Камертонный измерительный преобразователь механических напряжений и деформаций

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей силы, механических напряжений и деформаций, работоспособных при повышенных и пониженных температурах. Кремниевый камертонный преобразователь механических напряжений и деформаций содержит механический резонатор с ножками в форме сдвоенного камертона и рамочный упругий элемент. Ножки резонатора выполнены с возможностью колебания в противофазе в одной плоскости, возбуждаемые с помощью системы возбуждения колебаний. Упругий элемент выполнен в виде рамочной основы с утоненными областями, совмещен с основаниями сдвоенного камертона в области воздействия нагрузки. Средства возбуждения расположены в местах, определяемых максимальным абсолютным значением отношения продольного и поперечного механических напряжений при колебаниях резонатора. Области утонения расположены в местах упругого элемента с целью обеспечить устойчивость конструктивного выполнения резонатора за счет снижения коэффициента механической связи резонатора и упругого элемента через область. Техническим результатом изобретения является повышение точности, стабильности, а также упрощение технологического процесса и снижение себестоимости производства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям механических напряжений и деформаций, а также может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей силы, механических напряжений и деформаций, работоспособных при повышенных и пониженных температурах.

Преобразователь механических напряжений и деформаций в зависимости от конструктивных особенностей упругого элемента может быть включен в датчик усилий (силы), давления, акселерометр, датчик микроперемещений, уровня, температуры и т.д. Электромеханические системы на основе камертонных резонаторов обладают высокой механической добротностью. Наиболее употребляемым является метод работы с резонатором посредством пьезоэлектрического преобразователя, в котором возбуждение колебаний осуществляется за счет обратного пьезоэффекта, а съем измерительного сигнала - за счет прямого. Как правило, предлагается наносить пьезоэлектрический слой либо непосредственно на ножки камертона, что накладывает существенные ограничения на форму и структуру ножки, либо в области оснований сдвоенного камертона.

Известен преобразователь силы и способ его изготовления, патент РФ №2344390, кл. G01L 9/08, 2006 г., характеризующиеся тем, что камертонный резонатор выполняется полностью из пьезоматериала - кристаллического кварца. Резонатор выполнен в виде сдвоенных камертонов. Возбуждение колебаний и съем измерительного сигнала - пьезоэлектрические.

Недостатками данного преобразователя являются низкая устойчивость к внешним случайным механическим возмущениям, сложность изготовления, обусловленная многокомпонентной конструкцией, с необходимостью герметизации полости в кристаллическом кварце, а также по причине того, что кварц является более дорогим и сложным в обработке материалом по сравнению с монокристаллическим кремнием.

Известен генератор эталонного времени и способ его изготовления, патент РФ №2271603, кл. Н03Н 9/21, 2006 г., характеризующиеся тем, что структура резонатора и подложка выполнены из кристаллического кремния с помощью анизотропного травления, а возбуждение колебаний электростатическое и съем измерительного сигнала осуществляется с помощью емкостного метода. Резонатор выполнен в виде стандартного камертона (вилка) или в виде двух спаренных стандартных камертонов.

К недостаткам данного генератора относятся сложность изготовления, обусловленной сложной конструкцией резонатора в части формы электродов, а также составной структурой конструкции всего генератора.

Наиболее близким по технической сущности является резонансный камертонный преобразователь механического напряжения или деформации и способ его изготовления, патент Великобритании №2162314 А, кл. G01L 1/16, 1986 г., характеризующийся тем, что он полностью выполнен из монокристаллического кремния (включая упругий элемент). Резонатор выполнен в виде сдвоенных классических камертонов с утоненными базами (основаниями). Возбуждение колебаний осуществляется посредством пьезопленок или электрострикционных p-n-переходов (расположенных в основаниях сдвоенного камертона), а съем измерительного сигнала - электрически, например с помощью прямого пьезоэффекта, или оптически.

Недостатками прототипа являются низкая стабильность, обусловленная остаточными механическими напряжениями и нарушением кристаллической структуры, возникающие при селективном травлении, малая устойчивость к случайным внешним механическим воздействиям, обусловленная паразитными колебаниями в резонаторе, возникающими в области утонения упругого элемента.

