RU2759175C1

RU2759175C1 - Capacitance strain gauge

Info

Publication number: RU2759175C1
Application number: RU2020140558A
Authority: RU
Inventors: Николай Алексеевич Шиловский; Владимир Станиславович Игнахин
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2021-11-09

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment, means of measuring the strain of materials. The gauge provides a possibility of quantifying the tension-compression strain of the studied object by the change in the value of the electrical capacitance of the sensing element made of oxidised aluminium. The gauge can be applied in industry for monitoring the elastic strain. The substance of the claimed solution consists in the fact that the capacitance strain gauge contains a sensing element with an electrical capacitance, the value whereof changes on application of strain, characterised by the fact that the gauge comprises: a sensing element secured on the mounting plate; a metal tape fixed at the ends on the mounting plate so that the sensing element is located under the metal tape; a support placed between the sensing element and the metal tape, wherein the sensing element is made in the form of aluminium sheets rolled in several layers on a rigid insert, wherein a layer of aluminium oxide is provided between the rolled aluminium sheets.

EFFECT: increased relative sensitivity to strain detection.

1 cl, 3 dwg

Description

Область примененияApplication area

Датчик относится к области измерительной техники, средствам для измерения деформации материалов. Датчик позволяет количественно определять деформацию растяжения-сжатия исследуемого объекта по изменению величины электрической емкости чувствительного элемента, изготовленного из оксидированного алюминия. Датчик может найти применение в промышленности для контроля упругих деформаций.The sensor belongs to the field of measuring technology, means for measuring the deformation of materials. The sensor makes it possible to quantitatively determine the tensile-compressive deformation of the object under study by changing the electrical capacitance of the sensitive element made of oxidized aluminum. The sensor can be used in industry for monitoring elastic deformations.

Уровень техникиState of the art

Широко известны емкостные датчики с воздушным или вакуумным зазором переменной толщины. Известен емкостный датчик для измерения механической силы [1]. Датчик содержит деформируемый блок-корпус с отверстием, в котором размещены подвижный и неподвижный электроды. Под воздействием веса измеряемой массы, наложенного на грузоприемную платформу, происходит изгиб верхнего и нижнего упругих элементов, смещение вниз жесткого бокового основания и боковой стенки отверстия с закрепленной на ней изолированной вставкой и подвижным электродом относительно противоположной стенки отверстия с закрепленной на ней изолированной вставкой с неподвижным электродом. Это приводит к изменению воздушного зазора и, следовательно, электрической емкости между двумя электродами пропорционально измеряемой силе. Данный датчик и способ измерения могут быть потенциально использованы и для измерения деформаций растяжения-сжатия исследуемого объекта. Недостатком данного датчика является низкая чувствительность при прямом измерении деформации (ввиду малости самой деформации в большинстве случаев), малой величине начальной емкости вследствие использования воздушного зазора в качестве диэлектрической прослойки.Capacitive gauges with air or vacuum gap of variable thickness are widely known. Known capacitive sensor for measuring mechanical force [1]. The sensor contains a deformable block-housing with an opening in which the movable and stationary electrodes are located. Under the influence of the weight of the measured mass, imposed on the load-receiving platform, the upper and lower elastic elements are bent, the rigid side base and the side wall of the hole with an insulated insert and a movable electrode fixed on it are displaced downward relative to the opposite wall of the hole with an insulated insert with a fixed electrode fixed to it ... This changes the air gap and therefore the electrical capacitance between the two electrodes in proportion to the measured force. This sensor and measurement method can potentially be used to measure tensile-compressive deformations of the object under study. The disadvantage of this sensor is its low sensitivity in direct measurement of deformation (due to the smallness of the deformation itself in most cases), a small value of the initial capacitance due to the use of an air gap as a dielectric layer.

