РЕЗОНАНСНЫЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ, УСИЛИЯ ИЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно измерительным преобразователям (датчикам) механических параметров на основе резонаторов, выполненных из кристаллического материала, в частности кристаллического кварца.
Известны кварцевые измерительные преобразователи давления, усилия или перемещения, имеющие в качестве чувствительного элемента резонатор упругих колебаний пластины или стержня. Упругие колебания резонатора могут быть возбуждены, например, оптически или с использованием силы Лоренца в магнитном поле, или с использованием пьезоэффекта. Примером рассматриваемых преобразователей являются пьезорезонансные датчики, содержащие корпус, рабочую камеру с резонансным чувствительным элементом - сенсором, электронную схему, возбуждающую колебания посредством пьезоэффекта /Малов В.В., Энергоатомиздат, Москва, 1989 г./. В конструкции наиболее точных сенсоров используют тензочувствительный микрокамертонный резонатор (ТМР) в виде системы симметричных параллельных стержней (ветвей), объединенных по концам общими областями, которыми через перемычки он соединен с остальной частью сенсора. Традиционно перемычки лежат на оси симметрии резонатора, обычно совпадающей с осью вектора растягивающего (или сжимающего) резонатор усилия. Ветви резонатора совершают изгибные противофазные колебания, которые взаимно скомпенсированы благодаря симметричности размеров и расположения ветвей микрокамертонного резонатора, а также благодаря симметричности нагружения. Вследствие этого колебательная энергия не утекает в области крепления резонатора, что позволяет получить высокую добротность колебаний и высокую точность сенсора. ТМР соединен с поверхностью мембраны клеем, легкоплавким стеклом или другим соединительным материалом. Недостаток таких пьезорезонансных сенсоров заключается в том, что из-за несовершенства упругих свойств соединительного материала рабочая характеристика сенсора имеет гистерезис, влекущий за собой погрешность измерения.
Известен кристаллический сенсор с плоской мембраной, лишенный этого недостатка и являющийся прототипом предлагаемого /Симонов В.Н., Симонова Л.И. Резонансный сенсор давления, усилия или перемещения и способ его изготовления. Патент РФ №2379638, Бюл.№2, 2010 г./. В прототипе сформирована выполненная заедино с мембраной консоль, в теле которой реализован резонатор, причем консоль имеет форму пластины и объединена с мембраной одной из боковых граней. Вследствие единого (интегрированного) исполнения резонатора с мембраной соединительный материал исключен из конструкции и погрешность измерения таким сенсором существенно снижена. Однако в конструкции интегрального сенсора имеется недостаток - нагружение мембраны измеряемым параметром создает несимметричное относительно оси симметрии резонатора растяжение. Это приводит к разбалансу веток микрокамертона и, как следствие, снижению добротности колебаний резонатора. С ростом величины измеряемого параметра может возникнуть нестабильность колебаний и даже их срыв. Поэтому полезное изменение частоты в прототипе ограничено. Как следствие, это приводит к относительному увеличению дополнительных погрешностей температурного, временного, режимного дрейфов.
Задачей данной полезной модели является повышение идентичности нагружения веток микрокамертонного резонатора в интегральном резонансном сенсоре и как следствие, повышение его точности.
Поставленная задача решается следующим образом. В сенсоре, содержащем мембрану, консоль, соединяющуюся с мембраной основанием, и выполненный в консоли резонатор с симметричными параллельными стержнями, объединенными по концам общими областями, которыми через перемычки он соединен с остальной частью консоли, - перемычки выполнены так, что, по крайней мере, в той части, в которой они переходят в консоль, перемычки смещены относительно оси симметрии резонатора в направлении противоположном по отношению к основанию консоли.
Смещение перемычек относительно оси симметрии резонатора в направлении противоположном основанию консоли позволяет скомпенсировать отсутствие симметрии нагружения резонатора, которая возникает из-за неоднородности поля механических напряжений в пластине консоли, и добиться необходимой идентичности растяжения-сжатия в ветках микрокамертона.
Полезную модель иллюстрируют Фиг.1 и Фиг.2. На Фиг.1 схематично изображена конструкция сенсора. На Фиг.2 изображены: а) традиционная (симметричная) конструкция нагружения ТМР, б) (несимметричная) конструкция нагружения ТМР в прототипе, в) конструкция нагружения ТМР в предлагаемом сенсоре (вариант 1), г) конструкция нагружения ТМР в предлагаемом сенсоре (вариант 2).
На фигурах используются следующие обозначения: 1 - ТМР, 2 - консоль, 3 - мембрана, 4 - основание консоли, 5 - отверстие в крышке для подачи на мембрану измеряемого параметра Р, например, давления, 6 - ветви ТМР, 7 - ось симметрии ТМР, 8 - основание консоли, 9 - ближняя к основанию консоли ветка ТМР, 10 - дальняя по отношению к основанию консоли ветка ТМР, 11 - рабочая полость, F, f0, f1, f2, f10, f20 - векторы усилий, развиваемые в консоли и ТМР, Р - измеряемое давление.
В сенсоре, изображенном на Фиг.1, резонатор 1 образован в консоли 2, соединяющейся с мембраной 3 посредством основания 4. Перемычки 5 смещены относительно оси 6 симметрии ТМР в сторону, противоположную основанию 4 консоли 2. Крышка 7 герметично присоединена к мембране 1 и образует рабочую полость 8, в которую поступает измеряемое давление Р. Для иллюстрации достижения полезного эффекта обратимся к Фиг.2. Если воздействующая на ТМР сила F лежит на оси 6 симметрии ТМР (Фиг.2, а), то ветви ТМР нагружены одинаково силами f0 (равными F/2). Если воздействующая на ТМР сила F0 не лежит на оси 6 симметрии ТМР, а перемычки лежат на оси симметрии 6 (Фиг.2, б), то ветви 9 и 10 ТМР нагружены не одинаково: сила f1 в ветке 9 больше, чем сила f2 в ветке 10. Если области перемычек в местах перехода перемычек в консоль смещены относительно оси симметрии резонатора в направлении противоположном соединяющемуся с мембраной основанию 4 консоли 2 (Фиг.2, в, г), то в перемычках возникают изгибающие моменты, уменьшающие растягивающую силу f1 в ветке 9 и увеличивающие растягивающую силу f2 в ветке 10. При определенной величине смещения перемычек силы f1 и f2, развиваемые в ветках ТМР, сравниваются f1=f10=f2=f20. При этом форма перемычек может быть различной: как, например, на Фиг.2, в или на Фиг.2, г. Главное, чтобы места перехода перемычек в консоль, т.е. места приложения к ТМР внешней силы, были смещены относительно оси симметрии и смещены в указанном выше направлении.
Сенсор работает следующим образом. Измеряемый параметр Р воздействует на мембрану 3 и вызывает в ней механические напряжения. Эти напряжения через основание 9 передаются в консоль 2 и воздействуют посредством усилия F через перемычки на ТМР. Резонансная частота резонатора изменяется. Это изменение фиксируется электронной схемой, подключенной к резонатору посредством электродов (на фигурах электронная схема и электроды не показаны).
Предложенное техническое решение позволяет реализовать сенсор механических параметров (давлений, усилий, ускорений и т.д.) с большой полезной перестройкой частоты, т.к. ветви микрокамертона нагружаются идентично и срыва колебаний не происходит. Погрешности температурного и временного дрейфа у предлагаемого сенсора в несколько раз меньше по сравнению с аналогичными параметрами прототипа.