RU2661456C1 - Method and device of tensoelectric transformation - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: use for creating tensoelectric pressure measuring devices of contact type. Essence of the invention is that the method of tensoelectric transformation of stress-strain state of strain-sensitive arm consists of in measurement by bridge method of changing electrical resistance of thin metal film deposited on elastic dielectric layer, while simultaneously measuring change in electrical capacitance between adjacent thin metal films planarly free with respect to each other and separated by dielectric layers.

EFFECT: increase in accuracy and sensitivity of transformation of stress-strain states of strain-sensitive console.

3 cl, 5 dwg

Description

Заявленное изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензометрическим средствам измерений и датчикам давления контактного типа, для анализа стационарных и динамических напряженно-деформированных состояний тензочувствительной консоли вследствие воздействия на нее физических величин (линейных перемещений, изгибных и крутящих моментов, механических колебаний, скоростного напора газовых или жидкостных потоков и др.), преобразуемых в электрический сигнал.The claimed invention relates to measuring equipment, in particular to tensometric measuring instruments and pressure sensors of the contact type, for the analysis of stationary and dynamic stress-strain states of a strain-sensitive console due to the influence of physical quantities (linear displacements, bending and torques, mechanical vibrations, speed pressure gas or liquid flows, etc.), converted into an electrical signal.

Может быть применено в робототехнике при анатомической параметризации дистальной части конечностей антропоморфных робототехнических систем в качестве сенсорных средств тактильного и силомоментного типа, в аэро- или гидродинамике для измерений скоростных напоров воздушных или жидкостных потоков, а также в эластомерных изделиях в качестве средств диагностики состояния.It can be used in robotics for the anatomical parametrization of the distal part of the extremities of anthropomorphic robotic systems as tactile and torque-type sensing devices, in aero- or hydrodynamics for measuring high-speed heads of air or liquid flows, and also in elastomeric products as a means of diagnosing a condition.

Известны электрические методы тензометрии, основанные на измерении напряженно-деформированного состояния компонента, элемента или конструкции в целом, путем измерения электрических параметров материала (сопротивления, емкости, индуктивности) или генерирующих напряжение (пьезоэлектрических) тензодатчика при его механическом нагружении [Интернет-сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/. Тензометрия.].Known electrical methods of strain measurement, based on measuring the stress-strain state of a component, element or structure as a whole, by measuring the electrical parameters of the material (resistance, capacitance, inductance) or voltage-generating (piezoelectric) strain gauge during its mechanical loading [Internet site: https: //ru.wikipedia.org/wiki/. Strain measurement.].

Наиболее широкое применение получил тензорезистивный метод, основанный на деформации (в том числе изгибной) электропроводящих материалов (металлов, тонких металлических пленок, полупроводников) и изменении их удельных электрических сопротивлений [Мехеда В.А. Тензометрический метод измерения деформаций. Учебное пособие. - Самара: Изд-во Самарского государственного аэрокосмического университета, 2011. - 56 с.]. В качестве проводящих материалов обычно используются тонкие металлические пленки, напыленные на гибкую диэлектрическую подложку. В последнее время находят применение полупроводниковые и пьезоэлектрические датчики. При этом, имея высокую чувствительность, они непригодны для измерений статических деформаций и существенно проигрывают в этом тензорезистивным датчикам, выполненным в виде металлических тонких пленок (фольги). Последние имеют широкое применение в тензометрических средствах измерений и анализа стационарных и динамических напряженно-деформированных состояний. При воздействии на них физических величин напряженно-деформируемые состояния тензочувствительного элемента преобразуются в электрические сигналы.The most widespread use was the strain-resistance method, based on the deformation (including bending) of electrically conductive materials (metals, thin metal films, semiconductors) and the change in their specific electrical resistances [V. Mekheda. Strain-strain method for measuring strain. Tutorial. - Samara: Publishing house of the Samara State Aerospace University, 2011. - 56 p.]. Thin metal films sprayed onto a flexible dielectric substrate are typically used as conductive materials. Recently, semiconductor and piezoelectric sensors are used. Moreover, having high sensitivity, they are unsuitable for measuring static deformations and significantly lose in this with strain gauge sensors made in the form of thin metal films (foils). The latter are widely used in tensometric measuring instruments and analysis of stationary and dynamic stress-strain states. When physical quantities are exposed to them, the stress-strain states of the strain-sensing element are converted into electrical signals.

