Датчик ускорения

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям ускорений. Датчик ускорения содержит основание и корпус с полостью, заполненной резиноподобной средой, не имеющей связи с основанием, балочку с тензорезистором, работающую на изгиб, отношение модуля упругости балочки Ε1 к модулю упругости среды Е2 удовлетворяет условию: Ε12≥5⋅102, при этом балочка помещена в резиноподобную среду параллельно основанию равноудаленно от стенок корпуса. Технический результат – увеличение ударной прочности и снижение поперечной чувствительности датчика. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям ускорений.

Известен датчик ускорений [SU №1174862, МПК G01P 15/12, опубл. 23.08.1985 г.], содержащий основание и корпус с полостью, заполненной диэлектрической жидкостью, инерционную массу и два чувствительных элемента с размещенными на них тензорезисторами. Инерционная масса (в виде шара) установлена в направляющей опоре (в виде выступов на корпусе), ось которой совпадает с направлением измеряемых ускорений. Чувствительные элементы, выполненные в виде плоских упругих пластин, расположены симметрично с противоположных сторон инерционной массы. При наличии ускорения инерционная масса, перемещаясь в направляющей опоре, воздействует на чувствительные элементы, вызывая их деформацию, которую воспринимают и преобразовывают в электрический сигнал тензорезистором.

Данный датчик ускорений имеет жидкостное демпфирование, снижающее наложенные колебания на информационный сигнал и относительно высокую основную чувствительность.

Однако недостатком данного устройства является изначально напряженное состояние пластин. При наличии ударной нагрузки возможен переход из упругой деформации в пластическую, что ведет к выходу датчика из строя, а это, в свою очередь, снижает ударную прочность.

Известен датчик ускорения [RU №2014619, МПК7 G01P 15/12, опубл. 15.06.1994 г.], содержащий основание и корпус с полостью, заполненной резиноподобной средой, не имеющей связи с основанием, балочку с тензорезистором, работающую на изгиб, при этом отношение модуля упругости балочки Е1 к модулю упругости среды Е2 удовлетворяет условию: Е12≥5⋅102. Один конец балочки закреплен консольно в стенке корпуса. Данное устройство рассматривается в качестве прототипа.

Консольное закрепление балочки в стенке приводит к снижению ударной прочности датчика, так как именно место заделки балочки в корпусе является концентратором механических напряжений. При этом тензорезистор, расположенный на балочке, либо непосредственно попадает в зону концентрации напряжения, либо находится вблизи ее, что увеличивает чувствительность датчика к поперечной составляющей вектора ускорения. Кроме этого, один из выводных проводников проходит через значительную часть резиноподобной среды, что вносит асимметрию в динамику ее движения (ограничение движения в боковом направлении) в процессе ударного нагружения, а это также сказывается неблагоприятным образом на поперечной чувствительности.

Недостатком прототипа является недостаточная ударная прочность и достаточно большое значение поперечной чувствительности.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении ударной прочности и снижении поперечной чувствительности датчика.

Технический результат достигается тем, что в датчике ускорения, содержащем основание и корпус с полостью, заполненной резиноподобной средой, не имеющей связи с основанием, балочку с тензорезистором, работающую на изгиб, отношение модуля упругости балочки Ε1 к модулю упругости среды Е2 удовлетворяет условию: Е12≥5⋅102, согласно изобретению балочка помещена в резиноподобную среду параллельно основанию равноудаленно от стенок корпуса.