Целью настоящего изобретения является повышение стабильности и устойчивости измерительного преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в камертонном измерительном преобразователе механических напряжений и деформаций, выполненном из монокристаллического кремния и содержащем ножки сдвоенного камертонного резонатора, выполненные с возможностью колебания в противофазе в одной плоскости, обусловленного возбуждением оснований камертона средствами возбуждения, упругий элемент, выполненный в виде рамочной основы с утоненными областями, согласно изобретению основания камертонного резонатора выполнены совмещенными с упругим элементом в области воздействия нагрузки, а средства возбуждения расположены в местах, определяемых в соответствии с максимальным абсолютным значением отношения продольного σПрод и поперечного σПопер механических напряжений на основаниях резонатора, определяемых математическим выражением:

ПродПопер|≈9·(d/l),

где d - ширина основания;

l - длина ножки,

при этом утоненные области упругого элемента расположены в местах, обеспечивающих устойчивость конструктивного выполнения резонатора, и определяются следующим математическим выражением:

μ12,

где μ1 - коэффициент механической связи камертонного резонатора и упругого элемента предложенной конструкции;

μ2 - коэффициент механической связи камертонного резонатора и упругого элемента прототипа.

Введение в конструкцию специального геометрического расположения средства возбуждения колебаний и съема измерительного сигнала в основаниях камертона позволяет сохранить высокую добротность и стабильность рабочего режима резонатора. Т.к. при обратном пьезоэлектрическом эффекте пьезоматериал обладает небольшими деформациями, но при этом способен создать большое механическое напряжение, его расположение при возбуждении имеет особенное значение.

Расположение систем возбуждения влияет на максимальные соотношения абсолютных значений механических напряжений в продольном и поперечном направлениях. Для сдвоенного камертона ножка механически представляет собой балку, заделанную с двух сторон, что подтверждается близким совпадением собственной частоты колебаний в противофазе, полученной для сдвоенного камертона на основе численного расчета, и значений первой собственной частоты на основе аналитического выражения для жестко заделанной балки с аналогичными параметрами. Исходя из этого силы F и моменты сил M в месте заделки ножек сдвоенного камертона в режиме противофазных колебаний можно выразить с помощью соотношения для сил и моментов сил в жестко заделанной балке. Продольные и поперечные механические напряжения, возникающие в центре системы возбуждения под влиянием ножек резонатора, соотносятся как силы, вызванные силами инерции и изгибающими моментами в области заделок ножек. На основе точного решения для жестко заделанной балки, Бабаков И.М. Теория колебаний. Изд. 3-е, стереотип. - М: «Наука», 1968, отношение абсолютных значений механических напряжений можно выразить как

ПродПопер|≈|2F·d/M|=9,299·d/l.

Оптимальность этого положения также подтверждается и численным моделированием распределения полей деформации и механических напряжений в ножках и основании предлагаемого изобретения. Кроме того, такое расположение не ограничивает геометрию резонатора, особенно ножек, и не требует особых мер в процессе нанесения топологии проводящей структуры преобразователя.

Относительно системы съема измерительного сигнала можно утверждать, что представленное расположение позволит снизить влияние паразитных механических напряжений и, соответственно, деформаций, могущих передаваться от упругого элемента в основания резонатора.

Утоненные участки в данном изобретении располагаются на упругом элементе таким образом, чтобы обеспечить устойчивость конструктивного выполнения резонатора. Наличие двух первично выделенных степеней свободы у областей утонения вызвано их специфической формой и асимметрией расположения резонатора для конструкции прототипа. Эти две степени имеют также свою связь друг с другом, которая является дополнительным слагаемым в общей механической связи, т.е.

μ21Доп1.

Это определяет преимущества выбранной конструктивной схемы для формы и расположения областей утонения.

Преимущества такого преобразователя заключаются в высокой стабильности метрологических характеристик за счет факторов использования нелегированного монокристаллического кремния и пьезоэлектрического возбуждения, обладающего малой инерционностью реакции, существенной линейностью и повышенной локальностью воздействия.

На фиг. 1а схематично представлено предлагаемое устройство (вид сверху).

На фиг. 1b представлен общий вид устройства и направления нагружающего усилия.

На фиг. 2 показаны пояснения принципа работы системы возбуждения колебаний и системы съема измерительного сигнала.

На фиг. 3а представлена структурная схема колебательных звеньев камертонного измерительного преобразователя данного изобретения.

На фиг. 3b представлена структурная схема колебательных звеньев камертонного измерительного преобразователя известного изобретения, являющегося прототипом.

