Датчик резонаторный

Изобретение относится к измерениям механических параметров, в частности силы или ускорения. Датчик резонаторный содержит чувствительный элемент, выполненный в виде маятника с одной степенью свободы, соединенный через упругие шарниры с первым основанием, и силочувствительный резонатор, концы которого соединены с чувствительным элементом и первым основанием, дополнительно введено второе основание, соединенное с первым основанием через упругие элементы, при этом чувствительный элемент и первое основание имеют возможность ограниченного перемещения относительно второго основания. Технический результат - эффективное демпфирование резонансных колебаний чувствительного элемента датчика. 6 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно измерениям механических параметров.

Известен датчик резонаторный (см. патент RU №2217767, кл. G01P 15/6 от 01.04.2002 г., опубликован в БИ №33, 27.11.2003).

Датчик содержит основание из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента с маятниковым подвесом в виде двух стержней и стержневого резонатора, концы которых соединены основанием с одной стороны и чувствительным элементом - с другой. Чувствительный элемент свободно размещен в углублениях крышек, которые расположены по обе стороны основания и соединены с ним по периметру.

Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является недостаточный уровень ударопрочности и устойчивости к действию вибраций.

Решаемой технической задачей является создание датчика резонаторного с повышенным уровнем ударопрочности и устойчивости к действию вибраций.

Достигаемым техническим результатом является эффективное демпфирование резонансных колебаний чувствительного элемента датчика. Для достижения технического результата в датчике резонаторном, содержащем чувствительный элемент, выполненный в виде маятника с одной степенью свободы, соединенный через упругие шарниры с первым основанием, и силочувствительный резонатор, концы которого соединены соответственно с чувствительным элементом и первым основанием, новым является то, что дополнительно введено второе основание, соединенное с первым основанием через упругие элементы, при этом чувствительный элемент и первое основание имеют возможность ограниченного перемещения относительно второго основания. Введение второго основания, упруго связанного с первым основанием, позволяют получить механическую систему с двумя степенями свободы, что позволяет обеспечить вибро- и ударопрочность заявляемого устройства.

На фиг.1 показана конструкция заявляемого устройства.

На фиг.2 представлены чувствительный элемент, выполненный в виде маятника, соединенный с первым основанием посредством упругих шарниров, с одним из концов резонатора, второй конец которого соединен с первым основанием.

На фиг.3, 4 представлена механическая и электрические схемы заявляемого датчика.

На фиг.5, 6 представлены амплитудно-частотные характеристики для различных сочетаний значений параметров механической системы предлагаемого датчика и его электрического аналога.

Датчик резонаторный (см. фиг.1, 2) состоит из чувствительного элемента, выполненного в виде физического маятника 1, соединенного упругими шарнирами 2 с первым основанием 4 и одним из концов резонатора 3, второй конец которого соединен с первым основанием 4, которое, в свою очередь, с помощью упругих элементов 6 соединено со вторым основанием 5. Силочувствительный резонатор 3 располагается симметрично относительно упругих шарниров 2, при этом между осью поворота маятника 1 и нейтральной осью резонатора 3 имеется некоторое расстояние h. Значение резонансной частоты механических колебаний силочувствительного резонатора 3 определяется его геометрическими размерами, свойствами материала, из которого он изготовлен, и значением продольной силы, действующей на резонатор. Зависимость резонансной частоты от значения продольной силы резонатора используется для преобразования входной величины датчика в значение резонансной частоты резонатора. Резонатор снабжен электромеханическим преобразователем, обеспечивающим преобразование механических колебаний резонатора в электрический сигнал (на фигурах не показано).

Второе основание 5 датчика жестко соединено с объектом при измерениях параметров его движения. На втором основании 5 выполнены ограничители перемещения 7 маятника 1 и первого основания 4 в пределах допустимых значений, которые предохраняют элементы датчика от разрушений при экстремальных механических нагрузках (ударах). Винты 8 обеспечивают регулировку положения маятника 1 относительно второго основания 5. Дополнительное тело 9, присоединенное к маятнику, используется для нормирования коэффициента преобразования датчика резонаторного.