Размещение балочки в резиноподобной среде равноудаленно от стенок корпуса имеет ряд преимуществ. С одной стороны, балочка защищена резиноподобной средой (в случае интенсивного удара балочка смещается вместе с резиноподобной средой и деформируется не так интенсивно, как при консольном закреплении (в прототипе), где при переходе из упругой деформации балочки в пластическую датчик выйдет из строя). С другой стороны, балочка ограничивает степень деформации тензорезистора и защищает его от излома, в отличие от прототипа, где точка крепления балочки в корпус является концентратором напряжения. Таким образом, повышается ударная прочность предлагаемого датчика. При размещении балочки ближе к какой-либо стенке корпуса степень ее деформации будет уменьшаться - балочка будет работать в меньшей степени на изгиб и в большей степени на радиальное смещение. Размещение балочки равноудаленно от стенок корпуса вносит симметрию в динамику движения балочки при наличии ускорения. Балочка изгибается, максимум ее деформации (напряжения) пропорционален ускорению и приходится на ее середину, то есть захватывает практически весь чувствительный слой тензорезистора. В зоне нахождения выходных проводников движение среды минимально. Следовательно, жесткость проводников оказывает незначительное влияние на динамику среды и балочки. В отличие от прототипа, где в случае бокового удара при консольном закреплении возникает деформация балочки - свободный конец смещается относительно закрепленного конца, балочка изгибается - и датчик вырабатывает неинформационный сигнал. В предлагаемой конструкции датчика при боковом ударе деформация балочки минимальна, что снижает поперечную чувствительность. Размещение балочки параллельно основанию обусловлено тем, что при размещении балочки под каким-либо углом по отношению к основанию при боковом (неизмеряемом) ударе она будет деформироваться, приведя к увеличению поперечной чувствительности, что нежелательно.

Практика проектирования датчика ускорения, проведенные расчеты и опытная отработка показали, что выполнение соотношения размера L полости, в плоскости которой расположена балочка, к ее длине , удовлетворяющее условию: позволяет повысить основную чувствительность датчика. При значении соотношения, меньшем 1,05, датчик потеряет работоспособность из-за возможного зажима балочки, вызванного различием температурных коэффициентов линейного расширения используемых материалов. При значении соотношения, большем 1,2, будет отсутствовать необходимая слабина выводных проводников, влияющая на динамику движения резиноподобной среды и балочки, что приведет к снижению основной чувствительности датчика, так как деформация резиноподобной среды будет в меньшей степени изгибать балочку.

Наличие в заявленном изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет его считать соответствующим условию "новизна".

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 приведен общий вид датчика;

на фиг. 2 изображена деформация резиноподобной среды под действием ускорения ;

на фиг. 3 показан вариант выполнения датчика ускорения с двумя тензорезисторами;

на фиг. 4 приведена электрическая схема подключения тензорезисторов в варианте выполнения датчика с двумя тензорезисторами.

Устройство выполнено следующим образом.

Предлагаемый датчик ускорения (фиг. 1) содержит основание 1 и корпус 2 с полостью, заполненной резиноподобной средой 3, не связанной с основанием 1, и балочку 4, помещенную в резиноподобную среду 3 равноудаленно от стенок корпуса 2. Работающая на изгиб балочка 4 установлена параллельно основанию 1 и снабжена тензорезистором 5, имеющим выводы 6, подключаемые к измерительной аппаратуре. Модули упругости среды 3 и балочки 4 удовлетворяют условию: Е12≥5⋅102, где E1 - модуль упругости балочки 4, а Е2 - модуль упругости резиноподобной среды 3. При этом соотношение размера L полости, в плоскости которой расположена балочка 4, к ее длине удовлетворяет условию: . Отношение модулей упругостей Е12 непосредственно влияет на степень деформации балочки 4 и, следовательно, на чувствительность датчика. Снижение значения соотношения Е12 ведет к снижению чувствительности датчика (чем это отношение меньше, тем меньше деформируется балочка). Дальнейшее увеличение отношения модулей упругости (>5⋅102) значительного вклада в чувствительность датчика не вносит.

Датчик работает следующим образом.

При воздействии измеряемого ускорения, направленного от основания 1 в тело датчика, в результате действия инерционных сил, деформируется резиноподобная среда, которая, в свою очередь, изгибает балочку (фиг. 2). Максимум деформации (напряжения) балочки 4 пропорционален ускорению и приходится на ее середину, то есть захватывает практически весь чувствительный слой тензорезистора 5, повышая основную чувствительность датчика. При этом в зоне нахождения выходных проводников 6 движение минимально, а следовательно, их жесткость оказывает незначительное влияние на динамику среды 3 и балочки 4, снижая поперечную чувствительность.

