13 are electrically connected to the input of the measuring circuit, and mechanically by means of the hollow rod 3 and the ball 15, with sources of static and variable loads. When converting the axial displacement signal into electrical signals, the direct piezoelectric effect method is used, when the displacement signal acts on the piezoelectric element and causes a change in the electric signal at the output of the piezoelectric transducer. To do this, in the design of the sensor, the piezoelectric element 13 is preloaded with a screw 16 and a spring 17, and the measured axial pressure of the writing unit 4 is applied through an elastic membrane 14. A spring 17 with a screw 16 and a ball 15 are designed to create an initial idle force in contact with the piezoelectric element 13 axial pressure. When the adjusting screw 16 is screwed in, the membrane 14 bends and a force is created proportional to the movement of the screw 16; from this force, a voltage proportional to the preload occurs in the contact area of the ball 15 and the piezoelectric element 13.

Устройство работает следующим образом. После сборки в единое устройство происходит настройка измерительной аппаратуры и тарировка тензодатчиков 6 изгибных напряжений и пьезодатчика 13 осевого давления пишущего узла 4. Индивидуальная тарировка датчика каждого направления позволяет устранить погрешность измерений из-за технологических погрешностей изготовления композитного корпуса и отклонения параметров тензо- и пьезоэлементов. Каждый канал измерений тарируется индивидуально. Пьезодатчик 13 нагружается с помощью винта 16 предварительного нагружения. При совместном ввинчивании винта 16 и крышки 2 корпуса осевая нагрузка передается через шарик 15 на пьезоэлемент и мембрану 14, прогибается упругая мембрана 14, ее прогиб фиксируется регистрирующим прибором, уровень нагружения пьезоэлемента 13 определяется сжатием пружины 17. Так фиксируется степень предварительного нагружения датчика осевого давления пишущего узла. Устройство по всем направлениям радиальных перемещений работает идентично, поэтому подробно рассмотрим его работу в направлении одной силочувствительной оси (плоскость чертежа на фиг.5). При перемещении пишущего узла 4 датчика, связанного посредством контакта с плоскостью листа бумаги или любой ровной поверхности при написании произвольного текста, например, в вертикальном направлении, оболочка корпуса 1 упруго изгибается, при этом тензодатчики 6, включенные в силовую схему оболочки и находящиеся в зоне наибольших изгибных деформаций деформируются по-разному, в зависимости от места нахождения датчика на образующей оболочки опорного слоя 11. Тензодатчики 6 реагируют на этот изгиб изменением сопротивления и соответствующим изменением выходного напряжения в измерительной диагонали полумоста, которое регистрируется прибором. При написании текста, в зависимости от особенностей почерка, погружение тензодатчиков 6 изгибных деформаций упругого корпуса 11 и пьезодатчика 13 осевого давления пишущего узла вызывает появление электрических сигналов на входе в электрическую схему устройства. Электрический сигнал по каждому каналу усиливается в многоканальном тензоусилителе 18 типа «Топаз-3(4)» и попадает на вход фильтра 19, в котором подавляются высокочастотные помехи. Электрический сигнал с выхода фильтра подается на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 20, в котором происходит оцифровка полезного сигнала с необходимой дискретностью во времени. Оцифрованный сигнал поступает на микроконтрол-лер21 и далее посредством преобразователя интерфейса (UART/RS-485) 22 на ПЭВМ 23 для создания массива данных в цифровой форме для последующей обработки.The device operates as follows. After assembly into a single device, the measuring equipment is set up and the strain gauges 6 bending stresses are calibrated and the axial pressure piezoelectric transducer 13 of the recording unit 4. The individual calibration of the sensor in each direction eliminates measurement errors due to technological errors in the manufacture of the composite housing and deviations in the parameters of the tensor and piezoelectric elements. Each measurement channel is individually calibrated. The piezosensor 13 is loaded using the screw 16 pre-loading. When the screw 16 and the housing cover 2 are screwed together, the axial load is transmitted through the ball 15 to the piezoelectric element and membrane 14, the elastic membrane 14 bends, its deflection is recorded by the recording device, the loading level of the piezoelectric element 13 is determined by compression of the spring 17. Thus, the degree of preloading of the writing axial pressure sensor is recorded node. The device in all directions of radial movements works identically, therefore, we will consider in detail its operation in the direction of one force-sensitive axis (drawing plane in FIG. 5). When moving the writing unit 4 of the sensor, connected by contact with the plane of a sheet of paper or any flat surface when writing arbitrary text, for example, in the vertical direction, the shell of the housing 1 is elastically bent, while the strain gauges 6 included in the power circuit of the shell and located in the zone of greatest bending deformations are deformed differently, depending on the location of the sensor on the generatrix of the shell of the support layer 11. The strain gauges 6 respond to this bend by changing the resistance and, accordingly, m by changing the output voltage in the measuring diagonal of the half-bridge, which is recorded by the device. When writing a text, depending on the characteristics of the handwriting, the immersion of the strain gauges 6 bending deformations of the elastic body 11 and the piezoelectric sensor 13 of the axial pressure of the writing unit causes the appearance of electrical signals at the entrance to the electrical circuit of the device. The electrical signal for each channel is amplified in a multi-channel strain amplifier 18 of the type "Topaz-3 (4)" and enters the input of the filter 19, in which high-frequency noise is suppressed. An electrical signal from the filter output is fed to the input of an analog-to-digital converter (ADC) 20, in which the useful signal is digitized with the necessary discreteness in time. The digitized signal is fed to the microcontroller 21 and then through the interface converter (UART / RS-485) 22 to the PC 23 to create a digital data array for further processing.

