Датчик резонаторный

Изобретение относится к метрологии, в частности к датчикам механических ускорений. Датчик представляет собой резонатор, выполненный в виде сдвоенного камертона, и содержит основание, чувствительный элемент с маятниковым подвесом в виде двух стержней, упругие шарниры, размещенные на одной пластине монокристалла кварца Z-среза. Первые концы стержней соединены с чуствительным элементом, а вторые концы через упругие шарниры соединены с основанием. Стержневой резонатор выполнен на второй пластине монокристалла кварца Z-среза меньшей толщины, на концах которого образованы участки с увеличенной поверхностью для присоединения к чувствительному элементу и к основанию соответственно. Стержни резонатора могут иметь как постоянную, так и переменную ширину. В концевых элементах выполнены отверстия для введения стеклоспая, соединяющего участки стержневого резонатора с поверхностями чувствительного элемента и основания. Размер площади концевых участков выбран исходя из использованием стеклоспая, качество соединения определяется по отсутствию гистерезиса при предельных нагрузках на резонатор. Технический результат - повышение точности измерений, уменьшение трудоемкости изготовления. 3 ил.

 

Изобретение относится к области измерений параметров движения - ускорения. Известен датчик резонаторный (см. патент РФ №2217767 от 01.04.2002, опубликован в БИ №33 от 27.11.2003), содержащий основание из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента, его подвеса в виде двух стержней и стержневого резонатора, одни концы которых соединены с основанием, а другие концы соединены с чувствительным элементом, на стержнях подвеса выполнены упругие шарниры для перемещения чувствительного элемента относительно основания.

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

Для работы датчика резонаторного необходимо, чтобы ось поворота упругих шарниров маятникового подвеса и нейтральная плоскость стержневого резонатора были параллельны и не совпадали друг с другом, для чего требуется выполнение резонатора и упругих шарниров с меньшей толщиной относительно толщины основания. При изготовлении датчика резонаторного для получения требуемой формы и размеров его элементов: основания, чувствительного элемента, маятникового подвеса, упругих шарниров и стержневого резонатора с монолитным соединением между собой применяется технология жидкостного химического травления. Вследствие наличия у кварца анизотропии физических свойств и ограниченности времени травления, на некоторых гранях элементов датчика остаются клинья травления с заметным разбросом размеров, что приводит к разбросу важных характеристик датчика: начальной частоты резонатора, его чувствительности и увеличению погрешности измерения. Кроме того, увеличивается отход при производстве, трудоемкость изготовления и стоимость датчиков, что является основным недостатком прототипа.

Решаемой технической задачей является создание устройства с меньшей стоимостью и трудоемкостью изготовления при обеспечении малой погрешности измерения.

Достигаемым техническим результатом является уменьшение погрешности измерения.

Для достижения технического результата в датчике резонаторном, содержащем стержневой резонатор в виде сдвоенного камертона и выполненные на одной пластине монокристалла кварца Z-среза основание, чувствительный элемент с маятниковым подвесом в виде двух стержней, одни концы которых соединены с чувствительным элементом, а другие концы через упругие шарниры соединены с основанием, новым является то, что стержневой резонатор выполнен на другой пластине монокристалла кварца Z-среза меньшей толщины, на концах которого образованы участки с развитой поверхностью для присоединения к чувствительному элементу и основанию соответственно.

На фиг. 1 изображен резонатор силочувствительный, на фиг. 2 изображено основание с чувствительным элементом и маятниковым подвесом, соединенным с основанием упругими шарнирами (два возможных варианта исполнения фиг. 2а, фиг. 2б).

На фиг. 2 пунктиром обозначены места присоединения концевых частей 4 (участки с развитой поверхностью) резонатора (см. фиг. 1).

Новая совокупность существенных признаков позволяет уменьшить погрешность, трудоемкость и стоимость датчика.

Датчик резонаторный содержит стержневой резонатор в виде сдвоенного камертона (фиг. 1) и выполненные на одной пластине монокристалла кварца Z-среза основание 6, чувствительный элемент 7 с маятниковым подвесом в виде двух стержней 8, одни концы которых соединены с чувствительным элементом 7, а другие концы через упругие шарниры 9 соединены с основанием 6, стержневой резонатор выполнен на другой пластине монокристалла кварца Z-среза меньшей толщины, на концах которого образованы участки 4 с развитой поверхностью для присоединения к чувствительному элементу 7 и основанию 6 соответственно.