Известен [2] поверхностный микромеханический датчик абсолютного давления. Датчик содержит, по меньшей мере, один фиксированный электрод и, по меньшей мере, один подвижный электрод, электрически изолированный и пространственно отделенный от указанного электрода. Часть подвижного электрода сформирована из пористого слоя поликристаллического кремния, причем указанный слой в полностью собранном компоненте остается в качестве интегральной части указанного гибкого электрода. Полость датчика находится под низким вакуумом, образуя изменяющийся низковакуумный объем чувствительного элемента датчика, пространственно отделяющий гибкий подвижный электрод от фиксированного электрода. Недостатки данного датчика состоят в низкой чувствительности при прямом измерении деформации, малой величине начальной емкости вследствие использования вакуумного зазора в качестве диэлектрической прослойки.Known [2] surface micromechanical absolute pressure sensor. The sensor contains at least one fixed electrode and at least one movable electrode, electrically isolated and spatially separated from the specified electrode. A portion of the movable electrode is formed from a porous layer of polycrystalline silicon, said layer remaining in the fully assembled component as an integral part of said flexible electrode. The sensor cavity is under low vacuum, forming a variable low-vacuum volume of the sensor's sensitive element, spatially separating the flexible movable electrode from the fixed electrode. The disadvantages of this sensor are low sensitivity in direct measurement of deformation, low initial capacitance due to the use of a vacuum gap as a dielectric layer.

Известны датчики, использующие твердотельные диэлектрические прослойки вместо газовых (воздушных) [3-4], что позволяет, в частности, увеличить диэлектрическую проницаемость и, соответственно, начальную емкость системы.Known sensors that use solid dielectric interlayers instead of gas (air) [3-4], which allows, in particular, to increase the dielectric constant and, accordingly, the initial capacity of the system.

В патенте [3] описан датчик деформации, содержащий подвижную изоляционную прокладку, приклеенную на одном из участков к исследуемому объекту и имеющую на другом участке напыленный токопроводящий слой. При деформации исследуемого элемента приводится в движение сечение прокладки и линия склейки, что приводит к изменению площади перекрытия обкладок и изменению величины электрической емкости. Недостатком данного датчика является низкая чувствительность ввиду малых значений абсолютных деформаций и, как следствие, изменений электрической емкости.The patent [3] describes a deformation sensor containing a movable insulating pad, glued in one of the sections to the object under study and having a deposited conductive layer in the other section. When the investigated element is deformed, the section of the gasket and the gluing line are set in motion, which leads to a change in the overlap area of the plates and a change in the value of the electrical capacitance. The disadvantage of this sensor is its low sensitivity due to small values of absolute deformations and, as a consequence, changes in electrical capacitance.

Наиболее близким аналогом из известных технических решений, принятым за прототип, является датчик давления на основе слоев трех диэлектрических пленок, собранных в пакет [4]. Первая диэлектрическая пленка содержит основной экран, вторая диэлектрическая пленка содержит нижние обкладки с выводами и экран, обе пленки выполнены из твердого полиимида, на верхней поверхности третьей диэлектрической пленки сформирована ответная обкладка с выводом и экраном. Третья диэлектрическая пленка изготовлена из мягкого диэлектрика, поэтому при изменении давления на Δр изменяется расстояние между обкладками. В результате деформации третьего мягкого диэлектрика изменяется начальная емкость С, приращение емкости ΔС и относительное изменение емкости ΔС/С. Недостатком данного датчика является невысокая относительная чувствительность при детектировании деформаций

, где ε - относительная деформация мягкого диэлектрика. В пределе малых деформаций ε, когда изменение расстояния между обкладками намного меньше самого этого расстояния, относительная чувствительность составляет

и не превосходит этого значения [5].The closest analogue of the known technical solutions, taken as a prototype, is a pressure sensor based on layers of three dielectric films collected in a package [4]. The first dielectric film contains the main screen, the second dielectric film contains the lower plates with leads and a screen, both films are made of solid polyimide, on the upper surface of the third dielectric film a counter plate with a lead and a screen is formed. The third dielectric film is made of a soft dielectric, therefore, when the pressure changes by Δp, the distance between the plates changes. As a result of the deformation of the third soft dielectric, the initial capacitance C, the increment in the capacitance ΔC, and the relative change in the capacitance ΔC / C change. The disadvantage of this sensor is the low relative sensitivity when detecting deformations

, where ε is the relative deformation of the soft dielectric. In the limit of small deformations ε, when the change in the distance between the plates is much less than this distance itself, the relative sensitivity is

and does not exceed this value [5].