Техническая реализуемость изобретения. Для изготовления корпуса датчика с включенными в его конструкцию датчиками, токопроводящими элементами, контактными группами, выполненными в виде гибкой микросхемы используется следующий технологический процесс [3]. В операциях этого процесса спиральной намоткой на оправку ленты из полимерного материала изготавливается опорный слой 11 корпуса. К примеру, ленту шириной 40 мм и толщиной 0,30 мм из полиэфирной ткани предварительно пропитывают с помощью каландра, валки которого нагреты до температуры 130°C термопластичным полимерным материалом - суспензионным поливинилхлоридом по ГОСТ 14332-78. Перед пропиткой поливинилхлорид нагревают до температуры 120°C и смешивают с 3% диактилфталата по ГОСТ 8729-88 и 0,5% стеарата бария марки С-17 ТУ 6-09-4803-79. Полимерный материал разогревается и после прохождения ленты под прижимным роликом осуществляется сварка соседних, контактирующих витков ленты. Сварку ведут при следующих параметрах - частота ультразвуковых колебаний 23 кГц, мощность - 120 Вт. После навивки и полимеризации опорного слоя 11 корпуса, обеспечивающего необходимую прочность и жесткость производится ручная укладка термопластичной пленки 10 [4], содержащей тензодатчики 6, токопроводящие элементы и контактные группы, прикрепленные к одной из поверхностей пленки 10, выполненной в виде гибкой микросхемы и выравнивающий толщину слой 12. Выравнивающий толщину слой 12 покрывает гибкую пленку 10 вокруг микросхемы, содержащей тензодатчики, токопроводящие элементы и контактные элементы. Слой, содержащий электронные компоненты может, например, включать интегральные схемы, такие как микропроцессоры или микроконтроллеры, катушки, аккумуляторы и др. Толщина пленки, содержащей электронные компоненты, достигает 30-50 мкм. После полимеризации получается многослойная композитная трубка - заготовка корпуса, содержащая необходимые приборные компоненты, монолитизированные в слое корпуса. После этого корпус снимается с оправки и обрабатывается точением. Во внутреннюю полость корпуса вставляют стержень с пишущим узлом, а сам корпус помещается в защитный чехол, который снабжен крышкой. Предлагаемое техническое решение обладает рядом преимуществ, обеспечивающих положительный эффект:Technical feasibility of the invention. For the manufacture of the sensor housing with sensors included in its design, conductive elements, contact groups made in the form of a flexible microcircuit, the following technological process is used [3]. In the operations of this process, the support layer 11 of the housing is made by spiral winding on a mandrel of a tape from a polymer material. For example, a tape 40 mm wide and 0.30 mm thick made of polyester fabric is pre-impregnated with a calender whose rolls are heated to a temperature of 130 ° C with a thermoplastic polymer material - suspension polyvinyl chloride in accordance with GOST 14332-78. Before impregnation, the polyvinyl chloride is heated to a temperature of 120 ° C and mixed with 3% diactyl phthalate according to GOST 8729-88 and 0.5% barium stearate grade S-17 TU 6-09-4803-79. The polymeric material is heated and after passing the tape under the pressure roller, adjacent adjacent contacting turns of the tape are welded. Welding is carried out with the following parameters - the frequency of ultrasonic vibrations 23 kHz, power - 120 watts. After winding and polymerization of the support layer 11 of the housing, providing the necessary strength and rigidity, the thermoplastic film 10 [4] is manually laid containing strain gauges 6, conductive elements and contact groups attached to one of the surfaces of the film 10, made in the form of a flexible microcircuit and leveling the thickness layer 12. A thickness-leveling layer 12 covers a flexible film 10 around a microcircuit containing strain gauges, conductive elements, and contact elements. A layer containing electronic components may, for example, include integrated circuits, such as microprocessors or microcontrollers, coils, batteries, etc. The thickness of the film containing electronic components reaches 30-50 microns. After polymerization, a multilayer composite tube is obtained — a shell blank containing the necessary instrument components monolitized in the shell layer. After that, the body is removed from the mandrel and processed by turning. A rod with a writing unit is inserted into the internal cavity of the housing, and the housing itself is placed in a protective case, which is equipped with a cover. The proposed technical solution has several advantages that provide a positive effect:

- позволяет создать малогабаритное устройство в виде пишущей ручки;- allows you to create a small-sized device in the form of a writing pen;

- позволяет снимать характеристики перемещения пишущего узла при написании рукописного текста для последующей статистической обработки;- allows you to take the characteristics of the movement of the writing unit when writing handwritten text for subsequent statistical processing;

- по сравнению с прототипом обладает большей надежностью, так как в монолитном многослойном корпусе датчики защищены от неблагоприятных. условий внешней среды, кроме этого при изготовлении корпуса в его слоях может быть размещено избыточное количество датчиков, которые, при необходимости могут быть перестроены.- Compared with the prototype, it has greater reliability, since in a monolithic multilayer case, the sensors are protected from adverse. environmental conditions, in addition, in the manufacture of the housing in its layers can be placed an excessive number of sensors, which, if necessary, can be rebuilt.

