ДАТЧИК РЕЗОНАТОРНЫЙ
RESONANT SENSOR

Изобретение относится к области измерений механической силы и связанных с ней производных: момента, давления, массы, деформаций, ускорений в жестких условиях эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является датчик резонаторный (патент RU 2217767, G01P 15/10, опубл. 27.11.2003), содержащий основание из высокодобротного материала, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента и его маятникового подвеса в виде, по крайней мере, двух стержней, и стержневого резонатора, одни концы которых соединены с основанием, а другие концы соединены с чувствительным элементом, свободно размещенным в углублениях крышек, расположенных по обе стороны основания и соединенных с ним, на стержнях подвеса, примыкающих к основанию, выполнены упругие шарниры для перемещения чувствительного элемента относительно основания в направлении измерительной оси. Вышеуказанное устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая прочность к действию высоконелинейных динамических ударов большой амплитуды.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение уровня прочности к воздействию высоконелинейных динамических ударных воздействий большой амплитуды.
Для достижения технического результата в датчике резонаторном, содержащем основание из высокодобротного материала, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента и его маятникового подвеса в виде, по крайней мере, двух стержней, и стержневого резонатора, одни концы которых соединены с основанием, а другие концы соединены с чувствительным элементом, свободно размещенным в углублениях крышек, расположенных по обе стороны основания и соединенных с ним, на стержнях подвеса, примыкающих к основанию, выполнены упругие шарниры с возможностью перемещения чувствительного элемента относительно основания в направлении измерительной оси, новым является то, что в каждой крышке выполнен упругий ограничитель хода с возможностью перемещения в направлении измерительной оси и взаимодействия с чувствительным элементом.
Выполнение в каждой крышке упругого ограничителя хода позволяет увеличить уровень прочности датчика резонаторного к воздействию высоконелинейных динамических ударных воздействий большой амплитуды за счет увеличения времени и площади контакта чувствительного элемента с упругим ограничителем хода, что приводит к увеличению времени и уменьшению амплитуды ударного воздействия.
Новая совокупность существенных признаков позволяет получить конструкцию датчика резонаторного, стойкого к воздействию высоконелинейных динамических ударных воздействий большой амплитуды.
На фигурах 1, 2 представлена конструкция заявляемого устройства. Устройство содержит: основание 1, чувствительный элемент 2, подвесы чувствительного элемента 3, упругие шарниры подвеса чувствительного элемента 4, силочувствительный стержневой резонатор 5, крышки 6, упругий ограничитель хода 7.
Устройство содержит основание 1 из высокодобротного материала, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента 2 и его маятникового подвеса 3 в виде, по крайней мере, двух стержней, и стержневого резонатора 5, одни концы которых соединены с основанием 1, а другие концы соединены с чувствительным элементом 2. На стержнях подвеса 3, примыкающих к основанию 1, выполнены упругие шарниры 4 с возможностью перемещения чувствительного элемента 2 относительно основания 1 в направлении измерительной оси, расположенной перпендикулярно к плоскости основания 1. Чувствительный элемент 2 свободно размещен в углублениях крышек 6, расположенных по обе стороны основания 1 и соединенных с ним. В каждой крышке 6 выполнен упругий ограничитель хода 7 с возможностью перемещения в направлении измерительной оси и взаимодействия с чувствительным элементом 2.
Устройство работает следующим образом. Выше описанная конструкция обладает набором собственных частот колебаний. При действии высоконелинейных динамических ударов большой амплитуды чувствительный элемент 2 отклоняется, соударяясь с поверхностью крышки 6, и отскакивает, порождая упругую стоячую волну, распространяющуюся по материалу пространственной рамы, образуемой чувствительным элементом 2, подвесом 3, его упругими шарнирами 4, стержневым резонатором 5. Упругая стоячая волна возбуждает колебания элементов пространственной рамы на их собственных частотах, при этом ни один из элементов пространственной рамы не соприкасается с поверхностью крышки 6. Поскольку материал датчика имеет высокую добротность, амплитуды перемещения элементов конструкции на собственных частотах колебаний значительно превосходят значения перемещений при статическом воздействии, что приводит к возникновению в местах перехода резонатора 5 и упругого шарнира 4 к основанию 1 и чувствительному элементу 2 напряжений, близких к предельно допустимым. При выполнении условия разности фаз колебаний элементов пространственной рамы, имеющих совпадающие места крепления, напряжения, возникающие в местах перехода, складываются, что приводит к превышению предельно допустимых значений напряжений и, следовательно, к нарушению целостности конструкции пространственной рамы.
При воздействии в направлении измерительной оси датчика резонаторного ударного импульса, чувствительный элемент 2 двигается в направлении одной из крышек 6 и соприкасается с упругим ограничителем хода 7, который двигается в одном направлении с чувствительным элементом с большей скоростью, но меньшей амплитудой, и начинает скользить по нему с некоторым трением, при этом время взаимодействия чувствительного элемента 2 и упругого ограничителя хода 7 многократно возрастает по сравнению с тем, когда упругий ограничитель хода 7 был бы неподвижен. Соотношение собственных частот упругого ограничителя хода 7 и чувствительного элемента 2 должно быть выбрано таким образом, чтобы контакт происходил прежде, чем упругий ограничитель хода 7 пройдет половину величины зазора, отделяющего его от неподвижной части крышки 6.
На основе пьезоэлектрического α-кварца был изготовлен опытный образец, который подтвердил работоспособность устройства.