Кремниевый камертонный преобразователь механических напряжений и деформаций содержит механический резонатор (8) с ножками (1) в форме сдвоенного камертона и рамочный упругий элемент (2), выполненные из монокристаллического кремния, систему возбуждения колебаний/съема измерительного сигнала (3), включающие электроды и пьезоэлектрическую пленку, токопроводящие дорожки (коммутационные шины) (4), контактные площадки (5), отверстия регулировки податливости упругого элемента (6), а также основания камертонного резонатора (7). Ножки (1) резонатора (8) выполнены с возможностью колебания в противофазе в одной плоскости, возбуждаемые с помощью системы возбуждения колебаний (3). Упругий элемент, выполненный в виде рамочной основы (2) с утоненными областями (6), совмещен с основаниями (7) сдвоенного камертона в области воздействия нагрузки (9). Средства возбуждения (3) расположены в местах, определяемых максимальным абсолютным значением отношения продольного и поперечного механических напряжений при колебаниях резонатора (8). Области утонения (6) расположены в местах упругого элемента (2) с целью обеспечить устойчивость конструктивного выполнения резонатора за счет снижения коэффициента механической связи резонатора (8) и упругого элемента (2) через область (9).

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое усилие (сила) прилагается к торцевым частям (к одной, если вторая зафиксирована, или сразу к двум) рамочного упругого элемента (2), приводящее к его деформации под действием механических напряжений в области специализированных отверстий (6). Данная деформация передается через основания (7) камертонного резонатора (8) на ножки (1), колеблющиеся, например, в режиме автоколебаний, что приводит к изменению их собственной частоты в результате удлинения. Таким образом, осуществляется преобразование внешнего усилия, механического напряжения или деформации в девиацию собственной частоты камертонного резонатора. Высокая чувствительность резонатора характеризуется фактически наличием двух спаренных чувствительных элементов (ножки камертона), колеблющихся в противофазе. Наличие массивного основания, выполненного заодно с упругим элементом из единого монокристалла, определяет высокую устойчивость (температурную, механическую) к нестабильности колебаний, особенно в режиме автогенератора.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого преобразователя по сравнению с известными аналогами являются повышенная точность, стабильность, а также упрощение технологического процесса и снижение себестоимости производства.

1. Камертонный измерительный преобразователь механических напряжений и деформаций, выполненный из монокристаллического кремния и содержащий ножки сдвоенного камертонного резонатора, выполненные с возможностью колебания в противофазе в одной плоскости, обусловленного возбуждением оснований камертона средствами возбуждения, упругий элемент, выполненный в виде рамочной основы с утоненными областями, отличающийся тем, что основания камертонного резонатора выполнены совмещенными с упругим элементом в области воздействия нагрузки, а средства возбуждения расположены в местах, определяемых в соответствии с максимальным абсолютным значением отношения продольного σПрод и поперечного σПопер механических напряжений на основаниях резонатора, определяемых математическим выражением:
ПродПопер|≈9·(d/l),
где d - ширина основания;
l - длина ножки,
при этом утоненные области упругого элемента расположены в местах, обеспечивающих устойчивость конструктивного выполнения резонатора, и определяются следующим математическим выражением:
µ12,
где µ1 - коэффициент механической связи камертонного резонатора и упругого элемента предложенной конструкции;
µ2 - коэффициент механической связи камертонного резонатора и упругого элемента прототипа.

2. Камертонный измерительный преобразователь механических напряжений и деформаций по п. 1, отличающийся тем, что выполняется методом анизотропного травления.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к конструкциям усиленных панелей и касается расчета сопротивления таких конструкций, подвергшихся комбинированным нагрузкам. Панель выполнена из однородного и изотропного материала.

Изобретение относится к системам водоотведения. В системе, включающей модуль перекачки воды, содержащий насосы, приемный резервуар с подводящим трубопроводом, модуль анализа диагностируемых параметров, модуль контрольно-измерительных приборов, блок ввода объемов приемного резервуара, блок анализа водопритока, модуль анализа диагностируемых параметров, снабженный блоками ввода геометрических характеристик приемного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода, анализа откачки воды из приемного резервуара, модуль контрольно-измерительных приборов снабжен датчиками уровня воды, установленными на подводящем трубопроводе и в приемном резервуаре, модуль перекачки воды снабжен запорно-регулирующим устройством с исполнительным органом, установленным на подводящем трубопроводе, устройством управления, при этом выходы блоков ввода геометрических характеристик приемного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода и блока анализа откачки воды из приемного резервуара подключены к входу блока анализа водопритока.

Изобретение относится к способу контроля продольно-напряженного состояния рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути. Определение продольных напряжений осуществляют непрерывно в движении железнодорожного подвижного состава при механическом взаимодействии катящегося железнодорожного колеса и рельса при возбуждении механических колебаний на контролируемых участках рельсовых плетей с регистрацией, преобразованием полученных колебаний в акустические и усилением сигнала, и при анализе спектра возбуждаемых колебаний по частоте и амплитуде, зависящих от величины продольных механических напряжений участков рельсовых плетей.

Изобретение относится к датчику веса автотранспортного средства (АТС). Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений и увеличение длительности жизненного цикла датчика в конкретных дорожных условиях.

Способ определения напряжений в конструкции без снятия статических нагрузок может быть использован для оценки прочности конструкции и прогнозирования ее несущей способности.

Изобретение относится к области измерения напряжения начального сдвига (пластичности) жидкостей в трубопроводе, например молока в шлангах доильного аппарата. Предложенный способ измерения напряжения сдвига столбика молока заключается в том, что предварительно устанавливается с помощью одного нагнетателя давление h1 = 20 - 25 мм водяного столба в стеклянной емкости, связанной трубопроводами с дифференциальным водяным манометром и капилляром, а трубопровод капилляра перекрыт зажимом, и с помощью второго нагнетателя всасывается в капилляр порция молока на длину столбика l0 = 1 - 2 см, после чего трубопровод перекрывается зажимом, устанавливается h2 = 25 - 30 мм водяного столба, зажим раздвигается.

Изобретение относится к редукторам дыхательных аппаратов. Редуктор содержит корпус и выполненные в нем три разделенные стенками камеры: камеру высокого давления (КВД) и камеру редуцированного давления (КРД), разделенные первой стенкой, камеру регулирования (КР), отделенную второй стенкой от КРД; седло с отверстием в первой стенке; перегородку с подвижным плунжером и клапаном, размещенным в КРД, разделяющую КР на поршневую и кольцевую полости; первый канал, соединяющий КРД с поршневой полостью КР; второй канал, соединяющий кольцевую полость КР с окружающей средой, третий канал с дросселем, соединяющий КВД с кольцевой полостью КР; обратный клапан, подсоединенный ко второму каналу.

Изобретение относится к области садоводства, а именно к средствам контроля для оценки физико-механических свойств ягод. Прибор состоит из портативного корпуса с расположенными в нем кнопками управления, буквенно-цифрового жидкокристаллического индикатора, силоизмерительного датчика, подключенного к электроизмерительному устройству, снабженному пиковым детектором и компенсатором тары, а также захвата ягод, механически соединенного с силоизмерительным датчиком через стержневой распределитель силы и выполненного в виде шарнирно соединенных неподвижной и подпружиненной подвижной захватных чашеобразных губок, и устройства управления захватом ягод, закрепленного на корпусе и кинематически связанного с хвостовиком подвижной захватной чашеобразной губки для обеспечения открывания и закрывания захватных губок.

Предлагаемое изобретение предназначено для измерения давления начала открытия предохранительных клапанов. Применение предлагаемого способа измерения давления начала открытия предохранительных клапанов обеспечивает снижение трудоемкости определения давления начала открытия предохранительных клапанов без их демонтажа с трубопровода путем измерения усилий, требуемых для открытия клапанов при двух разных давлениях в их внутренней полости и последующим вычислением давления начала открытия предохранительных клапанов по зависимостям: где: РH - давление начала открытия предохранительного клапана; Р1 - давление во внутренней полости предохранительного клапана при первом измерении его давления начала открытия; Р2 - давление во внутренней полости предохранительного клапана при повторном измерении его давления начала открытия; F1 - усилие, необходимое для открытия предохранительного клапана при первом измерении его давления начала открытия; F2 - усилие, необходимое для открытия предохранительного клапана при повторном измерении его давления начала открытия.

Изобретение относится к регуляторам потока, а именно к регуляторам потока с чашеобразной конструкцией седла. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и улучшение регулировки.