Таким образом, в расширении функциональных возможностей устройства за счет избирательного, по всем направлениям пространства, измерения перемещений пишущего узла с их последующей оцифровкой конкретно выражается положительный эффект предлагаемого устройства.Thus, in expanding the functionality of the device due to the selective, in all directions of space, measuring the movements of the writing unit with their subsequent digitization, the positive effect of the proposed device is specifically expressed.

Источники информацииInformation sources

1. Фесенко Е.Г. и др. Новые пьезокерамические материалы. - Ростов на Дону: изд. Ростовского ГУ, 1983. - с.18.1. Fesenko E.G. et al. New piezoceramic materials. - Rostov on Don: ed. Rostov State University, 1983. - p. 18.

2. Пьезоэлектрический преобразователь (RU №2189668 от 20.09.2002 H01L 41/08).2. Piezoelectric transducer (RU No. 2189668 from 09.20.2002 H01L 41/08).

3. Способ изготовления изогнутых деталей из термопластичного композиционного материала (RU №2431566 от 20.10.2011 B29C 70/50).3. A method of manufacturing curved parts from a thermoplastic composite material (RU No. 2431566 from 10.20.2011 B29C 70/50).

4. Ламинирующая пленка со встроенной микросхемой (RU №2429975 от 27.09.2011 B32B 27/04, C08J 5/12, H01L 21/70).4. Lamination film with an integrated microcircuit (RU No. 2429975 dated 09/27/2011 B32B 27/04, C08J 5/12, H01L 21/70).

Claims (2)

1. Цифровой многокомпонентный датчик перемещений, содержащий корпус, пишущий узел, чувствительный элемент с датчиками перемещений, включенными в электрическую схему, отличающийся тем, что упругий корпус датчика выполнен в виде моноблока из композитного материала путем навивки ленты из термопластичного материала с последующей полимеризацией слоев, с размещением в слоях его тензодатчиков деформаций, токопроводящих элементов и контактных групп, смонтированных в слоях корпуса, вышеуказанный моноблок корпуса имеет следующую структуру слоев различающихся по выполняемым функциям в составе корпуса, считая снаружи внутрь, защитный слой, защищающий элементы датчика от воздействия внешней среды, выравнивающий толщину слой, содержащий отверстия и углубления под выступающие части последующего слоя, приборный слой, содержащий тензодатчики, токопроводящие элементы и контактные группы, опорный слой, воспринимающий нагрузку при написании рукописного текста, элемент передачи осевого давления пишущего узла выполнен в виде полого стержня с установленным в нем пишущим узлом и соединен торцом с чувствительным элементом, выполненным в виде упругой мембраны, защемленной в корпусе датчика, причем элемент передачи осевого перемещения пишущего узла выполнен в виде шарика, контактирующего с пьезоэлементом, в качестве которого использован пьезоэлемент прямого эффекта перемещений, причем ось чувствительности пьезоэлемента совпадает с продольной осью датчика.1. Digital multicomponent displacement sensor containing a housing, a writing unit, a sensing element with displacement sensors included in the electrical circuit, characterized in that the elastic housing of the sensor is made in the form of a monoblock of composite material by winding a tape of thermoplastic material with subsequent polymerization of the layers, with placing deformation strain gauges, conductive elements and contact groups mounted in the layers of the housing in the layers of its strain sensors, the aforementioned monoblock of the housing has the following structure ev varying in their functions within the housing, counting from the outside to the inside, a protective layer that protects the sensor elements from environmental influences, a layer that evens the thickness, containing holes and recesses for the protruding parts of the subsequent layer, an instrument layer containing strain gauges, conductive elements and contact groups, the supporting layer, which takes the load when writing handwritten text, the axial pressure transmission element of the writing unit is made in the form of a hollow rod with a writing unit installed in it and connected an end face with a sensing element made in the form of an elastic membrane pinched in the sensor housing, the axial displacement transmission element of the writing unit being made in the form of a ball in contact with the piezoelectric element, the piezoelectric element of the direct effect of displacements being used, the sensitivity axis of the piezoelectric element coinciding with the longitudinal axis sensor. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что защитный слой корпуса выполнен в виде тонкостенного металлического чехла, скрепленного с композитной оболочкой корпуса и ограничивающего изгибные деформации корпуса. 2. The sensor according to claim 1, characterized in that the protective layer of the housing is made in the form of a thin-walled metal cover bonded to the composite shell of the housing and limiting the bending deformation of the housing.

Images