В качестве измерителей параметров таких элементов являются мостовые методы измерений, обладающие большой точностью, высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых значений, возможностью создания как специализированных приборов, предназначенных для измерения какой-либо одной величины, так и универсальных приборов с ручным уравновешиванием или автоматических с цифровым отсчетом [Измерения в электронике. Справочник. В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 197-200].As measuring instruments for the parameters of such elements are bridge measurement methods with high accuracy, high sensitivity, a wide range of measured values, the ability to create both specialized instruments designed to measure any one value, and universal instruments with manual balancing or automatic with digital readout [Measurements in electronics. Directory. V.A. Kuznetsov, V.A. Dolgov, V.M. Konevskikh et al. Ed. V.A. Kuznetsova. M .: Energoatomizdat, 1987, p. 197-200].

Уравновешивание по двум параметрам для мостов переменного тока обеспечивает достижение частотно-независимого состояния равновесия моста при сколь угодно малом пороге чувствительности нуль-индикатора. Благодаря этому расширились функциональные возможности мостов: они стали применимыми для раздельного измерения по двухэлементной схеме замещения электрических двухполюсников, а при использовании частотно-независимого состояния равновесия стали обладать наивысшими метрологическими свойствами [Панфилов В.А. Электрические измерения. - Академия, 2006; Дугушкин С.Н. Мосты переменного тока для измерения параметров трехэлементных двухполюсников. Автореферат диссертации к.т.н.: специальность 05.11.01. Ульяновск, 2005 г.].Balancing in two parameters for AC bridges ensures the achievement of a frequency-independent state of equilibrium of the bridge with an arbitrarily small threshold sensitivity of the null indicator. Due to this, the functional capabilities of the bridges expanded: they became applicable for separate measurement using a two-element equivalent circuit of electric two-terminal devices, and when using a frequency-independent equilibrium state they began to have the highest metrological properties [Panfilov V.A. Electrical measurements. - Academy, 2006; Dugushkin S.N. AC bridges for measuring the parameters of three-element two-terminal devices. Abstract of the dissertation Ph.D.: specialty 05.11.01. Ulyanovsk, 2005].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ тензоэлектрического преобразования напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя тензочувствительного элемента [Интернет-сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/… Тензометрия], заключающийся в измерении мостовым методом электрического сопротивления тензорезистора, выполненного в виде тонкой металлической пленки, нанесенной на упругий диэлектрический слой. Регистрация и обработка сигналов, в том числе, цифровая, в реальном масштабе времени и с возможностью визуализации напряженно-деформируемых состояний на экранах мониторов или графических дисплеев, осуществляется посредством измерительного сбалансированного моста, питаемого от источника постоянного напряжения. При этом мост уравновешивается так, чтобы в отсутствие приложенной силы на тензочувствительном элементе напряжение на измерительной диагонали равнялось нулю. Следовательно, при приложении силы изменяемое сопротивление будет определяться по значению тока гальванометра. Возможны разные варианты включения тензорезисторов в четверть-, полу- или полномостовые измерительные схемы [Измерения в электронике. Справочник. В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 197-200].The closest in technical essence and the achieved result is a method of strain-electric transformation of the stress-strain state of the surface layer of a strain-sensing element [Website: https://ru.wikipedia.org/wiki/…. Strain measurement], which consists in measuring the electrical resistance of a strain gauge by the bridge method, made in the form of a thin metal film deposited on an elastic dielectric layer. The registration and processing of signals, including digital, in real time and with the ability to visualize stress-strain states on the screens of monitors or graphic displays, is carried out by means of a balanced measuring bridge powered by a constant voltage source. In this case, the bridge is balanced so that in the absence of applied force on the strain gauge element, the voltage on the measuring diagonal is zero. Therefore, when a force is applied, the variable resistance will be determined by the current value of the galvanometer. There are various options for including strain gauges in quarter-, half- or full-bridge measuring circuits [Measurements in Electronics. Directory. V.A. Kuznetsov, V.A. Dolgov, V.M. Konevskikh et al. Ed. V.A. Kuznetsova. - M .: Energoatomizdat, 1987, p. 197-200].