Возможность промышленной реализации и практической возможности достижения требуемого технического результата при использовании изобретения иллюстрируется следующим примером.

Пример.

Датчик ускорения содержал основание 1 и корпус 2 с полостью, образованной цилиндрическим отверстием диаметром d и заполненной не связанной с основанием резиноподобной средой 3 (эпоксидный клей ЭЛ-20 и пластификатор ПДИ-3АК). В среде 3 параллельно основанию 1 и равноудаленно от стенок корпуса 2 была помещена работающая на изгиб балочка 4 с размещенным на ней полупроводниковым тензопреобразователем 5, имеющим выводы 6, подключаемые к измерительной аппаратуре. Размер полости L (диаметр полости d), в плоскости которой расположена балочка 4, составлял 3,8 мм, а длина балочки 4 была равна мм, что удовлетворяло соотношению: . Модуль упругости среды 3 составлял Е2=5⋅105 Па, а балочки - Е1=1011 Па, что удовлетворяло условию: E1/E2≥5⋅102. При воздействии измеряемого ускорения , направленного от основания 1 в тело датчика, в результате действия инерционных сил деформировалась резиноподобная среда, которая, в свою очередь, изгибала балочку.

На предприятии были проведены сравнительные экспериментальные исследования предлагаемой конструкции и конструкции датчика, выполненного по прототипу, при вышеприведенных значениях размеров полости L и балочки , соотношения модулей упругости среды и балочки Е12, которые показали следующее. Датчик с консольным закреплением балочки (по прототипу) разрушился при ударном ускорении до 10000 g. А датчик, выполненный по предлагаемой конструкции, выдержал ускорение более 30000 g, что подтвердило повышение ударной прочности предлагаемой конструкции. Основная чувствительность у прототипа составила порядка 0,8 мкОм/ (Ом⋅g), а поперечная чувствительность составила 5…15%. Основная чувствительность предлагаемого датчика составила порядка 1,0 мкОм / (Ом⋅g), а поперечная чувствительность не превысила 3%, что подтвердило снижение поперечной чувствительности датчика.

Обоснованность выбора значений L и , удовлетворяющая условию: , подтверждена экспериментом. Расчеты показывают, что при модуле упругости РПС Е1=5⋅105 Па, модуле упругости балочки 4 Е2=1011 Па, ее длине мм и диаметре полости d=L=3,6 мм () нижняя (первая) частота колебаний резиноподобной среды 3 совместно с балочкой 4 составляет 8,4 кГц, а механическое напряжение в центре балочки равно σ=213⋅105 Па. Для той же балочки при d=L=6 мм (т.е при ) частота колебаний среды составила кГц, σ=233⋅105 Па. Высота заливки полости на коэффициент преобразования датчика (отношение величины измеряемого ускорения к механическому напряжению в центре балочки) и частоту практически значимого влияния не оказывают. Представленные результаты показывают, что увеличение значения приводит к повышению коэффициента преобразования всего на 9%, а первая частота снижается в 3,3 раза. Последнее весьма нежелательно для датчиков ударных ускорений.

Для дальнейшего увеличения основной чувствительности датчика и снижения поперечной чувствительности до уровней менее 2,5% возможен вариант выполнения датчика с двумя тензорезисторами 5 (фиг. 3). Для чего в корпус 2 дополнительно введена вторая полость, идентичная первой (одна из стенок обеих полостей является общей) с аналогичным тензорезистором 5 на балочке 4. Балочки 4 в полостях установлены соосно и повернуты по отношению друг к другу относительно продольной оси на 180°. Тензорезисторы балочек TP 1 и TP 2 (фиг. 4) электрически соединены по полумостовой схеме.

