Акселерометр

 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к системам измерения параметров движения подвижных объектов и может быть использовано в приборах, измеряющих ускорение объектов. Сущность: акселерометр содержит два акселерометрических элемента, состоящих их сейсмической массы, подвеса и системы возбуждения колебаний и съема информации. При этом сейсмическая масса соединена с вибрирующей балочкой. Кроме того, сейсмическая масса, вибрирующая балочка, подвес и соединительные элементы выполнены из одного куска материала, например, кварца. Упругая балочка и соединительный элемент расположены в параллельных плоскостях. Токоведущая дорожка системы возбуждения колебаний и съема информации нанесена, например, напылением на балочку. При этом ось чувствительности перпендикулярна плоскости балочки, а ось подвеса перпендикулярна плоскости, проходящей через ось чувствительности и ось балочки. Технический результат: повышение чувствительности и стабильности при одновременном уменьшении габаритов и повышении технологичности. 2 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и, в частности, к системам измерения параметров движения подвижных объектов и может быть использовано в приборах, измеряющих ускорение объектов.

Известен струнный акселерометр, состоящий из двух акселерометрических элементов, включенных дифференциально. Каждый акселерометрический элемент состоит из струны, кронштейна, пробной массы натяжной пружины и системы возбуждения, состоящей из электронной схемы и магнитной системы.

Недостатком данной конструкции является необходимость обеспечения предварительного натяжения струны. Натяжение производится с помощью плоской пружины, которая и является основным источником нестабильности выходных параметров прибора. Кроме того, данная конструкция содержит большое количество стыков, что приводит к временной и температурной нестабильности.

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является вибрационный акселерометр, содержащий два акселерометрических элемента, включенных дифференциально. Акселерометричесиий элемент состоит из вибрирующей балочки, частота изгибных колебаний которой зависит от ускорения сейсмической массы, закрепленной одним кольцом на корпусе через шарнир, а другим - на вибрирующей балочке, расположенной перпендикулярно шарниру и имеющей гораздо большую жесткость. Ось чувствительности направлена вдоль вибрирующей балочки. Ускорение, направленное по оси чувствительно и приложенное к сейсмической массе, вызывает растяжение балочки в одном акселерометрическом элементе и сжатие - в другом. Разность частот будет пропорциональна ускорению

где γ_x - ускорение, действующее вдоль оси;

K₁ - масштабный коэффициент;

ΔF - разность частот двух балочек.

Недостатком данной конструкции является недостаточно высокая стабильность из-за наличия стыков и невысокая чувствительность, т.к. с целью предотвращения влияния прибора на перекрестные ускорения сейсмическая масса закреплена на жестком упругом шарнире. Поэтому необходимо увеличивать сейсмическую массу, что приводит к увеличению габаритов прибора. Кроме того, каждый акселерометрический элемент с целью обеспечения демпфирования сейсмической массы имеет пространственную конструкцию, что существенно усложняет технологический процесс изготовления деталей и сборки прибора.

Целью изобретения является повышение чувствительности и стабильности при одновременном уменьшении габаритов и повышении технологичности.

Указанная цель достигается тем, что в акселерометре сейсмическая масса, вибрирующая балочка, подвес и соединительные элементы выполнены из одного курса материала (например, кварца) упругая балочка и соединительный элемент расположены в параллельных плоскостях, а токоведущая дорожка системы возбуждения колебаний и съема информации нанесена (например, напылением) на балочку, при этом ось чувствительности перпендикулярна плоскости балочки, а ось подвеса перпендикулярна плоскости, проходящей через ось чувствительности и ось балочки.

Существенными отличиями заявляемой конструкции от известных является отсутствие механических стыков за счет выполнения сейсмической массы вибрирующей балочки, подвеса и соединительные элементов из одного куска материала, что повышает временную и температурную стабильность выходных параметров прибора.

В предлагаемой конструкции расстояние от оси подвеса до центра тяжести сейсмической массы больше, чем расстояние от оси подвеса до вибрирующей балочки. В зависимости от соотношений этих расстояний будет изменяться чувствительность прибора. Такое расположение элементов позволяет снизить габариты прибора.

В прототипе на вибрирующую балку действует сила (без учета жесткости шарнира)

где F₁ - сила, действующая на вибрирующую балку;

m - величина сейсмической массы;

W - перегрузка в направлении оси чувствительности.

В заявляемой конструкции:

где m - сейсмическая масса;

L - расстояние от оси подвеса до центра тяжести сейсмической массы;

h - толщина пластины акселерометрического элемента;

Δ₁ - толщина вибрирующей балки;

Δ₂ - толщина упругой перемычки.

Например: m=5 г w=1 g,

для прототипа F₁=5 г,

для заявленной конструкции:

при h=0,5 мм, L=6 мм w=1 g.