Наиболее близким к устройству по технической реализации является тензорезистивный преобразователь [Спирин А.Е., Спирин Е.А., Крылов А.И. Патент RU 2586259, Тензорезистивный преобразователь. 2016 г.], содержащий тензочувствительную консоль, выполненную в виде симметричной или ассиметричной сэндвич-структуры, состоящей из двух и более планарно свободных и собранных воедино в заделке упругих диэлектрических слоев разной длины, на больший из которых (коренной слой) с одной или с двух сторон нанесены тензорезисторы, выполненные в виде тонких металлических пленок, измерительный мост, плечи которого соединены с тензорезисторами в четверть-, полу- или полномостовую схему, и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста. Такая тензочувствительная консоль с переменной площадью сечения обладает качеством тела, равного сопротивлению изгибу. Под действием силы, приложенной к незакрепленному концу тензорезистивного преобразователя, упругая подложка изгибается. Тензочувствительные слои, расположенные на одной стороне подожки, растягиваются, а на другой - сжимаются. При этом изгибная жесткость на каждом участке в сечении сэндвич-структуры тензорезистивного преобразователя различна: минимальна на свободном конце (наиболее гибкая, так как определяется жесткостью одного (коренного) упругого диэлектрического слоя) и максимальна вблизи защемления (определяется суммарной жесткостью всех упругих слоев). Такое изготовление тензочувствительной консоли существенно расширяет динамический диапазон тензорезистивного преобразователя напряженно-деформированных состояний в электрический сигнал.Closest to the device for technical implementation is a strain gauge converter [Spirin A.E., Spirin EA, Krylov A.I. Patent RU 2586259, Resistive strain gauge. 2016], containing a strain-sensitive console made in the form of a symmetric or asymmetric sandwich structure, consisting of two or more planar-free and assembled together to seal elastic dielectric layers of different lengths, the larger of which (the root layer) with one or two the sides are coated with strain gauges made in the form of thin metal films, a measuring bridge, the shoulders of which are connected to the strain gauges in a quarter-, half- or full-bridge circuit, and an indicator included in the measuring diagonal of the bridge. Such a strain-sensitive cantilever with a variable cross-sectional area has a body quality equal to bending resistance. Under the action of a force applied to the loose end of the strain gauge transducer, the elastic substrate bends. Strain-sensitive layers located on one side of the gun are stretched and compressed on the other. In this case, the bending stiffness in each section in the cross section of the sandwich structure of the strain gauge transducer is different: it is minimal at the free end (the most flexible, since it is determined by the rigidity of one (root) elastic dielectric layer) and is maximum near pinching (determined by the total stiffness of all elastic layers). Such manufacture of a strain-sensitive console significantly expands the dynamic range of the strain-resistant transducer of stress-strain states into an electrical signal.

Наличие одного изменяемого и измеряемого тензоэлектрического параметра - электрического сопротивления (тензорезистора) в одном или двух или четырех плечах мостовой измерительной схемы препятствует расширению функциональных возможностей мостовых методов измерения, в частности на переменном токе.The presence of one variable and measurable tensoelectric parameter - electrical resistance (strain gauge) in one or two or four arms of the bridge measurement circuit prevents the expansion of the functionality of bridge measurement methods, in particular with alternating current.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей тензоэлектрических преобразователей и при ее осуществлении может быть получен следующий технический результат - повышение точности и чувствительности преобразования мостовым методом переменного тока напряженно-деформированных состояний тензочувствительной консоли за счет одновременного двупараметрического измерения измерительным мостом переменного тока изменяемых активного и реактивного сопротивлений соответственно тензорезистора и емкости межслоевых компонентов сэндвич-структуры. При этом мерой последней может быть тангенс угла диэлектрических потерь или сдвиг фаз.The aim of the invention is to expand the functionality of strain gauges and the following technical result can be obtained - increasing the accuracy and sensitivity of the bridge method of alternating current of the stress-strain state of the strain-sensing console due to the simultaneous two-parameter measurement of the alternating current and alternating resistances, respectively, of the strain gage by the measuring bridge of the alternating current and capacities of interlayer compo ENTOV sandwich structure. In this case, the measure of the latter may be the dielectric loss tangent or phase shift.