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Целью настоящего изобретения является измерение деформаций растяжения-сжатия контролируемых объектов: деталей машин и механизмов, станков, строительных конструкций и др.The aim of the present invention is to measure tensile-compressive deformations of controlled objects: machine parts and mechanisms, machine tools, building structures, etc.

Технический результат в предлагаемом устройстве заключается в увеличении относительной чувствительности к детектированию деформации.The technical result in the proposed device is to increase the relative sensitivity to deformation detection.

Технический результат достигается тем, что емкостный датчик деформации содержит чувствительный элемент, имеющий электрическую емкость, величина которой изменяется при приложении деформации, отличающийся тем, что датчик содержит: чувствительный элемент, закрепленный на монтажной пластине; металлическую ленту, зафиксированную на концах на монтажной пластине таким образом, чтобы чувствительный элемент располагался под металлической лентой; опору, размещенную между чувствительным элементом и металлической лентой, при этом чувствительный элемент выполнен в виде свернутых в несколько слоев на жесткой вставке листов алюминия, причем между свернутыми листами из алюминия имеется слой из оксида алюминия.The technical result is achieved in that the capacitive strain sensor contains a sensitive element having an electrical capacitance, the value of which changes when deformation is applied, characterized in that the sensor comprises: a sensitive element fixed on the mounting plate; a metal strip fixed at the ends on the mounting plate so that the sensing element is located under the metal strip; a support placed between the sensitive element and the metal strip, while the sensitive element is made in the form of aluminum sheets rolled in several layers on a rigid insert, and between the rolled aluminum sheets there is an aluminum oxide layer.

Описание чертежейDescription of drawings

На фиг.1 представлена схема предлагаемого емкостного датчика.Figure 1 shows a diagram of the proposed capacitive sensor.

На фиг.2 показана зависимость емкости изготовленного датчика с базой 108 мм от приложенной деформации растяжения-сжатия.Figure 2 shows the dependence of the capacitance of the manufactured sensor with a base of 108 mm on the applied tension-compression deformation.

На фиг.3 показаны зависимость выходного сигнала датчика с базой 170 мм от циклически приложенной нагрузки - приведены сигналы ненагруженного датчика и сигнал при приложенной деформации 172 мкм/м.Figure 3 shows the dependence of the output signal of the sensor with a base of 170 mm on the cyclically applied load - the signals of the unloaded sensor and the signal at the applied strain of 172 μm / m are shown.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Датчик состоит из следующих элементов, показанных на чертеже (Фиг. 1). Чувствительного элемента 2 в виде листового материала (пластин, фольги и т.п.) из оксидированного алюминия, расположенного на поверхности измеряемого объекта или монтажной пластины 1. В случае использования последней, элементы датчика располагаются на ней, а сама монтажная пластина крепится на исследуемый объект с помощью болтов, сварки или любым иным способом. Для увеличения величины начальной емкости и ее изменения обкладки конденсатора (чувствительного элемента) выполнены в виде протяженных пластин из оксидированной фольги и свернуты в пакет в несколько слоев на твердой недеформируемой вставке. Механического элемента 3 в виде нерастяжимой ленты из металла или иного материала. Элемент 3 закреплен в точках 4 на исследуемом объекте с предварительным натяжением. Предварительное натяжение регулируется по начальной величине емкости чувствительного элемента и позволяет измерять деформации сжатия исследуемого объекта, когда сила прижатия обкладок конденсатора уменьшается. Жесткой опоры 5 между механическим и чувствительным элементами, с помощью которой регулируется угол силы натяжения механического элемента по отношению к объекту. Выводы 6 служат для подключения датчика к измерительной аппаратуре. Защитная крышка 7 служит для предохранения элементов датчика от механических и химических воздействий, а также от загрязнения.The sensor consists of the following elements shown in the drawing (Fig. 1). Sensing element 2 in the form of sheet material (plates, foil, etc.) made of oxidized aluminum, located on the surface of the measured object or mounting plate 1. If the latter is used, the sensor elements are located on it, and the mounting plate itself is attached to the object under study using bolts, welding or in any other way. To increase the value of the initial capacitance and change it, the plates of the capacitor (sensitive element) are made in the form of extended plates of oxidized foil and rolled into a package in several layers on a solid non-deformable insert. Mechanical element 3 in the form of an inextensible tape made of metal or other material. Element 3 is fixed at points 4 on the test object with pretensioning. The pre-tension is adjusted according to the initial value of the capacitance of the sensitive element and makes it possible to measure the compression deformations of the object under study when the pressing force of the capacitor plates decreases. Rigid support 5 between the mechanical and sensitive elements, with which the angle of the tensile force of the mechanical element in relation to the object is adjusted. Pins 6 are used to connect the sensor to the measuring equipment. The protective cover 7 serves to protect the sensor elements from mechanical and chemical influences, as well as from contamination.

