студент
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.
конструктив, мониторинг, деформация, датчик
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. 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.