Технический результат достигается тем, что в известных способах тензоэлектрического преобразования напряженно-деформируемые состояния тензочувствительных элементов (мембранного, балочного, консольного или кантилеверного типов) преобразуются в изменение электрических параметров материалов, или сопротивление, или емкость, или индуктивность [Интернет-сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/… Тензометрия]. В частности, в тензорезисторах изменяется электрическое (удельное) сопротивление поверхностного слоя тонкой металлической пленки, нанесенной на упругий диэлектрический слой; в емкостных тензометрах изменяется электрическая емкость конденсатора, образуемого между его пластинами-обкладками от величины зазора (толщины d, межэлектродного расстояния).The technical result is achieved by the fact that in the known methods of tensoelectric conversion, the stress-strain states of strain-sensitive elements (membrane, beam, cantilever or cantilever types) are converted into changes in the electrical parameters of materials, or resistance, or capacitance, or inductance [Internet site: https: / /ru.wikipedia.org/wiki/... Strain measurement]. In particular, in the strain gauges, the electrical (specific) resistance of the surface layer of a thin metal film deposited on an elastic dielectric layer changes; In capacitive strain gauges, the electric capacitance of the capacitor formed between its plates-plates changes from the gap size (thickness d, interelectrode distance).

Технический результат в известном устройстве достигается тем, что устройство содержит [Спирин А.Е., Спирин Е.А., Крылов А.И. Патент RU 2586259, Тензорезистивный преобразователь. 2016 г.]: тензочувствительную консоль, выполненную в виде симметричной или ассиметричной сэндвич-структуры, состоящей из двух и более планарно свободных и собранных воедино в заделке упругих диэлектрических слоев одинаковой или разной длины, на больший из которых с одной или с двух сторон нанесены тензорезисторы в виде тонких металлических пленок, измерительный мост, плечи которого соединены с тензорезисторами в четверть-, полу- или полномостовую схему, и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста.The technical result in the known device is achieved by the fact that the device contains [Spirin A.E., Spirin EA, Krylov A.I. Patent RU 2586259, Resistive strain gauge. 2016]: a strain-sensitive console made in the form of a symmetric or asymmetric sandwich structure, consisting of two or more planar-free and assembled into a seal of elastic dielectric layers of the same or different lengths, on the larger of which strain gages are applied on one or both sides in the form of thin metal films, a measuring bridge, the shoulders of which are connected to the strain gauges in a quarter-, half- or full-bridge circuit, and an indicator included in the measuring diagonal of the measuring bridge.

Признаком, отличающим изобретение от прототипа по способу, является то, что одновременно с измерением изменения электрического сопротивления тензорезистора измеряют электрическую емкость, образованную между смежными тонкими металлическими пленками - электродами, разделенными диэлектрическими слоями, планарно свободными относительно друг друга, но собранными воедино в заделке. При этом изменение емкости при напряженно-деформированном состоянии осуществляется за счет изменения перекрытия площади электродов. А при больших деформациях на изгиб и при выполнении тензочувствительной консоли в виде ассиметричной сэндвич-структуры изменение емкости осуществляется как за счет изменения перекрытия площади электродов, так и за счет изменения межэлектродного расстояния при отрыве смежных тонких металлических слоев - электродов друг от друга.A feature that distinguishes the invention from the prototype according to the method is that at the same time as measuring the change in the electrical resistance of the strain gauge, the electric capacitance formed between adjacent thin metal films - electrodes separated by dielectric layers, planar free relative to each other, but assembled together in a seal is measured. In this case, a change in capacitance under a stress-strain state is carried out by changing the overlapping area of the electrodes. And with large deformations in bending and when performing a strain-sensitive console in the form of an asymmetric sandwich structure, a change in capacitance is carried out both by changing the overlapping area of the electrodes, and by changing the interelectrode distance when the adjacent thin metal layers - electrodes are separated from each other.

Признаком, отличающим изобретение от прототипа по устройству, является введение по меньшей мере одного и более электродов, выполненных в виде тонких металлических пленок, нанесенных на планарно свободные диэлектрические слои и образующих между ними электрические емкости, включенные последовательно или параллельно с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока. Кроме того, тонкие металлические пленки как электродов, так и тензорезисторов могут быть выполнены фигурными в виде меандра, гребенки или спирали. Это дополнительно увеличивает изменение электрической емкости при деформации изгиба за счет изменения - уменьшения или увеличения площади перекрытия электродов при планарном смещении всех слоевых компонентов сэндвич-структуры.A sign that distinguishes the invention from the prototype in the device is the introduction of at least one or more electrodes made in the form of thin metal films deposited on planar-free dielectric layers and forming electric capacitance between them, connected in series or in parallel with strain gauges or in adjacent arms of the measuring AC bridge. In addition, thin metal films of both electrodes and strain gauges can be made curly in the form of a meander, comb or spiral. This additionally increases the change in electric capacitance during bending deformation due to a change — a decrease or increase in the area of overlapping of the electrodes during planar displacement of all layer components of the sandwich structure.