Второе основание 5 может быть выполнено из двух частей. Упругий элемент 6 соединен с первым основанием 4 в области А и со вторым основанием 5 в области Б.

В исходном состоянии (в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения объекта) маятник 1 не испытывает действия внешних сил. При этом прямая линия, соединяющая ось его поворота и центр масс должна совпадать с вектором силы тяжести, а объект должен находиться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. В этом случае маятник 1 не испытывает действия внешних сил и не оказывает силового воздействия на силочувствительный резонатор 3, его резонансная частота равна начальному значению, соответствующему нулевому значению продольной силы резонатора.

В случае ускоренного движения объекта, на котором жестко закреплено второе основание 5 датчика, это движение передается первому основанию 4 через упругие элементы 6, что приводит к появлению инерционной силы, действующей на маятник 1, которая создает момент, вызывающий угловое смещение маятника 1 относительно исходного положения на некоторый угол Δα. При постоянном значении ускорения движения объекта маятник 1 устанавливается в некоторое равновесное положение, при котором момент, создаваемый инерционной силой, уравновешивается суммой моментов: от продольной силы резонатора 3 (обусловленной поворотом маятника вокруг оси, не совпадающей с продольной осью резонатора) и реактивным моментом упругого шарнира 2.

Условие равновесия выражается следующей формулой:

М_и=j·m_ч.э.·L_ц.м.·cosφ; M_p=P_p·h; М_ш=Δα·С_ш,

где М_и, - момент инерционной силы, действующий относительно оси поворота маятника 1;

М_р - момент от продольной силы резонатора 3;

М_ш - реактивный момент упругого шарнира 2;

j - значение модуля вектора ускорения;

P_p - продольная сила, действующая на резонатор 3;

m_ч.э. - масса чувствительного элемента (маятника 1);

L_ц.м. - расстояние между центром масс маятника 1 и осью поворота (ось поворота упругого шарнира 2);

φ - угол между направлением вектора ускорения и нормалью (перпендикуляром) к прямой линии, соединяющей центр массы маятника 1 и ось его поворота в упругих шарнирах 2;

h - значение расстояния между осью поворота маятника 1 и нейтральной осью резонатора 3;

Δα - угловое перемещение маятника 1 от исходного положения под действием инерционной силы;

С_ш - жесткость (упругость) упругих шарниров 2.

Поворот маятника 1 на угол Δα обусловлен деформацией резонатора 3 под действием продольной силы P_p и в первом приближении может быть представлен линейной зависимостью:

где k - постоянный коэффициент, определяемый податливостью резонатора, расположением мест крепления его концов на маятнике 1 и первом основании 4, и расстоянием h между резонатором и осью поворота маятника.

Предельное допустимое значение продольной силы резонатора определяется его прочностью и задается, допустим, угловым перемещением маятника Δα_доп.. Значение Δα_доп. задается выбором значения зазора между маятником 1 и ограничителями его перемещения 7, расположенными на втором основании 5.

Продольная сила резонатора, возникающая вследствие ускоренного движения объекта с установленным на нем датчиком, определяется выражением, полученным из выражений (1), (2):

Величина j·cosφ=j_x представляет собой компоненту ускорения, действующую в направлении измерительной оси ОХ датчика; величины m_ч.э., L_ц.м., h, k, с_ш являются константами датчика. Для датчика, в котором справедливо соотношение (2), продольная сила резонатора 3 зависит от значения компоненты ускорения объекта в направлении измерительной оси датчика. В связи с зависимостью значения резонансной частоты резонатора 3 от значения, действующей на него продольной силы, изменение резонансной частоты под действием ускоренного движения будет определять значение ускорения. Преобразование резонансной частоты резонатора в частоту электрических сигналов осуществляется посредством подключения электромеханического преобразователя резонатора (на фигурах не показано) к автогенератору в качестве частотозадающего элемента.

