АКСЕЛЕРОМЕТР
ACCELEROMETER

Заявленное техническое решение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения ускорения и углового положения относительно горизонта.
Известен «Акселерометр на поверхностных акустических волнах (ПАВ)» по патенту Великобритании 2117115 (А) от 05.10.1983 года, МПК G01P 15/08, G01P 15/097 - [1], содержащий упругодеформируемый элемент, защемленный с одной стороны в опорный держатель, а с другой стороны в инерционную массу и выполненный в виде пластины пьезоэлемента с симметрично нанесенными на нее с обеих сторон ПАВ-структурами в местах возникновения максимальных механических деформаций упругодеформируемого элемента.
Недостатком известного акселерометра [1] является то, что упругодеформируемый элемент устройства, являющийся пьезоэлементом с ПАВ-структурами, работает на изгиб, при котором точность измерения ПАВ-структурами снижена по сравнению с их работой на растяжение-сжатие.
Известно «Устройство для измерения силы сжатия» по патенту РФ №2320968 от 27.03.2008 года, МПК G01L 1/16 - [2], содержащее вспомогательный упругодеформируемый элемент: Г-образную консоль, на внутренней и наружной поверхностях которой выполнены выемки (прорези), обеспечивающие изгиб консоли по длине выемок, в которых установлены пьезокварцевые резонаторы.
Устройство [2] предназначено для измерения силы сжатия и не предназначено для работы в качестве акселерометра. При этом пьезокварцевые резонаторы установлены непосредственно в выемках (прорезях) упругодеформируемого элемента, что обуславливает их работу в основном, на изгиб, при котором точность измерения пьезокварцевых резонаторов снижена по сравнению с их работой на растяжение-сжатие. Также установленные на стальной Г-образной пластине два пьезокварцевых резонатора ввиду несимметричности последней будут работать неодинаково и вносить искажения в работу устройства, а наличие навесных контактных проводников к двум пьезокварцевым резонаторам дополнительно снижают его надежность.
Известно расположение над выемкой упругодеформируемого элемента (мембраны) пьезоэлемента, который жестко присоединен своими концами к мембране работает преимущественно на сжатие-растяжение, в «Барочувствительном элементе» по патенту Российской Федерации 2107273, МПК G01L 9/08, опубл. 20.03.1998 года - [3], причем пьезоэлемент выполнен в виде кварцевого камертона.
Пьезоэлемент при его известной установке по устройству [3] обладает высокой чувствительностью, однако он предназначен для измерения давления, и его применение для акселерометров не известно, а конструктивно практически не возможно.
Прототипом заявляемого технического решения является акселерометр по патенту Франции 2537726 от 15.06.1984 года, МПК G01P 15/08, G01P 15/097 - [4], содержащий упругодеформируемый элемент, защемленный с одной стороны в опорный держатель, а с другой стороны в инерционную массу и имеющий концентратор механических напряжений в виде выемки своего поперечного сечения, вблизи которой и с обеих сторон упругодеформируемого элемента в местах возникновения максимальных механических деформаций упругодеформируемого элемента расположены измерительные ПАВ-структуры, причем упругодеформируемый элемент выполнен в виде пластины пьезоэлемента с симметрично нанесенными на нее с обеих сторон ПАВ-структурами.
Недостатком прототипа [4] является то, что его упругодеформируемый элемент, выполненный в виде пластины пьезоэлемента с нанесенными на нее ПАВ-структурами, работает на изгиб, что обуславливает сравнительно низкую чувствительность ПАВ-структур и невысокую точность показаний. Известно, что чувствительность пьезоэлемента с нанесенной на него ПАВ-структурой на порядок выше при его работе на растяжение-сжатие, чем при работе на изгиб. Это обусловлено тем, что при изгибе пьезоэлемента скорость прохождения ПАВ меняется и становится неравномерной, и, как следствие, образуются временные разбросы при прохождении ПАВ между электродами пьезоэлемента, что приводит к увеличению погрешности измерений. Кроме того, применение в акселерометре разнородных материалов приводит к существенным температурным погрешностям.