Известно техническое решение для получения переменной емкости конденсаторов путем изменения площади перекрытия вращающихся друг относительно друга пластинчатых электродов. На этом принципе в системе роторных и статорных пластин построена работа воздушных конденсаторов переменной емкости [Справочник по электрическим конденсаторам. М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др.; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1983].A technical solution is known for obtaining a variable capacitance of capacitors by changing the overlap area of plate electrodes rotating relative to each other. On this principle, in the system of rotor and stator plates, the work of air capacitors of variable capacity is built [Reference on electric capacitors. M.N. Dyakonov, V.I. Karabanov, V.I. Prisnyakov et al .; Under the total. ed. I.I. Chetvertkova and V.F. Smirnova. - M .: Radio and communication, 1983].

Признаком, характеризующим данное изобретение, наряду с одновременным измерением мостовым методом двух изменяемых параметров активного и реактивного сопротивлений при деформации тензочувствительной консоли на изгиб, является изменение электрических емкостей за счет уменьшения или увеличения площади перекрытия тонких металлических пленок электродов и/или тензорезисторов при планарном смещении относительно друг друга всех слоевых компонентов сэндвич-структуры. Эффект достигается за счет того, что один конец тензочувствительной консоли находится в защемлении (в заделке), а другой свободный.A characteristic of this invention, along with the simultaneous measurement by the bridge method of two variable parameters of active and reactive resistance during bending of the strain-sensitive console, is a change in electrical capacitances due to a decrease or increase in the overlap area of thin metal films of electrodes and / or strain gauges with planar displacement relative to each other a friend of all the sandwich structure layer components. The effect is achieved due to the fact that one end of the strain-sensitive console is jammed (sealed), and the other is free.

Полученный при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение точности и чувствительности преобразования напряженно-деформируемых состояний тензочувствительной консоли, достигается за счет одновременного измерения мостом переменного тока изменения электрического сопротивления тонкой металлической пленки и электрической емкости (тангенса угла диэлектрических потерь или сдвига фаз) межслоевых компонентов сэндвич-структуры. За счет введения, по меньшей мере, одного и более электродов, выполненных в виде тонких металлических пленок, нанесенных на планарно свободные диэлектрические слои, между ними образуются тензоконденсаторы с изменяемыми электрическими емкостями, которые включены последовательно или параллельно с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока. При этом изменение электрической емкости тензоконденсатора достигается изменением площади перекрытия тонких металлических пленок электродов и/или тензорезисторов, разделенных диэлектрическими слоями, при работе тензочувствительной консоли на изгиб.The technical result obtained by carrying out the invention, namely, increasing the accuracy and sensitivity of the conversion of stress-strain states of a strain-sensitive console, is achieved by simultaneously measuring the change in electrical resistance of a thin metal film and electrical capacitance (the dielectric loss tangent or phase shift) of the sandwich interlayer components structures. Due to the introduction of at least one or more electrodes made in the form of thin metal films deposited on planar-free dielectric layers, tensocapacitors with variable electric capacitances are formed between them, which are connected in series or in parallel with strain gauges or in adjacent shoulders of a variable measuring bridge current. In this case, a change in the electric capacitance of the strain gauge is achieved by changing the overlap area of the thin metal films of the electrodes and / or strain gauges separated by dielectric layers during bending of the strain-sensitive console.

Сущность способа и устройства тензоэлектрического преобразования поясняется принципом действия тензочувствительной консоли, показанной на фигурах 1-5. На фиг. 1 и 2 изображено устройство тензочувствительной консоли в продольном сечении и вид сверху при отсутствии изгиба. На фиг. 3 и 4 показано продольное сечение фрагмента тензочувствительной консоли при ее изгибе и ее планарная развертка соответственно. На фиг. 5 дополнительно показано продольное сечение фрагмента тензочувствительной консоли при противоположных f и F изгибных воздействиях и выполнении смежных электродов со смещением в планарной плоскости.The essence of the method and device of the strain-electrical conversion is illustrated by the principle of action of the strain-sensing console, shown in figures 1-5. In FIG. 1 and 2 depict the device of the strain-sensitive console in longitudinal section and a top view in the absence of bending. In FIG. Figures 3 and 4 show a longitudinal section of a fragment of a strain-sensitive cantilever during its bending and its planar scan, respectively. In FIG. 5 additionally shows a longitudinal section of a fragment of the strain-sensitive cantilever under opposite bending influences f and F and performing adjacent electrodes with displacement in the planar plane.