Датчик работает следующим образом. При приложении деформации растяжения к объекту или монтажной пластине 1 точки крепления 4 механического элемента 3 расходятся, увеличивая натяжение последнего. Сила натяжения элемента 3 преобразуется в силу прижатия, действующую на обкладки чувствительного элемента 2. В результате межэлектродный диэлектрик испытывает деформацию сжатия, что приводит к увеличению емкости рассмотренного конденсатора. При возникновении деформации сжатия объекта, точки крепления 4 механического элемента 3 сходятся, уменьшая его натяжение, что в свою очередь уменьшает силу прижатия обкладок чувствительного элемента 2 и величину его емкости. Увеличение относительной чувствительности в рассматриваемом способе достигается вследствие преобразования деформации исследуемого объекта в деформацию упругого межэлектродного диэлектрика с помощью механического элемента (жесткой ленты). Значительное удаление друг от друга точек крепления механического элемента к исследуемому объекту (база датчика) позволяет увеличить абсолютную деформацию жесткой ленты и, соответственно, упругого диэлектрика чувствительного элемента.The sensor works as follows. When tensile deformation is applied to an object or mounting plate 1, the attachment points 4 of the mechanical element 3 diverge, increasing the tension of the latter. The tensile force of the element 3 is converted into a pressing force acting on the plates of the sensitive element 2. As a result, the interelectrode dielectric undergoes compression deformation, which leads to an increase in the capacitance of the considered capacitor. When a compression deformation of the object occurs, the attachment points 4 of the mechanical element 3 converge, reducing its tension, which in turn reduces the pressing force of the plates of the sensitive element 2 and the value of its capacity. An increase in the relative sensitivity in the considered method is achieved due to the transformation of the deformation of the investigated object into the deformation of an elastic interelectrode dielectric using a mechanical element (rigid tape). A significant distance from each other of the points of attachment of the mechanical element to the object under study (sensor base) allows increasing the absolute deformation of the rigid tape and, accordingly, the elastic dielectric of the sensitive element.

