Датчик механических величин
MECHANICAL SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для преобразования динамических механических величин, в том числе вибрационного и ударного ускорения, в электрический сигнал и может быть использовано в различных отраслях, в частности, строительной, горной, для сейсмических измерений, экспериментальных исследований.
Известен датчик механических величин (датчик силы), содержащий упругий чувствительный элемент в виде металлической пластины, жестко заделанной с одного конца в массивную стенку опоры, тензорезисторы, наклеенные попарно в зонах растяжения и сжатия пластины [emsyst.sk>doc/Princip_tenzometrickeno_Snimaca_Sily_ru].
Недостатками такого датчика являются:
а) большое энергопотребление мостовой схемы, связанное с наличием источника питания (5÷15 В);
б) возможна неполная передача деформации от первичного преобразователя - упругой металлической пластины, к преобразователям этой деформации в электрический сигнал - тензорезисторам через клеевой слой, свойства которого зависят от внешних условий, старения, характера измеряемых нагрузок.
Известен датчик механических величин [В.В. Янчич. Пьезоэлектрические датчики вибрационного и ударного ускорения. Учеб. пособие. Ростов-на-Дону, 2008. - С. 49, рис. 3.46], состоящий из плоской металлической пластины, жестко заделанной с одного конца в толстостенную опору и инерционным элементом на свободном конце, пьезопреобразователя, приклеенного в зоне максимальных напряжений пластины, возникающих при ее изгибе под действием измеряемой величины.
Недостатками такого датчика являются:
а) возникновение чувствительности к ротационным колебаниям, вызванным тем, что центры масс пьезоэлектрического и инерционного элементов разнесены на некоторое расстояние и не совпадают с центром инерции устройства;
б) хрупкость пьезопреобразователя и зависимость его характеристик от внешних условий и условий эксплуатации;
в) клеевой слой является промежуточным элементом в передаче деформации, имеет невысокую прочность и надежность при импульсных нагрузках, а также отрицательно влияет на временную и температурную стабильность метрологических характеристик.
Известен датчик механических величин [Патент №2725203, 30.06.2020, бюл. №19. Датчик механических величин], принятый за прототип, состоящий из элемента консольного типа в виде Г-образной опоры, выполненной из электроизоляционного материала, в вертикальную стенку которой жестко защемлена с одного конца горизонтально расположенная упругая металлическая пластина с инерционным элементом на другом конце, обе поверхности металлической пластины, примыкающие к месту защемления, находятся в контакте с электролитом двух электрохимических ячеек, корпус каждой из которых выполнен в виде полой четвертьсферы из эластичного электроизоляционного материала, одна дугообразная плоская поверхность корпуса приклеена к горизонтальной поверхности металлической пластины, а другая - к вертикальной стенке Г-образной опоры, токосъемные противоэлектроды двух электрохимических ячеек выполнены из металла пластины, герметично заделаны в вертикальной стенке Г-образной опоры, одни их свободные концы находятся в контакте с электролитом ячеек, а другие выведены из стенки Г-образной опоры.
Недостатком такого датчика является его малая чувствительность к воздействию механических величин.
Изобретение направлено на прямое преобразование деформации нескольких упругих металлических пластин в электрический сигнал, при этом достигается технический результат, заключающийся в повышении чувствительности датчика к воздействию механических величин.
Технический результат достигается датчиком механических величин, состоящим из элемента консольного типа в виде Г-образной опоры, выполненной из электроизоляционного материала, в вертикальную стенку которой жестко защемлена с одного конца горизонтально расположенная упругая металлическая пластина с инерционным элементом на другом конце, а обе ее поверхности, примыкающие к месту защемления, находятся в контакте с электролитом двух смежных электрохимических ячеек, образуя общий электрод, корпус каждой из ячеек выполнен из упругого электроизоляционного материала, один из токосъемных электродов расположен в верхней ячейке, а другой в нижней и их концы выведены из вертикальной стенки Г-образной опоры, при этом, токосъемные электроды выполнены в виде горизонтально расположенных упругих металлических пластин, идентичных общему электроду, жестко защемленных с одного конца в вертикальную стенку Г-образной опоры с зазорами между пластинами, куда в места, примыкающие к защемлению, помещены П-образные корпуса электрохимических ячеек, горизонтальные ребра которых приклеены к пластинам, а вертикальные ребра к вертикальной стенке Г-образной опоры, в зазорах на свободных концах пластин закреплены вставки из твердого электроизоляционного материала.
На фиг. 1 показан общий вид датчика механических величин.
Датчик механических величин состоит из Г-образной опоры 1, общего 2 и двух токосъемных электродов 3, двух корпусов электрохимических ячеек 4, электролита 5, инерционного элемента 6, двух вставок 7. Г-образная опора 1 выполнена из электроизоляционного материала, общий 2 и токосъемные электроды 3 выполнены в виде горизонтально расположенных упругих металлических пластин, жестко защемленных с одного конца в вертикальную стенку Г-образной опоры 1, П-образные корпуса электрохимических ячеек 4 выполнены из эластичного электроизоляционного материала и помещены в зазоры между пластинами в места, примыкающие к защемлению, горизонтальные ребра корпусов 4 приклеены к пластинами 2, 3, а вертикальные ребра к вертикальной стенке Г-образной опоры 1, в корпуса смежных электрохимических ячеек 4 залит электролит 5, на свободном конце общего электрода 2 закреплен инерционный элемент 6, в зазорах на свободных концах электродов 2, 3 закреплены вставки 7 из твердого электроизоляционного материала.
Датчик работает следующим образом. При воздействии на него вибрации, сотрясений, сейсмических колебаний, они воспринимаются инерционным элементом 6 и связанными с ним упругими металлическими пластинами - электродами 2, 3 электрохимических ячеек 4. Известно [А.Я. Гохштейн. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция. Под ред. А.Н. Фрумкина, М., Наука, 1976, С. 33], что если при деформации электрода, находящегося в контакте с электролитом, изменяется его площадь, то возникает «эффект упругого заряжения межфазного слоя на границе раздела электрод-электролит». При этом, если заряд электрода поддерживается постоянным, например, путем введения демпфирующего сопротивления в цепь электрода, то меняется потенциал электрода. Если одна поверхность общего электрода 2, например, растягивается при деформации изгиба, то другая поверхность сжимается в первый полупериод колебаний и наоборот по второй полупериод, что приводит к двукратному увеличению выходного сигнала. Так как поверхности токосъемных электродов 3, соприкасающиеся с электролитом 5, также деформируются, но с противоположным знаком по отношению к поверхностям общего электрода 2, то выходной сигнал датчика механических величин усиливается еще в два раза по сравнению с прототипом.
Таким образом, решается проблема повышения достоверности измерения механических величин, при это технический результат, заключающийся в повышении чувствительности датчика обеспечивается за счет дополнительной деформации токосъемных электродов.