Тензочувствительная консоль содержит: 1 - заделку - основание с жестким защемлением; 2 - планарно свободные упругие диэлектрические слои, выполненные из тонкопленочного полимера, имеющие одинаковую ширину, одинаковые или разные длины, на больший из которых с одной или с двух сторон нанесены один, два или четыре тензорезистора 3 в виде тонких металлических пленок; 4 - электроды, выполненные из тонких металлических пленок планарно сплошных или фигурных в виде спирали, меандра или гребенки (как показано на фигурах), состоящей из i=1, 2 … n гребней - компонентов, с постоянной или переменной скважностью; 5 - электрические емкости C_i (тензоконденсаторы), образованные между соответствующими компонентами смежных тонких металлических пленок, разделенных диэлектрическими слоями, планарно свободными относительно друг друга, но собранными воедино в заделке 1.The strain-sensitive console contains: 1 - termination - the base with rigid jamming; 2 - planar free elastic dielectric layers made of thin-film polymer having the same width, the same or different lengths, on the larger of which one, two or four strain gages 3 are applied in the form of thin metal films; 4 - electrodes made of thin metal films planar continuous or figured in the form of a spiral, meander or comb (as shown in the figures), consisting of i = 1, 2 ... n ridges - components with constant or variable duty cycle; 5 - electric capacitances C _i (strain capacitors) formed between the corresponding components of adjacent thin metal films separated by dielectric layers, planar free relative to each other, but assembled together in seal 1.

Принцип действия четырехплечего моста переменного тока и схемы включения активных и реактивных сопротивлений в его плечи описаны в методике поверки [ГОСТ 8.686-2009. Мосты переменного тока уравновешенные. Методика поверки. - М.: Стандартинформ, 2011]. Поскольку схемы мостов переменного тока отличаются большим разнообразием, то путем последовательных эквивалентных преобразований все они могут быть приведены к простой четырехплечей схеме. В качестве индикаторов в измерительной диагонали измерительного моста переменного тока могут быть использованы двухпараметрические осциллографические индикаторы, вибрационные гальванометры и тому подобное, позволяющие определить два параметра в одной мостовой схеме.The principle of operation of the four-armed AC bridge and the circuit for including active and reactive resistances in its shoulders are described in the verification procedure [GOST 8.686-2009. AC bridges balanced. Verification technique. - M .: Standartinform, 2011]. Since AC bridge circuits are very diverse, by sequential equivalent transformations all of them can be reduced to a simple four-arm circuit. As indicators in the measuring diagonal of the measuring bridge of alternating current, two-parameter oscillographic indicators, vibration galvanometers and the like can be used to determine two parameters in one bridge circuit.

Устройство работает следующим образом. В отсутствии напряженно-деформированного состояния тензочувствительной консоли электрические сопротивления тонких металлических пленок 3 тензорезисторов и электрические C_i емкости 5, образованные между смежными электродами 4 из тонких металлических пленок, планарно свободных относительно друг друга и разделенных диэлектрическими 2 слоями, не изменяются (фиг. 1 и 2). Суммарная емкость конденсатора, образованного двумя смежными электродами 4, выполненными в виде гребенки, состоящей из i=1, 2 … n компонентов (на фиг. 1 и 2 показаны штриховыми линиями), составляет ΣC_i=C₁+C₂+…+C_n. Поскольку планарные размеры a×b всех i компонентов равны между собой и планарно совмещены в продольном и поперечном сечениях, как показано на фиг. 1 и 2, то их емкости также равны между собой C₁=С₂=…=C_i=(εε₀ab)/d, где d - расстояние между электродами (толщина диэлектрических слоев). При этом площадь перекрытия электродов всех i=1, 2 … n компонентов максимальна и равна ΣΔS_i=ΔS₁+ΔS₂+…+ΔS_n. Суммарная емкость конденсатора также максимальна.The device operates as follows. In the absence of a stress-strain state of the strain-sensitive console, the electrical resistances of the thin metal films 3 of the strain gauges and the electric C _i capacitances 5 formed between adjacent electrodes 4 of thin metal films planarly free from each other and separated by 2 dielectric layers do not change (Fig. 1 and 2). The total capacitance of the capacitor formed by two adjacent electrodes 4, made in the form of a comb, consisting of i = 1, 2 ... n components (Fig. 1 and 2 are shown by dashed lines), is ΣC _i = C ₁ + C ₂ + ... + C _n Since the planar dimensions a × b of all i components are equal and are planarly aligned in longitudinal and transverse sections, as shown in FIG. 1 and 2, then their capacitances are also equal to each other: C ₁ = C ₂ = ... = C _i = (εε ₀ ab) / d, where d is the distance between the electrodes (the thickness of the dielectric layers). Moreover, the overlapping area of the electrodes of all i = 1, 2 ... n components is maximum and equal to ΣΔS _i = ΔS ₁ + ΔS ₂ + ... + ΔS _n . The total capacitance of the capacitor is also maximum.

