ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА УДАРА

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.
Известен пьезоэлектрический датчик удара, содержащий корпус, инерционное тело, выполненный в виде втулки пьезоэлемент, закрепленный между корпусом и инерционным телом, средство для опоры пьезоэлемента по одной из кромок и средство для опоры аналогичной кромки противоположного торца пьезоэлемента, выполненное в виде кольцевой канавки на корпусе или инерционном теле, в которой размещено упругое разжимное кольцо с обеспечением его защемления между кромкой пьезоэлемента и противоположной ей поверхностью канавки [1]. Важными характеристиками виброударных датчиков являются:
- значение виброударной прочности
- значение коэффициента преобразования;
- значение собственной частоты датчика в закрепленном состоянии;
- габаритно-массовые характеристики.
Недостатком данного устройства является: большие массогабаритные параметры. Миниатюризация уменьшает основную чувствительность преобразователя. Другим недостатком данного устройства является то, что совмещение чувствительного элемента пьезопреобразователя и электронной схемы обработки в одном корпусе, приводит к снижению амплитудного диапазона. Таким устройствам так же присущи следующие недостатки:
высокая погрешность от кабельного эффекта, высокая чувствительность по поперечным осям, влияние деформации поверхности контролируемого объекта, высокое влияние температуры, воздействия акустического поля.
Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи [2]. Известный чувствительный элемент микромеханического акселерометра применим для измерения ударов до 100g.
Недостатком данного устройства является то, что после анодного соединения кремниевого чувствительного элемента микромеханического акселерометра со стеклянными обкладками, остаточное напряжение, возникающее в стыке «кремний-стекло» деформирует упругие элементы, которые перемещают инерционную массу, что увеличивает уровень нулевого сигнала. А это уменьшает точность прибора.
Главная функция упругих элементов - обеспечение подвеса инерционной массы, при этом параметры упругих элементов в процессе эксплуатации должны быть стабильными. Конструкция должна обеспечить уменьшение уровня погрешностей при наличии различных косых вибраций. Главным недостатком данной конструкции является высокая чувствительность к косым и круговым вибрациям, направленным не по измерительной оси, что приводит к изменению масштабных коэффициентов каналов.
Высокая чувствительность конструкции чувствительного элемента продольным и поперечным вибрациям, направленным по осям X и Y и под углом к ним. Это существенным образом влияет на стабильность нулевого сигнала и точность измерения самого параметра.
Так, при воздействии вибрации по этим осям или под углом к ним, возникают объемные волновые процессы в упругих элементах. Объемная волна в упругих элементах вызывает время-переменную деформацию в электропроводящей инерционной массе, являющуюся частью преобразователя перемещений. В результате чего на выходе датчика увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение ударной прочности и точности измерения.
Для достижения этого в чувствительном элементе датчика удара, содержащем основание, инерционную массу, упругие элементы, соединенные с площадками крепления к основанию, подвижные и неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, сформированы основание и инерционная масса из идентичных материалов, две стороны инерционной массы соединены с упругими элементами, которые другими концами соединены с площадками крепления к основанию, на двух других сторонах инерционной массы сформированы подвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, на основании напротив подвижных сформированы неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, площадки крепления к основанию расположены симметрично по оси симметрии инерционной массы, вдоль продольной ее оси и симметрично относительно поперечной ее оси, сформированы упоры с внешних и внутренних сторон упругих элементов.
Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент датчика удара от известного, является то, что сформированы основание и инерционная масса из идентичных материалов. А именно рабочий слой - толщина 30±3 мкм, удельное электрическое сопротивление 0.01 Ом*см, кристаллографическая ориентация (100)±0.5; Изолирующий слой (стекловидный диэлектрик) - толщина 5÷8 мкм; Подложка - толщина 400-420 мкм, удельное электрическое сопротивление 4÷10 Ом*см, кристаллографическая ориентация (100). Соответственно при формировании чувствительного элемента остаточных напряжений не возникает. Две стороны инерционной массы соединены с упругими элементами, которые другими концами соединены с площадками крепления к основанию, на двух других сторонах инерционной массы сформированы подвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, на основании напротив подвижных сформированы неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, площадки крепления к основанию расположены симметрично по оси симметрии инерционной массы, вдоль продольной ее оси и симметрично относительно поперечной ее оси. Такое формирование упругих элементов и соединение с инерционной массой и с площадками крепления к основанию симметрируют конструкцию чувствительного элемента датчика удара уменьшая тем самым воздействие внешних вредных сил и моментов. Сформированы упоры с внешних и внутренних сторон упругих элементов. Таким образом, увеличивается ударная прочность чувствительного элемента датчика удара.
Предложенный чувствительный элемент датчика удара иллюстрируется чертежом, представленным на фиг. 1,
где 1 - основание,
2 - инерционная масса,
3 - подвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи,
4 - неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи,
5 - упругие элементы,
6 - площадки крепления к основанию,
7 - упоры.
Чувствительный элемент датчика удара выполнен из полупроводникового материала, а именно КНИ (кремний на изоляторе): Рабочий слой - толщина 30±3 мкм, удельное электрическое сопротивление 0.01 Ом*см, кристаллографическая ориентация (100)±0.5; Изолирующий слой (стекловидный диэлектрик) - толщина 5÷8 мкм; Основание - толщина 400-420 мкм, удельное электрическое сопротивление 4÷10 Ом*см, кристаллографическая ориентация (100), содержит основание 1, инерционную массу 2. Две стороны инерционной массы 2 соединены с упругими элементами 5, которые соединены другими концами с площадками крепления к основанию 6. На двух других сторонах профилированной инерционной массы 2 сформированы подвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 3. На основании 1 сформированы неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 4. Площадки крепления к основанию 6 расположены симметрично по оси симметрии инерционной массы 2 вдоль продольной ее оси и симметрично относительно поперечной ее оси. Совместно неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 4 и подвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 3 образуют емкостный преобразователь перемещений профилированной инерционной массы 2. С внешних и внутренних сторон упругих элементов 5 сформированы упоры 7.
Чувствительный элемент датчика удара работает следующим образом.
При воздействии ускорения параллельно плоскости ЧЭ (чувствительного элемента) дифференциального типа, вдоль оси чувствительности, происходит смещение инерционной массы 2, в результате чего изменяется расстояние между гребенками неподвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевые преобразователей 4 и подвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевые преобразователей 3. Следовательно, это приводит к изменению емкости между гребенками, вследствие чего возникает сигнал рассогласования пропорциональный величине ускорения. При воздействии на чувствительный элемент датчика удара большего расчетного ударного или линейного ускорения упругие элементы 5 ложатся на упоры 7. Тем самым препятствуя разрушению последних и увеличивая ударную прочность чувствительного элемента датчика удара.
Источники информации:
1. Патент РФ №2289821.
2. Патент РФ №131194 (прототип).