Указанные недостатки прототипа ставят задачу снижения погрешности измерений, повышения точности и чувствительности устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в акселерометре, содержащем упругодеформируемый элемент, закрепленный с одной стороны в опорный держатель, а с другой стороны в инерционную массу и имеющий концентратор механических напряжений в виде выемок своего поперечного сечения, вблизи которых и с обеих сторон упругодеформируемого элемента в местах возникновения его максимальных механических деформаций расположены пьезорезонансные структуры, пьезорезонансные структуры выполнены в виде отдельных пластин измерительных пьезоэлементов, упругодеформируемый элемент из пьезоэлектрического материала имеет с обеих сторон одинаковые выемки, над которыми симметрично закреплены своими концами пластины измерительных пьезоэлементов с ПАВ-структурами (с возможностью их преимущественного продольного сжатия-растяжения), при этом кристаллографические оси упругодеформируемого элемента из пьезоэлектрического материала и пластин измерительных пьезоэлементов ориентированы одинаково. Пластины измерительных пьезоэлементов могут быть выполнены со структурами на объемных акустических волнах (ОАВ). Пластины измерительных пьезоэлементов с ПАВ- (или ОАВ-) структурами могут быть прикреплены к упругодеформируемому элементу из пьезоэлектрического материала низкотемпературной стеклянной пайкой. Опорный держатель и инерционная масса акселерометра могут быть выполнены из материала упругодеформируемого элемента - пьезоэлектрического материала, и их кристаллографические оси ориентированы одинаково с кристаллографическими осями упругодеформируемого элемента и пластин измерительных пьезоэлементов. В качестве материала упругодеформируемого элемента может быть использован металлический сплав с постоянным модулем упругости в рабочем диапазоне температур. При этом пластины измерительных пьезоэлементов с ПАВ- (или ОАВ-) структурами могут быть закреплены своими концами при помощи клея или металлостеклянной пайкой. В качестве материала упругодеформируемого элемента может быть использован композиционный материал с нанесенным на него слоем металла, пластины измерительных пьезоэлементов с ПАВ- (или ОАВ-) структурами закреплены своими концами при помощи пайки (при этом электрические электроды могут быть выполнены травлением металлического слоя упругодеформируемого элемента). В качестве инерционной массы акселерометра может быть использован удлиненный участок его упругодеформируемого элемента. Выемки упругодеформируемого элемента могут быть выполнены прямоугольными, при этом пластины измерительных пьезоэлементов своими концевыми торцами закреплены в выемках заподлицо поверхностям упругодеформируемого элемента и с зазором к основанию выемок.
Введение признаков «пьезорезонансные структуры выполнены в виде отдельных пластин измерительных пьезоэлементов… и упругодеформируемого элемента, с обеих сторон которого выполнены одинаковые выемки, над которыми симметрично закреплены своими концами пластины измерительных пьезоэлементов с ПАВ-структурами (с возможностью их преимущественного продольного сжатия-растяжения)» необходимо для изменения условий работы пьезоэлементов с изгиба на преимущественно растяжение-сжатие, что существенно снижает погрешность измерений, а также повышает точность и чувствительность устройства в целом.
Введение признака «кристаллографические оси упругодеформируемого элемента из пьезоэлектрического материала и пластин измерительных пьезоэлементов с ПАВ-структурами ориентированы одинаково» необходимо для сведения к минимуму температурных деформаций и, как следствие, температурных искажений при измерении устройством в рабочем диапазоне температур.
Введение признака «пластины измерительные выполнены со структурами на объемных акустических волнах» необходимо для существенного повышения точности и стабильности метрологических характеристик, которыми обладают измерительные пьезоэлементы с ОАВ-структурами по сравнению с измерительными пьезоэлементами с ПАВ-структурами.
Введение признака «пластины измерительных пьезоэлементов могут быть прикреплены к упругодеформируемому элементу из пьезоэлектрического материала низкотемпературной стеклянной пайкой» необходимо для значительного повышения, по сравнению с клеевым соединением долговременной стабильности, существенно снижающей уход калибровочных характеристик по времени, то есть, другими словами, для улучшения метрологических характеристик.
Введение признака «опорный держатель и инерционная масса акселерометра могут быть выполнены из материала упругодеформируемого элемента - пьезоэлектрического материала, и их кристаллографические оси ориентированы одинаково с кристаллографическими осями упругодеформируемого элемента и пластин измерительных пьезоэлементов» необходимо для сведения к минимуму температурных деформационных искажений в работе предложенного устройства. Ориентирование кристаллографических осей всех элементов устройства одинаково позволит свести к минимуму воздействие температурной анизотропии устройства в целом.
