Датчик резонаторный

Изобретение относится к области измерений механических параметров. Датчик содержит основание из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента и его подвесов в виде, по крайней мере, двух стержней и стержневого резонатора, одни концы которых соединены с чувствительным элементом, свободно размещенным в углублениях крышек, расположенных по обе стороны основания и соединенных с ними по периметру, на стержнях подвеса выполнены упругие шарниры для перемещения чувствительного элемента относительно основания в направлении измерительной оси, стержневой резонатор электрически и механически связан с электромеханическим преобразователем. Чувствительный элемент состоит, по крайней мере, из двух частей, соединенных между собой, по крайней мере, одним упругим и неупругим элементами с возможностью перемещения относительно друг друга. Техническим результатом является обеспечение работоспособности датчика резонаторного (выполненного по микроэлектронной технологии) в условиях действия вибрации. 6 ил.

 

Изобретение относится к области измерения механических параметров. Известен датчик (см. патент US №5.165.279, кл. G 01 P 15/10 от 6.06.1989, опубликован 24.11.92), который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взят в качестве прототипа. Датчик выполнен из плоского монокристаллического основания с образованием в нем чувствительного элемента в виде прямоугольной пластины, соединенной с ним через упругие шарниры, и содержит резонатор, свободно размещенный в его прорези. Резонатор электрически и механически связан с электромеханическим преобразователем, обеспечивающим возбуждение механических колебаний и обратного преобразования их в электрический сигнал. Кроме того, основание закрывается с обеих сторон крышками, которые крепятся по его периметру и имеют углубления для свободного хода чувствительного элемента.

Недостатком прототипа является необходимость использования внешнего механического фильтра для уменьшения интенсивности колебания чувствительного элемента при попадании его собственной частоты в диапазон действующих вибраций.

Техническим результатом заявляемого датчика является обеспечение его работоспособности при действии вибрации за счет уменьшения интенсивности колебания чувствительного элемента.

Технический результат достигается тем, что датчик резонаторный, содержащий основание из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента и его подвесов в виде, по крайней мере, двух стержней и стержневого резонатора, одни концы которых соединены с чувствительным элементом, свободно размещенным в углублениях крышек, расположенных по обе стороны основания и соединенных с ними по периметру, на стержнях подвеса выполнены упругие шарниры для перемещения чувствительного элемента относительно основания в направлении измерительной оси, стержневой резонатор электрически и механически связан с электромеханическим преобразователем, отличается тем, что чувствительный элемент состоит из двух частей с возможностью перемещения их относительно друг друга и соединенных между собой упругими шарнирами и неупругим элементом, заполняющим щель, образованную между частями чувствительного элемента.

На фиг.1 изображен первичный преобразователь без крышки.

На фиг.2 - эквивалентная механическая схема.

На фиг.3 - график перемещения первого чувствительного элемента.

На фиг.4 - график перемещения второго чувствительного элемента.

На фиг.5 - первичный преобразователь с крышками.

На фиг.6 - датчик резонаторный в сборе.

Устройство содержит основание 1 и соединенный с ним чувствительный элемент с помощью двух упругих шарниров 5 и стержневого резонатора 2, выполненного, например, в виде двухветвевого камертона. Чувствительный элемент состоит из двух частей 3 и 4, соединенных между собой упругими шарнирами 6 и неупругим элементом, который заполняет щель Б, образованную между частями чувствительного элемента (фиг.1).

Крышка 7 (фиг.5) ограничивает ход чувствительного элемента, защищая подвес и резонатор от разрушений при действии ударных нагрузок.

Резонаторный датчик работает следующим образом. Механическая сила, действующая по направлению измерительной оси, проходящей перпендикулярно плоскости частей чувствительного элемента 3, 4, вызывает момент М_И, равный:

M_И=F·L,

где: F - механическая сила,

L - плечо между точкой приложения механической силы и упругим подвесом.

Момент М_И уравновешивается реактивным моментом, вызванным парой сил, приложенной к резонатору и стержням подвеса, и моментом упругого шарнира 6. Удлинение резонатора 2 вызывает угловое перемещение θ₁ чувствительного элемента 3 относительно оси шарниров 6. На кинематической схеме фиг.3 суммарная жесткость шарниров 6 подвеса с учетом жесткости резонатора 2 обозначена как C₁, а шарниров 7 как С₂. При этом части чувствительного элемента 3, 4 двигаются относительно друг друга с различными угловыми скоростями, обуславливаемыми их динамическими свойствами (жесткостью шарниров 6, 7, моментом инерции частей чувствительного элемента 3, 4), взаимодействуя через неупругий элемент 9, который имеет определенный коэффициент вязкости, что вызывает потери механической энергии в колебательной системе (состоящей из чувствительных элементов 3, 4 и упругих шарниров 6, 7), понижая ее добротность и уменьшая амплитуду колебаний элементов 3, 4, демпфируют чувствительный элемент в целом. В качестве демпфирующего элемента 9 может быть использован эластичный (резиноподобный) компаунд с требуемой вязкостью. В частном случае длина жесткой части стержней подвеса чувствительного элемента может иметь минимальное (нулевое) значение и роль подвеса в этом случае будут выполнять упругие шарниры. Закон движения чувствительных элементов 3, 4 описывается следующей системой дифференциальных уравнений (см. фиг.3):

где: θ₁, θ₂ - угловое перемещение подвеса относительно основания;

, , , - угловые скорости и угловые ускорения соответственно;

ω - угловая частота;

t - время;

J₁, J₂ - момент инерции соответственно первого и второго чувствительных элементов;

m₁, m₂ - масса первого и второго чувствительных элементов;

l₁ - расстояние между упругими шарнирами 6,7 (расстояние между условными осями поворота упругих шарниров);

с₁ - эквивалентная жесткость шарниров 5 с учетом резонатора 2;

с₂ - жесткость шарниров 7, соединяющих части 3 и 4 чувствительного элемента;

η - коэффициент потерь, вносимых неупругим элементом 9;

L_ЦМ1, L_ЦМ2 - центр масс первого и второго чувствительных элементов;

а - ускорение.

Решение системы (1) представим в безразмерной форме

где

, ,

На фиг.4, 5 представлены графики относительных амплитуд частей чувствительного элемента. Расчеты были приведены для конструкции со следующими характеристиками: δ=0,668, β=1,41, μ=0,7, =2,11. Добротность первой части чувствительного элемента - 3,0 и второй - 2,0. Добротность системы без демпфирования достигает значения 400. Введение предлагаемого демпфирования позволит снизить добротность до единиц, что обеспечит работоспособность датчика при воздействии вибрации.

Датчик резонаторный, содержащий основание из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента и его подвесов в виде, по крайней мере, двух стержней и стержневого резонатора, одни концы которых соединены с чувствительным элементом, свободно размещенным в углублениях крышек, расположенных по обе стороны основания и соединенных с ними по периметру, на стержнях подвеса выполнены упругие шарниры для перемещения чувствительного элемента относительно основания в направлении измерительной оси, стержневой резонатор электрически и механически связан с электромеханическим преобразователем, отличающийся тем, что чувствительный элемент состоит из двух частей с возможностью перемещения их относительно друг друга и соединенных между собой упругими шарнирами и неупругим элементом, заполняющим щель, образованную между частями чувствительного элемента.