В данном варианте выполнения датчика при наличии ускорения , тензорезисторы 5 на балочках 4 испытывают деформацию различных знаков (один тензорезистор работает на растяжение, другой - на сжатие), в результате чего они будут вырабатывать сигналы разных полярностей, что в соединении тензорезисторов по полумостовой схеме дает удвоение коэффициента преобразования, увеличивая основную чувствительность датчика. При действии же ускорения в поперечном направлении сигналы, как правило, однополярны, а полумостовое соединение тензорезисторов синфазные помехи вычитает, снижая поперечную чувствительность датчика. Предложенная конструкция экспериментально опробована. Она работоспособна при пиковом ударном ускорении до 5⋅105 м/с2, при этом поперечная чувствительность составила менее 2,5%, а собственная частота ≈10 кГц.

Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для измерения ускорений;

- обеспечение повышения ударной прочности и основной чувствительности при снижении поперечной чувствительности датчика;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

1. Датчик ускорения, содержащий основание и корпус с полостью, заполненной резиноподобной средой, не имеющей связи с основанием, балочку с тензорезистором, работающую на изгиб, отношение модуля упругости балочки Ε1 к модулю упругости среды Е2 удовлетворяет условию: Ε12≥5⋅102, отличающийся тем, что балочка помещена в резиноподобную среду параллельно основанию равноудаленно от стенок корпуса.

2. Датчик ускорения по п. 1, отличающийся тем, что соотношение размера L полости, в плоскости которой расположена балочка, к ее длине l удовлетворяет условию: L/l=1,05…1,2.

3. Датчик ускорения по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в корпус дополнительно введена вторая полость, идентичная первой с аналогичным тензорезистором на балочке, балочки в полостях установлены соосно и повернуты по отношению друг к другу относительно продольной оси на 180°, тензорезисторы балочек электрически соединены по полумостовой схеме.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для измерения линейных ускорений и может быть использовано для одновременного измерения ускорений вдоль трех взаимно перпендикулярных осей.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении интегральных акселерометров. Чувствительный элемент интегрального акселерометра выполнен из проводящего монокристаллического кремния и содержит маятник 3, соединенный с помощью упругих подвесов 2 с каркасной рамкой 1, обкладки 4, соединенные с каркасной рамкой 1 через площадки 6, расположенные на каркасной рамке 1.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорения подвижных объектов. .

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования механических воздействий в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить ускорение или силу воздействий.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к акселерометрам. .

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования механических воздействий в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить ускорение или силу ударов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах диагностирования промышленных роботов. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к линейным осевым акселерометрам, предназначенным для применения в навигационных системах летательных аппаратов, морских судов и на транспорте.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для построения электронной системы преобразователя линейных ускорений. Электронная система компенсационного акселерометра содержит дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель, состоящий из усилителя переменного тока, фазового детектора и усилителя постоянного тока с двумя противофазными выходами. При этом в качестве усилителя переменного тока выступает зарядовый усилитель, в качестве усилителя постоянного тока выступает интегратор с двумя противофазными выходами, а на выходе введен дополнительный усилитель постоянного тока. Технический результат заключается в повышении точности измерения ускорения за счет снижения шумов, снижения нелинейности передаточной характеристики, расширения частотного диапазона преобразования, увеличения диапазона измеряемых ускорений, снижения температурной и временной нестабильности смещения нулевого сигнала компенсационного акселерометра. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям ускорений. Датчик ускорения содержит основание и корпус с полостью, заполненной резиноподобной средой, не имеющей связи с основанием, балочку с тензорезистором, работающую на изгиб, отношение модуля упругости балочки Ε1 к модулю упругости среды Е2 удовлетворяет условию: Ε1Ε2≥5⋅102, при этом балочка помещена в резиноподобную среду параллельно основанию равноудаленно от стенок корпуса. Технический результат – увеличение ударной прочности и снижение поперечной чувствительности датчика. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх