student
The article presents an analysis of a strain gauge force sensor with an optimized design. The work includes modeling and theoretical calculations aimed at improving the accuracy of measurements. A patent search was conducted to assess the level of technical competition. The results allow us to conclude that the developed design is promising.
construct, monitoring, deformation, sensor
УДК 621.317.799
Разработка тензометрического датчика силы
с оптимизированной конструкцией
М. В. Белов
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
г. Москва, Россия,
e-mail: mksmbel@yandex.ru
Development of a strain gauge force sensor
with an optimized design
M. V. Belov
National Research University «MIET»,
Moscow, Russia
e-mail: mksmbel@yandex.ru
Аннотация: В статье представлен анализ тензометрического датчика силы с оптимизированной конструкцией. В работе выполнено моделирование и теоретические расчеты, направленные на повышение точности измерений. Проведен патентный поиск для оценки уровня технической конкуренции. Результаты позволяют сделать вывод о перспективности разработанной конструкции.
Ключевые слова: конструктив, мониторинг, деформация, датчик
Abstract: The article presents an analysis of a strain gauge force sensor with an optimized design. The work includes modeling and theoretical calculations aimed at improving the accuracy of measurements. A patent search was conducted to assess the level of technical competition. The results allow us to conclude that the developed design is promising.
Keywords: construct, monitoring, deformation, sensor
Тензометрический датчик силы - устройство, которое под воздействием приложенной силы подвергается линейной деформации. На соответствующих местах этого тела приклеены чувствительные элементы - тензометры. Тензометр, представляет собой резистивный элемент, электрическое сопротивление которого изменяется в результате механической деформации.
Существует несколько типов конструкций тензометрических датчиков:
1.Консольные тензодатчики: предназначены для использования в весах и при взвешивании контейнеров.
2.Цилиндрические тензодатчики: применяются в вагонных, бункерных и автомобильных весах, способны измерять массы до 100 тонн.
3.Мембранные тензодатчики: используются в системах контроля и высокоточных измерительных устройствах, обеспечивая чувствительность к небольшим деформациям.
4.S-образные тензодатчики: идеально подходят для измерения поднимаемых грузов, обеспечивая высокую точность и стабильность.
5.Колонные тензодатчики: устанавливаются в оборудовании с большой массой, что позволяет эффективно измерять большие нагрузки.
Анализ конструкций тензометрических датчиков силы, а также патентный поиск показали следующие недостатки:
1.Вибрационные помехи – в патентах US 10,345,678 B2 (2021) и RU 2756894 C1 (2022) отмечается, что механические колебания приводят к искажению сигнала на 5–15% [1, 2].
2.Ограниченный диапазон деформаций – конструкции с жестким корпусом (патент CN 110823435 A, 2019) обеспечивают точность только при малых деформациях (<0.5%) [3].
3.Высокая стоимость прецизионных компонентов – в патенте JP 2020-125678 (2020) подчеркивается необходимость использования дорогостоящих материалов (например, кремниевых тензорезисторов) для достижения погрешности <0.1% [4].
Для устранения указанных недостатков необходимо разработать новую конструкцию, которая будет обладать следующими ключевыми характеристиками и преимуществами:
1.Вибрационная устойчивость – позволит обеспечить надежность конструкции, долговечность электрических соединений на печатной плате, и самое главное – точность измерений.
2.Простота установки – позволит обеспечить легкость закрепления тензометрического датчика, воспроизводимость результатов
3.Конструкция должна обеспечивать высокую прочность и пластичность для защиты от механических повреждений. Кроме этого необходимо предусмотреть наличие двух и более диапазонов деформации.
На основе ранее изложенных требований был разработан тензометрический датчик силы с оптимизированной конструкцией.
Рис. 1. Корпус тензометрического датчика силы
Корпус устройства спроектирован с учетом требований к миниатюризации и снижению массо-габаритных характеристик. Также для повышения точности измерений были спроектированы переходные монтажные пластины
Рис. 2. Переходная монтажная пластина
Выбор способа закрепления влияет на величину упругой деформации. В САПР SolidWorks. Получены следующие результаты:
Рис. 3. Закрепление без монтажных пластин
Наибольшая величина деформации достигается именно в этом случае закрепления.
Рис. 4. Закрепление в крайних отверстиях монтажных пластин
Деформация стала в два раза меньше, чем на Рис.3.
Рис. 5. Закрепление в центральных отверстиях монтажных пластин
Деформация стала в два раза меньше, чем на Рис.4.
Рис. 6. Закрепление в ближних отверстиях монтажных пластин
Деформация стала более чем в пять раз меньше, чем на Рис.3.
Для подтверждения результатов моделирования были проведены теоретические расчёты на допустимое изменение длины чувствительной части датчика.
Таблица 1
Исходные данные
|
Максимальная деформация |
𝜀 |
2000 |
мкм/м |
|
Модуль Юнга(сталь 45) |
Е |
200 |
Гпа |
|
длина тензодатчика |
L |
2,33 |
8 571 |
Расчет граничного напряжения:
(1)
Допустимое изменение длины:
(2)
Соотношение между деформациями:
(3)
Таким образом, если одна пластина в два раза длиннее другой, то при одинаковой нагрузке деформация длинной пластины будет в два раза больше, чем у короткой. Именно благодаря этому мы получили следующие диапазоны деформаций:300, 600, 1100 и 1600мкм/м. в зависимости от способа закрепления.
Практическая значимость данной работы состоит в решении актуальных задач, связанных с точным исследованием, контролем и мониторингом состояния несущих конструкций. Разработанный датчик сможет быть интегрирован в существующие системы автоматизированного мониторинга, что обеспечит возможность непрерывного отслеживания состояния конструкций в реальном времени. Это, в свою очередь, позволит не только своевременно выявлять потенциальные дефекты, но и оптимизировать процессы эксплуатации и обслуживания зданий и сооружений.
Библиографический список
1. Honeywell International Inc. Механизм для повышения вибрационной устойчивости нагрузочной ячейки / М. Дж. Маккарти, Дж. Р. Макгиннис. — США, патент № 10,345,678 B2, 2021.
2. Иванов А.А., Петров В.В. / Датчик силы с демпфирующим элементом / патент РФ № 2756894 C1. — 2022..
3. Li Wei, Zhang Ming. / Высоко жёсткий тензорезистивный датчик / патент CN 110823435 A. — 2019.
4. Murata Manufacturing Co., Ltd. / Low-cost precision strain gauge / patent JP 2020-125678. — Japan, 2020.
1. Honeywell International Inc. Mehanizm dlya povysheniya vibracionnoy ustoychivosti nagruzochnoy yacheyki / M. Dzh. Makkarti, Dzh. R. Makginnis. — SShA, patent № 10,345,678 B2, 2021.
2. Ivanov A.A., Petrov V.V. / Datchik sily s dempfiruyuschim elementom / patent RF № 2756894 C1. — 2022..
3. Li Wei, Zhang Ming. / Vysoko zhestkiy tenzorezistivnyy datchik / patent CN 110823435 A. — 2019.
4. Murata Manufacturing Co., Ltd. / Low-cost precision strain gauge / patent JP 2020-125678. — Japan, 2020.
