ДАТЧИК УСКОРЕНИЯ
ACCELERATION SENSOR

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.
7
2
1
2
1
2
Известен датчик ускорения [RU №2014619, МПК 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 Е к модулю упругости среды Е удовлетворяет условию: Е/Е≥5⋅10. 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.
1
2
1
2
2
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 Ε к модулю упругости среды Е удовлетворяет условию: Е/Е≥5⋅10, 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.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
2
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: Е/Е≥5⋅10, где E - модуль упругости балочки 4, а Е - 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 Е/Е непосредственно влияет на степень деформации балочки 4 и, следовательно, на чувствительность датчика. Снижение значения соотношения Е/Е ведет к снижению чувствительности датчика (чем это отношение меньше, тем меньше деформируется балочка). Дальнейшее увеличение отношения модулей упругости (>5⋅10) 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.
d
d
2
1
1
2
5
11
2
Датчик ускорения содержал основание 1 и корпус 2 с полостью, образованной цилиндрическим отверстием диаметром  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 ), 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 Е=5⋅10 Па, а балочки - Е=10 Па, что удовлетворяло условию: E/E≥5⋅10. 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.
1
2
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 Е/Е, 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.
1
2
5
11
5
5
Обоснованность выбора значений L и , удовлетворяющая условию: , подтверждена экспериментом. Расчеты показывают, что при модуле упругости РПС Е=5⋅10 Па, модуле упругости балочки 4 Е=10 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⋅10 Па. Для той же балочки при d=L=6 мм (т.е при ) частота колебаний среды составила  кГц, σ=233⋅10 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.
5
2
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⋅10 м/с, 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».