Введение признака «в качестве материала может быть использован металлический сплав с постоянным модулем упругости в рабочем диапазоне температур, а пластины измерительных пьезоэлементов закреплены своими концами при помощи клея» необходимо для расширения возможного диапазона применения устройств - акселерометров - в самых различных областях техники. Применение металлического сплава позволяет существенно увеличить величину измеряемых ускорений без разрушения устройства, то есть увеличить прочность и стойкость к механическим воздействиям (в том числе и ударным). Применение же «металлического сплава с постоянным модулем упругости в рабочем диапазоне температур» позволяет существенно улучшить метрологические характеристики устройства.
Введение признака «пластины измерительных пьезоэлементов могут быть закреплены своими концами на упругодеформируемом металлическом элементе металлостеклянной пайкой», так же как и введение для пьезоэлектриков низкотемпературной стеклянной пайки, необходимо для улучшения метрологических характеристик соединения, долговременной стабильности, выражающейся в существенно снижающемся уходе калибровочных характеристик по времени.
Введение признака «в качестве материала упругодеформируемого элемента может быть использован композиционный материал с нанесенным на него слоем металла, пластины измерительных пьезоэлементов закреплены своими концами при помощи пайки» необходимо для того, чтобы выровнять (сделать одинаковыми) коэффициенты линейных расширений материалов упругодеформируемого элемента и измерительных пьезоэлементов. Тем самим свести к минимуму влияния температурных (паразитных) воздействий при различных условиях окружающей среды. Известно, что нанесенному на композитный материал тонкому слою металла как бы «навязываются» свойства основания, то есть стеклотекстолита или углепластика. Коэффициенты линейного расширения стеклотекстолита и углепластика приближаются к коэффициенту линейного расширения измерительных пьезоэлементов. Коэффициент упругости углепластика выше, чем у некоторых металлов, и это значительно повышает надежность заявляемого устройства и точность его измерений. Выполнение контактных площадок и проводников травлением нанесенного (тонкого) слоя металла (при стандартной технологии травления) позволяет исключить навесные проводники, являющиеся дополнительными концентраторами механических напряжений и снижающие надежность устройства в целом, а также унифицировать конструктивно упругодеформированный элемент, повысить его технологичность и снизить стоимость при производстве. Нанесенный (и частично вытравленный) на композитном материале (стеклотекстолите или углепластике) тонкий слой металла служит печатными проводниками. Закрепление на контактных площадках упругодеформируемого элемента измерительных пьезоэлементов в виде пайки повысит качество и надежность крепления, а также создаст возможность автоматизации сборки устройства. Так, паяное соединение (по сравнению с клеевым) дает значительное повышение точности передачи деформации на измерительный пьезоэлемент.
Введение признака «в качестве инерционной массы акселерометра может быть использован удлиненный участок его упругодеформируемого элемента» необходимо для упрощения конструкции акселерометра и исключения в нем дополнительных элементов и их соединений, которые вносят помехи при измерениях.
Введение признака «выемки упругодеформируемого элемента выполнены прямоугольными, при этом пластины измерительных пьезоэлементов своими концевыми торцами закреплены в выемках заподлицо поверхностям упругодеформируемого элемента и с зазором к основанию выемок» необходимо для однозначного (фиксированного по ориентации) закрепления пластин измерительных пьезоэлементов на упругодеформированном элементе и сведения к минимуму сдвиговых деформаций клея или спая при работе пластин измерительных пьезоэлементов на сжатие.
На фиг.1 представлен схематичный чертеж акселерометра с инерционной массой; на фиг.2 - схематичный чертеж акселерометра, в котором в качестве инерционной массы использован удлиненный участок упругодеформируемого элемента, на фиг.3 - схематичный чертеж акселерометра с торцевым креплением пластин измерительных пьезоэлементов.
Акселерометр содержит упругодеформируемый элемент 1 из пьезоэлектрического материала, защемленного с одной стороны в опорный держатель 2, а с другой стороны в инерционную массу 3. Упругодеформируемый элемент 1 имеет с обеих сторон одинаковые (и симметрично расположенные) выемки 4 и 5, над которыми симметрично закреплены своими концами пластины 6 и 7 измерительных пьезоэлементов с ПАВ-структурами с возможностью их продольного сжатия-растяжения, а кристаллографические оси упругодеформируемого элемента 1 и пластин 6 и 7 измерительных пьезоэлементов с ПАВ-структурами ориентированы одинаково. Пластины 6 и 7 измерительных пьезоэлементов могут быть выполнены с ОАВ-структурами. Пластины 6 и 7 измерительных пьезоэлементов могут быть прикреплены к упругодеформируемому элементу 1 из пьезоэлектрического материала при помощи низкотемпературной стеклянной пайки. Опорный держатель 2 и инерционная масса 3 могут быть выполнены из материала упругодеформируемого элемента - пьезоэлектрического материала, и при этом их кристаллографические оси ориентированы одинаково с кристаллографическими осями упругодеформируемого элемента 1 и пластин 6 и 7 измерительных пьезоэлементов. В качестве материала упругодеформируемого элемента 1 может быть использован металлический сплав с постоянным модулем упругости в рабочем диапазоне температур, например дисперсно-твердеющие сплавы (стали) 36НХТЮ или 44НХТЮ, называемые «элинвар». При этом пластины 6 и 7 измерительных пьезоэлементов с ПАВ- или ОАВ-структурами закреплены своими концами при помощи клея или же металлостеклянной пайкой. В качестве материала упругодеформируемого элемента 1 может быть использован композиционный материал с нанесенным на него слоем металла, при этом пластины 6 и 7 измерительных пьезоэлементов с ПАВ- или ОАВ-структурами закреплены своими концами при помощи пайки, а их электрические электроды выполнены травлением металлического слоя упругодеформируемого элемента 1. В качестве инерционной массы 3 может быть использован удлиненный участок упругодеформируемого элемента 1. Пластины 6 и 7 измерительных пьезоэлементов своими концевыми торцами могут быть закреплены в прямоугольных выемках 4 и 5 заподлицо поверхностям упругодеформируемого элемента и с зазором к основанию этих выемок. При этом наряду торцевым креплением пластины 6 и 7 измерительных пьезоэлементов имеют по периметру своей торцевой контактной площадки тонкий слой крепежного материала для его механического упрочнения.
Работа заявляемого устройства заключается в следующем.
При отсутствии ускорения упругодеформируемый элемент 1, защемленный с одной стороны в опорный держатель 2, а с другой стороны в инерционную массу 3, не изгибается. Жестко установленные симметрично над выемками 4 и 5 соответственно пластины измерительных пьезоэлементов 6 и 7 работают на номинальной частоте. При воздействии ускорения на инерционную массу 3 или удлиненный участок упругодеформируемого элемента 1 последний изгибается в районе расположения выемок 4 и 5 в ту или иную сторону, и при этом пластина 6 измерительного пьезоэлемента сжимается, а пластина 7 измерительного пьезоэлемента растягивается или наоборот, и, следовательно, пропорционально в разные стороны изменяются резонансные частоты измерительных пьезоэлементов 6 и 7. Параметры пластин 6 и 7 измерительных пьезоэлементов могут быть измерены, например, анализатором спектра или частотомером. Резонансная частота пластин 6 и 7 измерительных пьезоэлементов на ПАВ- или ОАВ-структурах связана однозначной зависимостью с величиной ускорения. Ускорение определяют, например, по градуировочной характеристике акселерометра на измерительных ПАВ- или ОАВ-структурах.
Следует заметить, что при работе на сжатие-растяжение пластины 6 и 7 измерительных пьезоэлементов на ОАВ-структурах обладают большей стабильностью и точностью измерений, чем на ПАВ-структурах, а при работе пластин 6 и 7 на изгиб ОАВ-структуры обладают по сравнению с ПАВ-структурами существенно меньшей чувствительностью. Все это доказывает достижение предложенным техническим решением нового положительного эффекта: снижение погрешности измерений и повышение чувствительности акселерометра.
Заявленное техническое решение может быть применено, например, для коррекции положения при измерениях прецизионными датчиками давления в калибраторах давления класса 0,02 и точнее, при изменении их углового положения относительно горизонта. Такое измерение их углового положения относительно горизонта необходимо для коррекции гравитационной погрешности, вызванной прогибом мембраны датчика давления под действием силы тяжести, при наклонах калибратора либо ускорений морской качки.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями изобретения, так как:
- акселерометр в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию "новизна";
- совокупность признаков формулы изобретения устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам конструирования акселерометров, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень";
- конструктивная реализация акселерометра не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература
1. Патент Великобритании 2117115 (А), МПК G01P 15/08, G01P 15/097, опубл. 05.10.1983 года, «Акселерометр на ПАВ».
2. Патент Российской Федерации 2320968, МПК G01L 1/16, опубл. 27.03.2008 года, «Устройство для измерения силы сжатия».
3. Патент Российской Федерации 2107273, МПК G01L 9/08, опубл. 20.03.1998 года, «Барочувствительный элемент».
4. Патент Франции 2537726, МПК G01P 15/08, G01P 15/097, опубл. 15.06.1984 года, «Акселерометр» - прототип.