Образец датчика был изготовлен следующим образом. В качестве обкладок использовались две полосы из алюминиевой фольги длиной около 10 см и шириной около 1 см. Предварительно обе полосы анодировались в 20%-м растворе серной кислоты при плотности тока 10 мА/см². Пластины сворачивались на жесткой вставке в многослойный пакет для получения большой начальной емкости (и, соответственно ее приращения под действием механической силы) и одновременного уменьшения занимаемой площади. Каждая обкладка имела электрический вывод, соединенный с небольшим участком неанодированного алюминия с помощью пайки. Полученный конденсатор размещался на поверхности измеряемого объекта, в качестве которого использовалась балка равного сопротивления [6]. Балка толщиной h=5 мм была изготовлена из стали Ст3 и имела длину L=300 мм и ширину в основании b=98 мм. По этим характеристикам и модулю Юнга материала можно определить деформацию балки под действием заданной силы на ее кончик [6]. Механический элемент выполнен в виде стальной ленты и жестко крепился к балке в двух точках, разнесенных на определенное расстояние (база датчика) вдоль ее оси. Для регулировки угла силы натяжения использовалась жесткая опора (Фиг. 1). Форма опоры позволяет минимизировать поверхность соприкосновения ленты (механического элемента) и опоры, устранить резкие перегибы ленты.A sample sensor was manufactured as follows. Two strips of aluminum foil with a length of about 10 cm and a width of about 1 cm were used as plates. Previously, both strips were anodized in a 20% sulfuric acid solution at a current density of 10 mA / cm ² . The plates were rolled on a rigid insert into a multilayer package to obtain a large initial capacity (and, accordingly, its increment under the action of mechanical force) and at the same time to reduce the occupied area. Each plate had an electrical lead connected to a small section of non-anodized aluminum by soldering. The resulting capacitor was placed on the surface of the measured object, which was a beam of equal resistance [6]. A beam with a thickness of h = 5 mm was made of steel St3 and had a length L = 300 mm and a width at the base b = 98 mm. From these characteristics and Young's modulus of the material, it is possible to determine the deformation of the beam under the action of a given force on its tip [6]. The mechanical element is made in the form of a steel tape and was rigidly attached to the beam at two points spaced at a certain distance (sensor base) along its axis. A rigid support was used to adjust the angle of the tensile force (Fig. 1). The shape of the support minimizes the contact surface between the tape (mechanical element) and the support, and eliminates sharp bends in the tape.

Испытания проводились путем нагружения балки с помощью винтового натяжного устройства. Сила, приложенная к балке, измерялась с помощью электронного динамометра. Приложение силы, совпадающей по направлению с силой тяжести, вызывало изгиб балки с деформацией растяжения поверхности, на которой смонтирован датчик. Испытания на сжатие проводились с использованием простого блока, расположенного над балкой, т.е. изгиб балки происходил в противоположном направлении.The tests were carried out by loading the beam with a screw tensioner. The force applied to the beam was measured using an electronic dynamometer. The application of a force coinciding in direction with the force of gravity caused the beam to bend with tensile deformation of the surface on which the sensor was mounted. Compression tests were carried out using a simple block positioned above the beam, i.e. the beam was bent in the opposite direction.

На Фиг. 2 приведена зависимость величины емкости изготовленного датчика с базой 108 мм от приложенной деформации. Отрицательным деформациям на графике соответствует сжатие. Увеличение емкости при растяжении, т.е. когда точки крепления датчика расходятся, связано с уменьшением расстояния между обкладками, вызванном увеличением силы прижатия. При деформации сжатия имеет место обратная ситуация, если существует ненулевая начальная сила прижатия обкладок. Эта сила задается исходным натяжением ленты. Измерения проводились на частоте 100 кГц с разрешением по электрической емкости 1 пФ.FIG. 2 shows the dependence of the capacitance value of the manufactured sensor with a base of 108 mm on the applied deformation. Compression corresponds to negative deformations on the graph. Increase in tensile capacity, i.e. when the sensor attachment points diverge, it is associated with a decrease in the distance between the plates, caused by an increase in the pressing force. In compression deformation, the opposite situation takes place if there is a nonzero initial pressing force of the plates. This force is set by the initial tension of the belt. The measurements were carried out at a frequency of 100 kHz with a capacitance resolution of 1 pF.

При начальной величине емкости С₀=3.115 нФ, изменение составило ~0.39 нФ при приложении деформации 172 мкм/м. Это дает величину относительной чувствительности

, где ε=Δl/l₀ - относительная линейная деформация балки. Гистерезис характеристики при этом не превышает 1.5% от полной шкалы. Дальнейшее увеличение деформации балки приводит к нелинейности кривой, наклон кривой при этом уменьшается. Увеличение чувствительности в рабочем диапазоне связано с преобразованием линейной деформации измеряемого объекта в деформацию сжатия электродов и межэлектродного диэлектрика. При разрешении 1 пФ оцененное разрешение по деформации составило ~ 5 мкм/м.With the initial value of the capacitance C ₀ = 3.115 nF, the change was ~ 0.39 nF when a strain of 172 μm / m was applied. This gives the value of the relative sensitivity

, where ε = Δl / l ₀ is the relative linear deformation of the beam. In this case, the hysteresis of the characteristic does not exceed 1.5% of the full scale. A further increase in the deformation of the beam leads to non-linearity of the curve, while the slope of the curve decreases. An increase in sensitivity in the operating range is associated with the transformation of the linear deformation of the measured object into compression deformation of the electrodes and interelectrode dielectric. At a resolution of 1 pF, the estimated strain resolution was ~ 5 μm / m.