В качестве силочувствительного резонатора типа сдвоенного камертона могут быть использованы резонаторы с различной формой стержней 1 (как с постоянной шириной - изображен на фиг. 1, так и с переменной по длине шириной). В концевых элементах 4 выполнены отверстия 5 для введения компонента, соединяющего участки 4 стержневого резонатора (фиг. 1) с поверхностями 10 чувствительного элемента 7 и основания 6 (фиг. 2). Размер площади концевых участков 4 выбираются из условия надежного соединения с чувствительным элементом 7 и основанием 6, качество соединения определяется по отсутствию гистерезиса при предельных нагрузках на резонатор.

Датчик работает следующим образом. При ускоренном движении объекта, на котором закреплено основание 6, на его чувствительный элемент 7 будет действовать инерционная сила Fи, стремящаяся повернуть физический маятник, который образован чувствительным элементом 7 и стержнями подвеса 8 относительно оси упругих шарниров 9. Угловому перемещению чувствительного элемента 7 на маятниковом подвесе 8 препятствует силочувствительный резонатор (фиг. 1). Поскольку ось поворота упругих шарниров 9 и нейтральная плоскость стержней 1 резонатора находятся на некотором расстоянии h в элементах силочувствительного резонатора, возникает продольная сила растяжения (сжатия). Момент инерционной силы Ми равен:

Ми=Fн·L,

где Fи - инерционная сила, действующая на чувствительный элемент 7;

L - плечо инерционной силы - расстояние от центра массы системы, состоящей из чувствительного элемента и маятникового подвеса 8, до оси поворота упругого шарнира 9.

Момент Ми уравновешивается суммой двух реактивных моментов: Mp - пары реактивных сил, возникающих в резонаторе и подвесе и реактивным моментом упругих шарниров Мш. Значение Мш много меньше Mp и поэтому можно в первом приближении принять:

Ми≈Mp=h·Pрез или

P р е з = F u L h

где Pрез - продольная сила в резонаторе.

Резонансная частота силочувствительного резонатора фиг. 1 определяется размерами стержней 1, их формой, физическими свойствами материала и значением продольной силы Pрез. При возбуждении в резонаторе резонансных колебаний при помощи известных устройств (электромеханического преобразователя, подключенного в цепь обратной связи усилителя) и измерении значений резонансной частоты, обеспечивается измерение ускорения движения основания 6 и, соответственно, объекта, на котором установлено основание 6. Продольная сила резонатора Ρ передается от чувствительного элемента 7 и основания 6 через компонент (стеклоспай) на концевые участки резонатора 4. В соединяющем слое компонента возникают механические напряжения сдвига, значение которых обратно пропорционально площади соединения участков с развитой поверхностью 4 резонатора, с основанием 6 и с чувствительным элементом 7. Выбирая значение площади соединения указанных выше элементов, можно обеспечить значение напряжений сдвига в соединяющем слое в допустимых пределах (в пределах упругости).

Предлагаемое изобретение может быть реализовано в двух вариантах исполнения основания: вариант фиг. 2а и вариант фиг. 2б. В варианте фиг. 2б основание разделено упругими шарнирами 11 на неподвижную часть 6 (выделена штриховкой) и подвижную часть 12, к которой присоединены маятник чувствительного элемента 7 и концевая часть 4 силочувствительного резонатора. Для защиты элементов датчика от действия нагрузок, превышающих предельно допустимые значения, используются ограничители (на фиг. 2 не показаны) в виде крышек, соединенных с неподвижной частью основания 6.

В экспериментальных образцах датчика, изготовленных согласно предлагаемому изобретению, соединение концевых участков 4 резонатора с чувствительным элементом 7 и основанием 6 (12) осуществлено пайкой стеклом, качество соединений не хуже, чем у монолитного исполнения прототипа. Раздельное изготовление элементов датчика - основания с чувствительным элементом фиг. 1 и резонатора фиг. 2 - позволяет снять ограничения по времени травления, устранив тем самым клинья травления на гранях элементов; толщина резонатора задается толщиной заготовки, выполняемой механической обработкой (шлифовка, полировка), при его изготовлении наиболее полно реализуются преимущества групповой технологии - из одной и той же заготовки изготавливаются в несколько раз больше резонаторов, чем в составе монолитного варианта прототипа. Согласно предлагаемому изобретению были изготовлены и исследованы экспериментальные образцы датчиков резонаторных. Результаты испытаний подтвердили работоспособность датчиков, более высокую технологичность его изготовления.

