ЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам линейных ускорений.
Известен микромеханический акселерометр содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющей два плеча и подвешенный с помощью торсионов, емкостную систему съема перемещений инерционной массы [1]. Недостатком данного устройства является то, что о величине действующего ускорения можно судить по изменению емкости системы измерения перемещения инерционной массы и при дальнейшем преобразовании емкости вносится дополнительная погрешность, что значительно снижает точность прибора в целом.
Известен частотный датчик линейных ускорений, содержащий, основание, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния, внешнюю рамку, инерционную массу, соединенную с внешней рамкой через упругий подвес, стержневой резонатор, соединенный с одной стороны с инерционной массой, с другой с внешней рамкой и систему возбуждения и съема сигнала [2].
Недостатком этого устройства является то, что частотный датчик линейных ускорений содержит один резонатор. Это является основной причиной нестабильности частоты колебаний и ее зависимости от амплитуды колебаний резонатора, меняющейся вследствие целого ряда причин - воздействия отрицательных и положительных температур, вибрации, ударов. Так, при воздействии диапазона температур, резонатор меняет свои геометрические размеры: сжимается или удлиняется. При этом изменяется резонансная частота его колебаний при отсутствии полезного сигнала. Так и при действии линейного ускорения возникает погрешность измерния - следовательно, уменьшается точность прибора. Уменьшение влияния связи резонатора с основанием в этом устройстве приводит к усложнению конструкции - это введение основания, заполнение демпфирующим материалом.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности датчика.
Для достижения этого в частотном датчике линейных ускорений, содержащем, основание, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния, внешнюю рамку, инерционную массу, соединенную с внешней рамкой через упругий подвес, стержневой резонатор, соединенный с одной стороны с инерционной массой, с другой - с внешней рамкой и систему возбуждения и съема сигнала, инерционная масса выполнена в виде двухплечевого маятника, закрепленного на внешней рамке симметрично относительно поперечной оси, и содержит два идентичных стержневых резонатора, закрепленных одним концом с одним и другим плечами маятника, по продольной его оси,, а другим концом-с внешней рамкой, по продольной ее оси, причем стержневые резонаторы сформированы заодно с одной из внешних поверхностей двухплечевого маятника, сформированные электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации нанесены на внешних сторонах резонаторов и включены по дифференциальной схеме, в местах закрепления стержневых резонаторов и двухплечевого маятника сформированы сквозные щели, на внешней рамке с обеих сторон поперечной оси симметрично сформированы крестообразные сквозные щели, в местах сопряжения стержневых резонаторов с внешней рамкой сформированы упруго-деформируемые растяжки со сквозными прорезями на внешней стороне внешней рамки, площадки крепления к основанию сформированы в углах внешней рамки.
Признаками, отличающими предложенный частотный датчик линейных ускорений, от известного является то, что инерционная масса выполнена в виде двухплечевого маятника, закрепленного на внешней рамке симметрично относительно поперечной оси, и содержит два идентичных стержневых резонатора, которые закреплены одним концом с одним и другим плечом маятника, по продольной его оси, а другим концом-с внешней рамкой, по продольной ее оси. Маятниковый подвес обеспечен удалением части одного плеча инерционной массы с одной из сторон двухплечевого маятника. При воздействии линейного ускорения один резонатор сжимается, другой при этом растягивается. То есть у одного резонатора частота увеличивается, у другого уменьшается. Затем эти частоты вычитаются. Здесь применяется дифференциальная схема включения. Разность этих частот пропорциональна измеряемому ускорению, тем самым обеспечивая минимальную нестабильность частоты колебаний, минимальную нелинейность, минимальную температурную погрешность, так как воздействие этих вредных факторов на каждый резонатор в итоге вычитается. Причем стержневые резонаторы сформированы заодно с одной из внешних поверхностей двухплечевого маятника. Электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации нанесены на внешних сторонах резонаторов и включены по дифференциальной схеме. Такое расположение стержневых резонаторов упрощает изготовление, снижает трудоемкость и позволяет достаточно точно разместить стержневые резонаторы на продольной оси, что существенным образом повышает точность прибора, а формирование части электронной схемы обработки также на одной стороне упрощает сборку прибора, минимизирует количество операций разварки и установки чувствительного элемента, а это тоже несколько повышает точность. В местах закрепления стержневых резонаторов и двухплечевого маятника сформированы сквозные щели. На внешней рамке с обеих сторон поперечной оси симметрично сформированы крестообразные образные сквозные щели. Это минимизирует потери колебательной системы, то есть стержневых резонаторов, повышает добротность, а это в свою очередь повышает точность прибора. Одновременно крестообразные сквозные щели и сквозные щели на двухплечевом маятнике - в местах сопряжения со стержневыми резонаторами уменьшают влияние внешних факторов таких как температура, вибрация и тем самым способствуют увеличению точности датчика. В местах сопряжения стержневых резонаторов с внешней рамкой сформированы упруго-деформируемые растяжки со сквозными прорезями на внешней стороне внешней рамки. Такое расположение упруго-деформируемых растяжек со сквозными прорезями позволяет более равномерно сжимать-растягиваться стержневым резонаторам, тем самым уменьшая нелинейность, а это повышает точность прибора. Одновременно развязывает колебательную систему от основания, то есть повышает добротность - увеличивая точность. Площадки крепления к основанию сформированы в углах внешней рамки. Оптимальное расположение в углах внешней рамки площадок крепления к основанию оказывает минимальное влияние на упругий подвес воздействие внешних факторов передаваемых с основания и минимизирует влияние на стержневые резонаторы. Предложенный частотный датчик линейных ускорений иллюстрируется чертежами фиг. 1, фиг. 2, где:
1 - двухплечевой маятник,
2 - стержневой резонатор,
3 - стержневой резонатор,
4 - внешняя рака,
5 - крестообразные сквозные щели,
6 - углубления,
7 - упругий подвес,
8 - электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации,
9 - площадки крепления к основанию,
10 - сквозные прорези,
11 - упруго-деформируемые растяжки,
12 - сквозные щели.
