Датчик нормальных механических напряжений

Номер патента: U 1654

Опубликовано: 30.12.2004

Автор: Лесковец Сергей Васильевич

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК НОРМАЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ(71) Заявитель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(72) Автор Лесковец Сергей Васильевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(57) Датчик нормальных механических напряжений, включающий корпус с двумя воспринимающими мембранами, образующими герметичную полость, заполненную жидкостью и сообщающуюся с измерителем давления жидкости в ней, отличающийся тем, что корпус выполнен из двух, размещенных одна над другой кремниевых пластин, соединенных между собой, воспринимающая мембрана выполнена в каждой из пластин и по наружной поверхности покрыта металлом, а полупроводниковый интегральный мембранный преобразователь измерителя давления выполнен на одной из пластин и от воздействия среды защищен жесткой крышкой.(56) 1. Методические указания по применению прямого метода измерения давлений в грунтах и сыпучих материалах / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Сост. Д.С. Баранов. - М. Стройиздат, 1982. - С. 94. 2. Фомица Л.Н. Полупроводниковые преобразователи для измерения механических напряжений. - Мн. Вышэйшая школа, 1983. - С. 51 (прототип). 1654 Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для измерения внутренних механических напряжений в средах из композиционных материалов (бетоны, полимербетоны, конструкционные пластмассы), в грунтах и на контактах разнородных сред. Известно устройство, содержащее корпус в виде диска с герметичной внутренней полостью, заполненной жидкостью, одна сторона полости образована воспринимающей мембраной с жестким центром, а другая корпусом, в котором, заодно с ним, выполнена измерительная мембрана и на внешней ее стороне наклеены фольговые тензорезисторы. В корпусе над тензорезисторами образована воздушная полость, закрытая крышкой 1. Недостатками этого устройства является повышенная толщина датчика из-за последовательного расположения мембраны с жестким центром, герметичной внутренней полости с жидкостью, измерительной мембраны и воздушной полости над ней, закрытой крышкой. Для измерения внутренних механических напряжений в среде толщина датчика должна быть минимальна при соотношении диаметра к толщине 101 и максимальной жесткости датчика в направлении измеряемых напряжений. Для миниатюрной конструкции датчика выполнение такого соотношения размеров трудно выполнимо. Несоблюдение этих размеров приводит к снижению точности измерений. Кроме того, у такого датчика нарушен принцип симметрии конструкции при восприятии напряжений от среды, из-за наличия только одной воспринимающей мембраны. Это приводит к возникновению эффекта ориентации при расположении датчика в среде. Наиболее близким техническим решением является датчик нормальных механических напряжений 2, включающий корпус, состоящий из кольца, соединенного с двумя воспринимающими мембранами, выполненными из металла с образованием герметичной внутренней полости. Полость заполнена жидкостью и сообщается выносным полупроводниковым измерителем давления жидкости. Недостатками прототипа является то, что каждый такой датчик требует индивидуального изготовления и технологически трудно изготовить его с миниатюрными и сверхминиатюрными размерами. Используемые при соединении мембраны с корпусом процессы сварки и пайки приводят к ее деформации и сложному контролю мест соединения. Стоимость изготовления такого датчика достаточно высока. Задачей полезной модели является уменьшение габаритных размеров датчика нормальных механических напряжений и снижение стоимости его изготовления. Поставленная задача решается тем, что в датчике нормальных механических напряжений, включающем корпус с двумя воспринимающими мембранами, образующими герметичную полость, заполненную жидкостью и сообщающуюся с измерителем давления жидкости в ней, в отличие от прототипа, корпус выполнен из двух, размещенных одна над другой кремниевых пластин, соединенных между собой, воспринимающая мембрана выполнена в каждой из пластин и по наружной поверхности покрыта металлом, а полупроводниковый интегральный мембранный преобразователь измерителя давления выполнен на одной из пластин и от воздействия среды защищен жесткой крышкой На фиг. 1 изображен заявляемый датчик вид сверху, на фиг. 2 - разрез по - с фиг. 1. Датчик нормальных механических напряжений содержит корпус, образованный двумя размещенными одна над другой кремниевыми пластинами 1 и 2, соединенными между собой слоем стеклоприпоя 3, например С 51-1. В каждой из пластин изготовлена воспринимающая мембрана 4. Между мембранами образована герметичная полость 5, заполненная через впаянные между пластинами две трубки 6 