В случае, когда на второе основание 5 датчика, помимо постоянного (квазистатического) ускорения, действует и переменная составляющая (например, вибрация), возникает переменная составляющая продольной силы резонатора 3. При этом в системе: маятник, резонатор, первое и второе основания, будут иметь место колебания маятника и первого основания. Амплитуда этих колебаний зависит от частоты переменной составляющей ускорения и параметров системы, определяемых массой маятника 1, упругостью резонатора 3 и упругого элемента 6 (соединяющего первое основание 4 со вторым основанием 5) и диссипативными потерями в упругих элементах. Для обеспечения высоких метрологических характеристик датчика в контуре, содержащем маятник 1, упругий шарнир 2, первое основание 4, резонатор 3 дисипативные потери в упругодеформируемых элементах (упругий шарнир 2, резонатор 3) должны быть минимально возможными. При этом в случае жесткого соединения первого основания 4 со вторым основанием 5 большой массы, что характерно для прототипа, образуется высокодобротная резонансная система. В этой системе под действием переменной составляющей ускорения (например, широкополосная вибрация) маятник 1 может иметь амплитуду колебаний, достигающую значений ограничения Δα_доп.. При этом ограничение амплитуды колебаний маятника будет происходить за счет его соударения с ограничителями 7, что, в свою очередь, приведет к детектированию колебаний и возникновению недопустимо больших погрешностей. Для исключения этих погрешностей маятник 1 должен быть оснащен демпфером, гасящим резонансные колебания маятника. При этом демпфирование не должно ухудшать метрологические характеристики датчика.

В заявляемом датчике демпфирование резонансных колебаний маятника 1 осуществляется за счет введения второго основания 5 и упругой связи с ним первого основания 4 с помощью упругих элементов 6, имеющих увеличенные механические (диссипативные) потери. В этом случае колебания маятника 1 относительно первого основания 4 взаимно связаны с его колебаниями относительно второго основания 5. Таким образом, заявляемый датчик представляет собой механическую систему с двумя степенями свободы. В этой системе маятник 1 при продольных деформациях силочувствительного резонатора 3 совершает угловые перемещения относительно первого основания 4, которое, в свою очередь, совершает угловое или поступательное движение относительно второго основания 5, жестко соединенное с объектом, ускорение движения которого измеряет датчик. Поведение механической системы с двумя степенями свободы может быть определено анализом принципиальной механической схемы. На фиг.3 представлена упрощенная механическая схема датчика, где:

m_M - инерционность маятника 1 (масса, момент инерции);

l_M - податливость упругой связи маятника 1 с первым основанием 4 (определяется податливостью резонатора 3 и упругих шарниров 2);

m₁ - инерционность первого основания 4 (масса, момент инерции);

m_Σ - суммарная масса второго основания и масса объекта (при их жестком соединении);

l₁ - податливость упругой связи (упругого элемента 6) первого основания 4 со вторым основанием 5;

S_M, S₁ - коэффициенты вязкого трения (сопротивления трения) упругих связей маятника с первым основанием и первого основания со вторым, соответственно.

Параметры механической системы датчика m_M, l_M выбираются исходя из требований по обеспечению коэффициента преобразования для заданного диапазона измеряемых значений ускорения; коэффициент трения S_M упругой связи маятника с первым основанием должен иметь минимально возможное значение. Необходимое демпфирование колебаний маятника обеспечивается выбором отношений ; и значением S₁ или отношением . Для выбора оптимальных значений, указанных выше параметров, необходимо решение дифференциальных уравнений движения элементов механической системы. Вид этих уравнений аналогичен уравнениям, описывающим процессы в электрических цепях. Это позволяет проводить анализ и расчеты механических систем с использованием методов анализа электрических схем (см. Г.А.Филатов и др. Малогабаритные низкочастотные механические фильтры, «Связь», 1984 г. или А.Ленк. Электромеханические системы «Мир», Москва, 1978 г.). Принципиальная схема механической системы датчика согласно фиг.3 с использованием второй системы электромеханических аналогий представлена на фиг.4,

где C_M - емкость конденсатора - аналог массы m_M;

L_M - индуктивность - аналог податливости l_M;

С₁ - емкость конденсатора - аналог массы m₁;

L₁ - индуктивность - аналог податливости l₁;

, - проводимости - аналоги коэффициентов вязкого трения S_M и S₁ соответственно;

U_вх, , - напряжения на элементах эквивалентной схемы - аналоги скоростей V_вх(t), V₁(t), V_M(t) соответственно;

I_вх, I_M - входной ток и ток в цепи L_M, C_M - аналоги сил, действующих в упругих связях l₁, l_M соответственно.