Настоящее изобретение относится к оборудованию для изготовления шин. В частности, настоящее изобретение относится к противодеформационному узлу для обеспечения осевой устойчивости оборудования для производства шин, которое включает в себя вращающийся, расширяющийся или сжимающийся барабан. Заявленный вращающийся, расширяющийся и сжимающийся барабан, используемый при производстве шин для транспортных средств, снабженный главным валом, определяющим ось вращения барабана, содержит несколько сегментов, из которых первый и второй комплекты сегментов, расположенные с противоположных сторон от поперечной диаметральной плоскости барабана, центральный управляющий механизм, предназначенный для регулировки радиального положения сегментов относительно оси барабана и осевого перемещения обоих комплектов сегментов относительно друг друга, при этом сегменты имеют возможность занимать расширенное и сжатое положение относительно оси барабана, несколько проушин, каждая из которых неподвижно закреплена к внутренней части соответствующего сегмента, при этом каждая проушина первого комплекта сегментов имеет сквозное отверстие, соосное сквозному отверстию проушины второго комплекта сегментов, несколько цилиндрических штанг, каждая из которых имеет на внешней поверхности симметричные первую и вторую винтовые канавки и установлена в соосных сквозных отверстиях соответствующих проушин, несколько щитов для перекрытия зазора, каждый из которых расположен примерно в средней секции соответствующей цилиндрической штанги и снабжен фиксатором, через который проходит цилиндрическая штанга и который предназначен для стопорения и расфиксации цилиндрической штанги от вращения относительно первого и второго комплектов сегментов, несколько упрочненных штифтов, каждый из которых проходит через соответствующую проушину в соответствующий винтовой паз соответствующей цилиндрической штанги, при этом каждая цилиндрическая штанга установлена с возможностью ее вращения относительно соответствующего отверстия и фиксатора, что обеспечивает перемещение упрочненного штифта в соответствующем винтовом пазу и осевое перемещение обоих комплектов сегментов относительно друг друга, и с возможностью ее стопорения относительно соответствующего отверстия и фиксатора, предотвращая перемещение упрочненного штифта в соответствующем винтовом пазу и осевое перемещение обоих комплектов сегментов относительно друг друга. Технический результат заключается в обеспечении осевой устойчивости вращающегося, расширяющегося и сжимающегося барабана при производстве каркасов шин. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Система (6) для сброса грузов из летательного аппарата (10) содержит грузовой парашют (2) с канатом (4) грузового парашюта и средства (21) приведения в действие, предназначенные для введения грузового парашюта (4) в окружающий воздушный поток позади летательного аппарата (10). Внутри летательного аппарата (10) расположено приемное устройство (20), которое получает сигнал тягового усилия в канате (4) грузового парашюта, причем указанное тяговое усилие измерено при помощи устройства (12) измерения усилия и передано при помощи передающего устройства (18). Способ сброса грузов характеризуется использованием системы (6). Система парашютирования грузов содержит грузовой парашют (2) с канатом (4) грузового парашюта и первое устройство (12) измерения усилия в канате (4). Воздушное судно содержит закрываемое отверстие и систему (6). Группа изобретений направлена на то, чтобы оценивать правильность раскрытия грузового парашюта (2) в воздушном потоке вокруг летательного аппарата до аварийного разъединения каната парашюта. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к испытательным стендам для определения механических сопротивлений упругих вставок в трубопроводы с жидкостью. Техническим результатом заявляемой установки является обеспечение проведения достоверных измерений механических сопротивлений гибких вставок в трубопроводы. Технический результат достигается за счет жесткого крепления поршня входной и выходной камер через упор и поршня к опорным уголкам и использования, по меньшей мере, четырех вибраторов, расположения датчиков силы между входной камерой и фланцем упругой вставки, что в совокупности обеспечивает создание установки для проведения достоверных измерений механических сопротивлений благодаря соблюдению граничных условий по рабочей среде упругой вставки в трубопроводы с жидкостью. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способам оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и может быть использовано для определения механических напряжений и деформаций элементов сложных конструкций расчетно-экспериментальным методом. Сущность: осуществляют проведение прямых измерений напряжений в контрольных точках, определение НДС по результатам расчета методом конечных элементов с использованием результатов прямых измерений для корректировки расчетной схемы. Осуществляют выполнение прямых измерений именно методом акустоупругости, позволяющим определить не поверхностные, а усредненные по толщине стенки напряжения, и процедуру определения силовых граничных условий, действующих на каждый элемент сложной конструкции непосредственно по результатам прямых измерений напряжений с последующим выполнением уточняющего прочностного расчета. Технический результат: повышение достоверности расчетной оценки напряженно-деформированного состояния элементов сложных конструкций при выполнении расчета методом конечных элементов за счет определения силовых граничных условий расчетной модели по результатам измерения напряжений инструментальными методами.
Наверх