При последовательном или параллельном включении такого конденсатора с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока мост уравновешивается так, что при отсутствии приложенной силы F=0 на тензочувствительной консоли напряжение в измерительной диагонали измерительного моста равно нулю. При этом уравновешивание осуществляется по двум параметрам: при равенстве произведений модулей комплексных сопротивлений противолежащих плеч и равенстве сумм их фазовых сдвигов. То есть для обеспечения равновесия моста необходимо, что бы в двух смежных плечах были включены активные сопротивления (например, тензорезисторы), а в двух других смежных плечах - реактивные емкостные сопротивления [Измерения в электронике. Справочник. В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 197-200].When such a capacitor with strain gages or in adjacent arms of the measuring bridge of alternating current is connected in series or parallel, the bridge is balanced so that in the absence of the applied force F = 0 on the strain-sensing console, the voltage in the measuring diagonal of the measuring bridge is zero. In this case, balancing is carried out according to two parameters: when the products of the modules of the complex resistances of the opposing arms are equal and the sums of their phase shifts are equal. That is, to ensure equilibrium of the bridge, it is necessary that active resistances (for example, strain gages) are included in two adjacent arms, and reactive capacitances are in two other adjacent arms [Measurements in electronics. Directory. V.A. Kuznetsov, V.A. Dolgov, V.M. Konevskikh et al. Ed. V.A. Kuznetsova. - M .: Energoatomizdat, 1987, p. 197-200].

Для тензочувствительной консоли, выполненной в виде многослойной сэндвич-структуры, как показано на фиг. 1, любая ее деформация на изгиб будет уменьшать суммарную площадь перекрытия всех электродов. Соответственно будет уменьшаться суммарная емкость таких тензоконденсаторов. При этом углы δ_i смещения для каждого i компонента различны: минимальны вблизи защемления и увеличиваются к краю тензочувствительной консоли (фиг. 3).For a strain-sensitive console made in the form of a multilayer sandwich structure, as shown in FIG. 1, any of its bending deformation will reduce the total overlap area of all electrodes. Accordingly, the total capacity of such strain capacitors will decrease. Moreover, the displacement angles δ _i for each component i are different: they are minimal near pinching and increase toward the edge of the strain-sensitive console (Fig. 3).

Варьируя скважностью, количеством и продольными a_i размерами i компонентов гребенки, можно задавать зависимость изменения суммарной емкости тензоконденсатора от изгиба тензочувствительной консоли.Varying the duty cycle, number and longitudinal a _i dimensions i of the comb components, we can set the dependence of the change in the total capacitance of the strain gauge on the bending of the strain gauge console.

Выполнение смежных электродов с изначальным продольным смещением пленочных компонентов друг относительно друга в планарной плоскости в отсутствие изгибных деформаций (f=0 и F=0) позволяет регистрировать направление изгибной деформации при силовых воздействиях f вверх или F вниз, как показано стрелками на фиг. 5. При изгибе вниз (F ≠ 0) суммарная площадь ΣΔS_i (F) перекрытия электродов возрастает, при изгибе вверх (f ≠ 0) ΣΔS_i (f) уменьшается. Соответственно, в первом случае емкость тензоконденсатора ΣC_i (F) увеличивается относительно начального состояния, во втором случае ΣC_i (f) уменьшается.The implementation of adjacent electrodes with the initial longitudinal displacement of the film components relative to each other in the planar plane in the absence of bending deformations (f = 0 and F = 0) makes it possible to register the direction of bending deformation under force actions f up or F down, as shown by arrows in FIG. 5. When bending downward (F ≠ 0), the total area of overlapping of the electrodes ΣΔS _i (F) increases, while bending upward (f ≠ 0) ΣΔS _i (f) decreases. Accordingly, in the first case, the capacitance of the strain gauge ΣC _i (F) increases relative to the initial state, in the second case, ΣC _i (f) decreases.