полисилоксановой жидкостью. Полость 5 через канал 7 сообщается с полостью 8 под измерительной мембраной 9. Измерительная мембрана совместно с диффузионными полупроводниковыми тензорезисторами 10, расположенными на ее внешней стороне, образует интегральный мембранный преобразователь измерителя давления, который от воздействия внешней среды отделен жесткой крышкой 11. Датчик соединен выводами 12 с цепями питания и индикатором, на 2 1654 фиг. 1 и 2 не показанными. Наружная поверхность кремниевых пластин для повышения надежности и коррозионной стойкости покрыта слоем металла 13 толщиной 0,1-0,2 мм,например, никеля. Заявляемый датчик предназначен для измерения нормальных механических напряжений сжатия и при соответствующей адгезии к среде может измерять и напряжения растяжения. Средой может быть бетон, полимербетон и другие подобные материалы, в которые в пластичном состоянии можно установить датчик. Перед проведением измерений датчик предварительно градуируют в устройстве, например, 1 стр. 103-105 и определяют передаточную характеристику в модели среды, в которой затем предполагается проводить измерение напряжений. Из этой среды датчик потом извлекают. Датчик работает следующим образом. Для проведения измерений его помещают в среду, где он включается последовательно в цепь передачи механических напряжений. В результате этого корпус датчика, состоящий из кремниевых пластин с 1 и 2, соединенных стеклоприпоем 3, испытывает воздействие механических напряжений среды. Воздействие нормальных механических напряжений приводит к деформации материала среды и самого датчика в направлении действия этих напряжений. Воспринимающие мембраны 4 прогибаются, изменяя давление жидкости в полости 5. Поскольку эта полость сообщается через канал 7 с полостью 8 под измерительной мембраной, то в ней создается такое же давление жидкости, как и в полости 5. Измерительная мембрана 9 прогибается, так как она имеет свободный ход в направлении пространства, закрытого крышкой 11. Расположенные на внешней стороне измерительной мембраны диффузионные полупроводниковые тензорезисторы 10 изменяют свое сопротивление. Тензорезисторы соединены выводами 12 с измерительной схемой, которая изменение сопротивлений преобразует в электрический сигнал, являющийся функцией действующих механических напряжений (в соответствии с ранее проведенной градуировкой). Заполнение полостей датчика полисилоксановой жидкостью производится на конечной стадии сборки датчика через трубки 6, которые затем обжимаются, завариваются сваркой и в процессе измерений не участвуют. Податливость гидравлической полости между воспринимающими мембранами в направлении измеряемых нормальных напряжений определяется в основном изменением ее объема за счет выгиба измерительной мембраны, поскольку применяемая жидкость практически не сжимаема и корпус датчика из двух соединенных между собой пластин из кремния обладает достаточной жесткостью. Измерительная мембрана при выполнении ее с помощью интегральной технологии может иметь очень малую площадь по сравнению с воспринимающей мембраной. Соотношение размеров мембран в плане устанавливает объемы перетока жидкости из полости воспринимающей мембраны в полость измерительной мембраны и определяет жесткость датчика в направлении измеряемых напряжений. Жесткость измерительной мембраны датчика давления и в некоторой степени воспринимающей мембраны определяют диапазон измерений механических напряжений в среде. Заявляемое решение отличается от известных возможностью выполнения на одной пластине кремния групповой технологией до десятка датчиков одновременно и вследствие этого низкой себестоимостью изготовления. Размеры мембран, формируемые современными методами фотолитографии и анизотропного травления, отличаются малыми габаритами, строгой повторяемостью результатов и высокой технологичностью изготовления. Выполненные на измерительной мембране диффузионные тензорезисторы позволяют создать надежное, не подверженное ползучести, соединение упругого деформируемого элемента - мембраны и преобразующего элемента - тензорезистора. Это позволяет создать миниатюрные высокотехнологичные датчики механических напряжений и решить новые задачи теории прочности материалов. Такими датчиками можно проводить измерения контактных напряжении на заполнителях в бетоне или между слоями в тонких композиционных материалах, полученных методами намотки пропитанного связующим высокопрочного волокна или стеклопластика на оправку. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.

МПК / Метки

МПК: G01L 9/04

Метки: механических, датчик, нормальных, напряжений

Код ссылки

<a href="https://bypatents.com/4-u1654-datchik-normalnyh-mehanicheskih-napryazhenijj.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Датчик нормальных механических напряжений</a>

Похожие патенты