Таким образом, выбор оптимального отношения податливостей , и коэффициентов вязкого трения может быть осуществлен выбором отношений индуктивностей L_M, L₁ и сопротивлений R₁, R_M в электрическом аналоге (фиг.4). С помощью компьютерного моделирования процессов с использованием программы PSpice (MicroCap, DesignLab и др.) можно получить частотные зависимости отношения амплитуды напряжения на конденсаторе С_М - аналог амплитуды скорости колебаний маятника к амплитуде входного напряжения - аналог амплитуды скорости перемещения второго основания датчика для различных значений отношений , и . При этом в качестве исходных значений параметров датчика принято: - равенство значений резонансных частот механических и электрических колебаний.

Для прототипа , ; Q=400,

где - резонансная частота механической системы прототипа l₁=0 (L₁=0, жесткое соединение первого и второго оснований);

Q - добротность механической системы прототипа при отсутствии демпфирования.

Задавая произвольное значение С^, находим соответствующее ему значения L_M и R_M, обеспечивающие и Q=400. Задаваясь отношением m_M и m₁ и равным ему отношением С_М к С₁, вычисляются частотные зависимости напряжения на конденсаторе С_М для различных значений L₁, R₁ - аналогов податливости l₁ упругой связи первого и второго оснований и коэффициента вязкого трения. По значению отношения напряжений к U_вх можно определить условия, обеспечивающие требуемое демпфирование колебаний маятника. На фиг.5 представлены частотные зависимости отношений напряжений на конденсаторе С_М (аналог амплитуды скорости колебаний маятника) к амплитуде на входе U_вх (аналог амплитуды переменной скорости второго основания датчика) k_M для трех значений L₁, определяющих отношения , равные 1, 2 и 3 соответственно, при R₁=0,0057R_M и С₁=2С_М; на фиг.6 представлена частотная зависимость того же параметра для прототипа (L₁=0, Q=400) без демпфирующего устройства. Частотные зависимости амплитуд электрического напряжения на конденсаторе С_М и соответствующего ему аналогу - амплитуды скорости перемещения маятника имеют два экстремума с относительными значениями (отношение ), находящимися в пределах 2…5,4; у прототипа без демпфирования - это отношение равно значению добротности Q≈400; использование магнитоэлектрического демпфера позволяет уменьшать добротность на порядок (до 30…40). В предлагаемом устройстве можно обеспечить более эффективное демпфирование. Необходимое значение коэффициента вязкого трения упругой связи S₁ (упругого элемента 6) первого основания 4 со вторым основанием 5 может быть обеспечено при использовании эластичных демпфирующих компаундов, например, на основе кремнеорганических соединений (силиконов). Упругий элемент с увеличенными механическими (диссипативными) потерями может быть выполнен также в виде нескольких соприкасающихся пластин (типа рессоры) с изгибной формой деформации.

Разделение основания маятника на две части и введение упругой связи между ними позволяет не только обеспечить виброустойчивость датчика за счет эффективного демпфирования, но и повысить ударопрочность за счет уменьшения передачи ударных ускорений и растягивания во времени фронта нарастания ускорения. Для защиты от разрушения элементов датчика под действием экстремальных механических нагрузок используются ограничители 7 перемещения маятника 1 и первого основания 4. Ограничители 7 располагаются на втором основании.

Был изготовлен и испытан макет, подтверждающий работоспособность предлагаемого устройства.

Датчик резонаторный, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде маятника с одной степенью свободы, соединенный через упругие шарниры с первым основанием, и силочувствительный резонатор, концы которого соединены соответственно с чувствительным элементом и первым основанием, отличающийся тем, что дополнительно введено второе основание, соединенное с первым основанием через упругие элементы, при этом чувствительный элемент и первое основание имеют возможность ограниченного перемещения относительно второго основания.