Таким образом, повышение точности и чувствительности преобразования напряженно-деформируемых состояний тензочувствительной консоли достигается за счет одновременного измерения мостом переменного тока изменения электрического сопротивления одного или более тензорезисторов и электрической емкости одного или более тензоконденсаторов, образованных межслоевыми электродами, выполненными из тонких металлических пленок в виде спирали, меандра или гребенки. Более того, поскольку фольговые тензорезисторы выполнены также в виде тонких металлических пленок, то их конфигурация, планарно согласованная с конфигурацией (спираль, меандр, гребенка) тонкопленочных металлических электродов, также дополнительно может образовывать межслоевую емкость тензочувствительной консоли сэндвич-типа.Thus, increasing the accuracy and sensitivity of the conversion of stress-strain states of the strain-sensing console is achieved by simultaneously measuring the electric resistance of one or more strain gauges and the electrical capacitance of one or more strain gauges formed by interlayer electrodes made of thin metal films in the form of a spiral, by an alternating current bridge meander or comb. Moreover, since the foil strain gages are also made in the form of thin metal films, their configuration, planarly coordinated with the configuration (spiral, square wave, comb) of thin-film metal electrodes, can also additionally form an interlayer capacity of the sandwich type strain-sensitive console.

Claims (3)

1. Способ тензоэлектрического преобразования напряженно-деформированного состояния тензочувствительной консоли, заключающийся в измерении мостовым методом изменения электрического сопротивления тонкой металлической пленки, нанесенной на упругий диэлектрический слой, отличающийся тем, что одновременно измеряют изменение электрической емкости, образованной между смежными тонкими металлическими пленками, планарно свободными относительно друг друга и разделенными диэлектрическими слоями.1. The method of tensoelectric conversion of the stress-strain state of the strain-sensitive console, which consists in measuring by a bridge method the change in the electrical resistance of a thin metal film deposited on an elastic dielectric layer, characterized in that the change in electrical capacitance formed between adjacent thin metal films that are planar free with respect to each other and separated by dielectric layers. 2. Устройство тензоэлектрического преобразования, содержащее: тензочувствительную консоль, выполненную в виде симметричной или ассиметричной сэндвич-структуры, состоящей из двух и более планарно свободных и собранных воедино в заделке упругих диэлектрических слоев одинаковой или разной длины, на больший из которых с одной или с двух сторон нанесены тензорезисторы в виде тонких металлических пленок; измерительный мост, плечи которого соединены с тензорезисторами в четверть-, полу- или полномостовую схему, и индикатор, включенный в измерительную диагональ измерительного моста, отличающееся тем, что введены по меньшей мере один и более электроды, выполненные в виде тонких металлических пленок, нанесенных на планарно свободные диэлектрические слои и образующие между ними электрические емкости, включенные последовательно или параллельно с тензорезисторами или в смежные плечи измерительного моста переменного тока.2. A strain-gauge transformation device comprising: a strain-sensitive console made in the form of a symmetric or asymmetric sandwich structure, consisting of two or more planar-free and assembled together to seal elastic dielectric layers of the same or different lengths, the larger of which with one or two the strain gauges are applied in the form of thin metal films; a measuring bridge, the shoulders of which are connected with strain gauges in a quarter-, half- or full-bridge circuit, and an indicator included in the measuring diagonal of the measuring bridge, characterized in that at least one or more electrodes made in the form of thin metal films deposited on planar free dielectric layers and the electric capacitances forming between them, connected in series or in parallel with strain gauges or in adjacent shoulders of an AC measuring bridge. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что тонкие металлические пленки выполнены фигурными в виде меандра, гребенки или спирали.3. The device according to p. 2, characterized in that the thin metal films are made curly in the form of a meander, comb or spiral.

Images