Датчик резонаторный, содержащий стержневой резонатор в виде сдвоенного камертона и выполненные на одной пластине монокристалла кварца Z-среза основание, чувствительный элемент с маятниковым подвесом в виде двух стержней, одни концы которых соединены с чувствительным элементом, а другие концы через упругие шарниры соединены с основанием, отличающийся тем, что стержневой резонатор выполнен на другой пластине монокристалла кварца Z-среза меньшей толщины, на концах которого образованы участки с развитой поверхностью для присоединения к чувствительному элементу и основанию соответственно.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерения механических параметров. Резонатор силочувствительный с изгибной формой колебаний выполнен в виде двух идентичных параллельно расположенных между собой стержней, одни концы которых жестко соединены между собой и с первым элементом приложения измеряемой силы, а другие концы соединены через первые упругие шарниры со вторым элементом приложения измеряемой силы, при этом вторые упругие шарниры выполнены в средней части каждого стержня с образованием клиновидных участков с большей изгибной жесткостью, узкие части которых обращены в сторону первых и вторых упругих шарниров соответственно.

Предлагаемое изобретение относится к области приборостроения и предназначено для автономного измерения ускорения летательных аппаратов. Струнный акселерометр содержит на своем основании чувствительные элементы, включающие струну, закрепленную одним концом на корпусе, другим на грузе, размещенном на упругом пластинчатом подвесе, и магнитоэлектрические приводы для поддержания автоколебаний струн.

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к струнным акселерометрам для автономного определения параметров движения летательных аппаратов и может быть использовано при производстве струнных акселерометров.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой преобразователь пути и линейной скорости движения объекта в код и может использоваться при контроле положения и скорости при малых (0,1 мкм÷10 мкм) и больших (до 10 см) перемещениях.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений ускорения и других параметров. .

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано для определения ускорения поступательного движения космического аппарата. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерениям механических параметров, в частности силы или ускорения. .

Изобретение относится к области измерений механических параметров. .

Изобретение относится к области измерений механических параметров. .

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы при определении характеристик движения объектов, таких как скорость, ускорение, вибрации и т.д. Чувствительный элемент датчика для определения характеристик движения состоит из сигнальной плоской катушки индуктивности или ее части, размещенной в магнитном поле жестко связанного с ней постоянного магнита. Указанный чувствительный элемент может быть использован в качестве элемента печатной платы, одинарной или многослойной. При этом многослойную печатную плату выполняют таким образом, что либо как минимум один из ее слоев, не содержащий чувствительный элемент, включает как минимум один фрагмент как минимум одного витка катушки электромагнита; либо слой с катушкой заключен в толще печатной платы, как минимум часть слоев которой выполняет функцию соленоида. Техническим результатом изобретения является усиление полезного сигнала сенсора, основанного на электроинерционных явлениях. 4 н. и 35 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям линейного ускорения, а также к области космической техники. Спутниковый акселерометр маятникового типа содержит корпус, маятник с инерционной массой, торсионный подвес, датчик перемещений, компенсационную систему обратной связи, при этом в конструкции имеются два ограничителя движения маятника, жестко скрепленные с корпусом прибора, при этом один расположен в центре масс маятника, а второй расположен вдоль оси торсионного подвеса маятника. Технический результат – повышение порога чувствительности спутникового акселерометра. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к метрологии, в частности к датчикам механических ускорений. Датчик представляет собой резонатор, выполненный в виде сдвоенного камертона, и содержит основание, чувствительный элемент с маятниковым подвесом в виде двух стержней, упругие шарниры, размещенные на одной пластине монокристалла кварца Z-среза. Первые концы стержней соединены с чуствительным элементом, а вторые концы через упругие шарниры соединены с основанием. Стержневой резонатор выполнен на второй пластине монокристалла кварца Z-среза меньшей толщины, на концах которого образованы участки с увеличенной поверхностью для присоединения к чувствительному элементу и к основанию соответственно. Стержни резонатора могут иметь как постоянную, так и переменную ширину. В концевых элементах выполнены отверстия для введения стеклоспая, соединяющего участки стержневого резонатора с поверхностями чувствительного элемента и основания. Размер площади концевых участков выбран исходя из использованием стеклоспая, качество соединения определяется по отсутствию гистерезиса при предельных нагрузках на резонатор. Технический результат - повышение точности измерений, уменьшение трудоемкости изготовления. 3 ил.

Наверх