На Фиг. 3 приведена зависимость величин емкости датчика с базой 170 мм и начальной емкостью С₀=3.330 нФ в ненагруженном состоянии и при приложенной деформации 172 мкм/м в серии циклов нагрузка-разгрузка (n - номер цикла). Проводились 1000 циклов. Отклонение максимальной емкости от минимальной, взятых через 100 циклов, составили 0.006 нФ для нагруженного состояния и 0.019 нФ для ненагруженного, что составляет менее 1% от средних значений показаний. Данные значения могут быть рассмотрены в качестве показателя воспроизводимости. Ресурс датчика, очевидно, существенно превышает 1000 циклов.FIG. 3 shows the dependence of the capacitance values of a sensor with a base of 170 mm and an initial capacitance C ₀ = 3.330 nF in the unloaded state and at an applied strain of 172 μm / m in a series of load-unload cycles (n is the cycle number). 1000 cycles were carried out. The deviation of the maximum capacitance from the minimum, taken after 100 cycles, was 0.006 nF for the loaded state and 0.019 nF for the unloaded state, which is less than 1% of the average readings. These values can be considered as an indicator of reproducibility. The sensor life is obviously well over 1000 cycles.

БиблиографияBibliography

1. Патент РФ №2483283 «Емкостный силоизмерительный датчик», дата публикации 27.05.2013, заявка: 2011132156/28, 29.07.2011.1. RF patent No. 2483283 "Capacitive force-measuring sensor", publication date 05/27/2013, application: 2011132156/28, 07/29/2011.

2. Патент РФ №2258914 «Датчик абсолютного давления с микрообработанной поверхностью и способ его изготовления», дата публикации 20.08.2005, заявка: 2003113320/28, 07.11.2001.2. RF patent №2258914 "Absolute pressure sensor with a micromachined surface and a method for its manufacture", publication date 20.08.2005, application: 2003113320/28, 07.11.2001.

3. Авторское свидетельство СССР SU 462064 А1, год публикации: 1975, Номер заявки: 1875360.3. USSR author's certificate SU 462064 A1, publication year: 1975, application number: 1875360.

4. Патент РФ №2589494 «Емкостной инерционный датчик давления, способ его сборки и способ измерения давления», дата публикации 10.07.2016, заявка: 2015108301/28, 11.03.2015.4. RF patent No. 2589494 "Capacitive inertial pressure sensor, a method for assembling it and a method for measuring pressure", publication date 07/10/2016, application: 2015108301/28, 03/11/2015.

5. Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова,. Е.С. Полищука. Москва: Техносфера, 2012. 624 с.5. Sensors: Reference Manual / Under total. ed. V.M. Sharapova ,. E.S. Polishchuk. Moscow: Technosphere, 2012.624 p.

6. Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций: учебное пособие / В.П. Забродин, А.А. Серегин, М.В. Суханова, А.Б. Портаков. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2017. - 104 с.6. Experimental methods for determining stresses and deformations: a tutorial / V.P. Zabrodin, A.A. Seregin, M.V. Sukhanova, A.B. Portakov. - Zernograd: Azov-Black Sea Engineering Institute FGBOU VO Donskoy GAU, 2017 .-- 104 p.

Claims

A capacitive strain sensor comprising a sensing element having an electrical capacitance, the value of which changes when deformation is applied, characterized in that the sensor comprises: a sensing element fixed to a mounting plate; a metal strip fixed at the ends on the mounting plate so that the sensing element is located under the metal strip; a support placed between the sensing element and the metal tape, while the sensing element is made in the form of extended plates of oxidized aluminum foil, rolled in several layers on a solid non-deformable insert, while the leads connected to the measuring equipment are connected to the sensing element.