Δ₁=Δ₂=0,02 м,

То есть сила, действующая на вибрирующий элемент в 12 раз больше при одном и том же ускорении. Следовательно, величину сейсмической массы для обеспечения эквивалентной чувствительности можно уменьшить в 12 раз. Это позволяет в свою очередь уменьшить габарита прибора. Кроме того, угловая жесткость упругих перемычек вокруг оси подвеса составляет всего 8 гсм/рад при = 0,02 мм, длина 3,5 мм и ширина 1,5 мм. Жесткость в двух других направлениях на 3 порядка выше.

В данной конструкции практически не возникает вредных моментов, действующих вокруг оси вращения и обусловленных разностью коэффициентов линейного расширения материала акселерометрического элемента и токоведущих дорожек системы возбуждения и съема.

При патентном поиске технических решений, аналогичных заявляемому, не обнаружено.

На фиг.1 представлен общий вид чувствительного элемента акселерометра, на фиг.2 - разрез по плоскости, проходящей через торцевую поверхность акселерометрического элемент.

Акселерометр состоит из двух акселерометрических элементов 1 и 2, выполненных в виде плоской пластины и установленных дифференциально. Каждый акселерометрический элемент состоит из сейсмической массы 3, выполненной в виде маятника и подвешенной на двух упругих перемычках 4, работающих на кручение. Одна из торцовых поверхностей перемычек 4 совпадает с плоскостью пластины. Сейсмическая масса 3 соединена с вибрирующей балочкой 5, расположенной в плоскости параллельной плоскости упругих перемычек 4. Сейсмическая масса 3, перемычки 4, вибрирующие балочки 5 выполнены из одного куска материала (например, из плавленого кварца) методом изотропного травления. На вибрирующую балку 5 нанесена токоведущая дорожка 6 системы возбуждения и съема информации. Пластины 1 и 2 установлены между металлическими платами 7, 8 и 9 с зазором. Зазор между пластинами 1, 2 и платами 7, 8, 9 обеспечен с помощью выступов 10, выполняемых напылением на металлические платы. На металлических платах 7 и 9 установлены магниты 11 и 12 системы возбуждения и съема информации. Пластины 1 и 2 и металлические платы 7, 8 и 9 собраны в пакет, установлены в кольцо 13 и зажаты кольцами 14.

Ось чувствительности перпендикулярна торцовым поверхностям сейсмических масс 3. Подвес сейсмической массы 3 состоит из двух плоских пружин 4, работающих на кручение.

Устройство работает следующим образом. При движении объекта в направлении оси чувствительности сейсмические массы 3 поворачиваются вокруг оси подвеса. Так как ось подвеса перпендикулярна прямой, проходящей через центр акселерометрического элемента 1 или 2 и центр тяжести сейсмической массы 3 (при этом центр тяжести сейсмической массы не лежит на оси подвеса).

Поворот сейсмической массы 3 вокруг оси подвеса 4 происходит под действием инерционной силы, пропорциональной ускорению. Упругий подвес и вибрирующая балка 5 разнесены друг от друга на расстояние, равное толщине пластины 1 и 2. При таком взаимном расположении сейсмической массы 3, подвеса 4 и вибрирующей балки 5 инерционный момент, действующий вокруг оси подвеса, будет уравновешен моментом, обусловленном растяжением (или сжатием) вибрирующей балки 5. При этом на одну вибрирующую балку действует растягивающая сила, на другую - сжимающая вследствие ориентации акселерометрических элементов. Соответственно будет изменяться и частота колебаний этих балок. Частота колебаний первой балки будет увеличиваться, а второй - уменьшаться. Электронная схема выделяет разностную частоту. Причем величина разностной частоты будет пропорциональна величине кажущегося ускорения в направлении оси чувствительности

Выполнение ряда элементов из одного куска материала и соответствующие компоновки и ориентация осей позволяют получить прибор с более высокой чувствительностью, стабильностью. Кроме того, уменьшаются габариты, упрощается конструкция и повышается технологичность.

Формула изобретения

Акселерометр, содержащий два акселерометрических элемента, состоящих из сейсмической массы, соединенной с вибрирующей балочкой, подвеса и системы возбуждения колебаний и съема информации, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и стабильности при одновременном уменьшении габаритов и повышении технологичности, в нем сейсмическая масса, вибрирующая балочка, подвес и соединительные элементы выполнены из одного куска материала, например, кварца, упругая балочка и соединительный элемент расположены в параллельных плоскостях, а токоведущая дорожка системы возбуждения колебаний и съема информации нанесена, например, напылением на балочку, при этом ось чувствительности перпендикулярна плоскости балочки, а ось подвеса перпендикулярна плоскости, проходящей через ось чувствительности и ось балочки.

РИСУНКИ