На фиг. 2 изображена противоположная сторона частотного датчика линейных ускорений.
Частотный датчик линейных ускорений содержит чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния, двухплечевой маятник 1, соединенный с внешней рамкой 4 через упругие подвесы 7. Двухплечевой маятник 1, закреплен на внешней рамке 4 симметрично относительно поперечной оси, и содержит два идентичных стержневых резонатора 2, 3, закрепленных одним концом с одним и другим плечом маятника 1, по продольной его оси,, а другим концом - с внешней рамкой 4, по продольной ее оси. Стержневые резонаторы 2, 3 сформированы заодно с одной из внешних поверхностей двухплечевого маятника 1, сформированные электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации 8 нанесены на внешних сторонах резонаторов 2, 3. В местах закрепления стержневых резонаторов 2, 3 и двухплечевого маятника 1 сформированы сквозные щели 12. На внешней рамке 4 с обеих сторон поперечной оси симметрично сформированы крестообразные образные сквозные щели 5. В местах сопряжения стержневых резонаторов 2, 3 с внешней рамкой 4 сформированы упруго-деформируемые растяжки 11 со сквозными прорезями 10. На внешней стороне внешней рамки 4, площадки крепления к основанию 9 сформированы в углах внешней рамки 4. На обратной стороне двухплечевого маятника 1 сформированы углубления 6.
Частотный датчик линейных ускорений работает следующим образом. При протекании переменного тока через электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации 8 от взаимодействия с полем постоянного магнита возникает электромагнитная сила, приводящая к колебанию стержневых резонаторов 2, 3.
При действии линейного ускорения вдоль оси У двухплечевой маятник 1 отклоняются от своего нейтрального положения. Упругие подвесы 7 двухплечевого маятника 1 закручиваются на определенный угол. Стержневые резонаторы 2, 3 жестко связаны с двухплечевым маятником 1 и внешней рамкой 4 и находятся на внешней стороне двухплечевого маятника 1. Поэтому один стержневой резонатор, например 2 растягивается, другой например 3 сжимается. В итоге резонансная частота обеих стержневых резонаторов 2, 3 изменяется. Разность этих частот пропорциональна изменению измеряемого ускорения. Использование двух стержневых резонаторов 2, 3 и включение их по дифференциальной схеме позволяет повысить точность, так как используется для измерения разность изменения собственных частот стержневых резонаторов, что уменьшает нестабильность частоты, температурную погрешность, линеаризует характеристику прибора. В местах закрепления стержневых резонаторов 2, 3 и двухплечевого маятника 1 сформированы сквозные щели 12. На внешней рамке 4 с обеих сторон поперечной оси симметрично сформированы крестообразные образные сквозные щели 5. Это минимизирует потери колебательной системы, то есть стержневых резонаторов 2, 3, повышает добротность, а это в свою очередь повышает точность прибора. Одновременно крестообразные сквозные щели 5 и сквозные щели 12 на двухплечевом маятнике 1 - в местах сопряжения со стержневыми резонаторами 2, 3 уменьшают влияние внешних факторов таких как температура, вибрация и тем самым способствуют увеличению точности датчика. В местах сопряжения стержневых резонаторов 2, 3 с внешней рамкой 4 сформированы упруго-деформируемые растяжки 11 со сквозными прорезями 10 на внешней стороне внешней рамки 4. Такое расположение упруго-деформируемых растяжек 11 со сквозными прорезями 10 позволяет более равномерно сжимать-растягиваться стержневым резонаторам, тем самым уменьшая нелинейность, а это повышает точность прибора. Одновременно развязывает колебательную систему от основания, то есть повышает добротность - увеличивая точность. Площадки крепления к основанию 9 сформированы в углах внешней рамки 4. Оптимальное расположение в углах внешней рамки 4 площадок крепления к основанию 9 оказывает минимальное влияние на упругий подвес 7 воздействие внешних факторов передаваемых с основания и минимизирует влияние на стержневые резонаторы 2, 3.
Источники информации:
1. Патент РФ №2251702
2. Патент РФ №2436106 - прототип.