Виброчастотный датчик линейных ускорений

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.
Известен датчик линейных ускорений, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий 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 виброчастотный микромеханический акселерометр, содержащий основание, инерционную массу маятникового типа, резонатор, один конец которого соединен с основанием, а другой - с инерционной массой, упругие элементы с возможностью перемещения инерционной массы относительно основания в направлении измерительной оси [2].
Недостатком данного устройства является то, что резонатор имеет высокую связь с основанием, и как следствие потери механической энергии. Защемление резонатора с одного конца - один конец соединен с основанием, имеет низкую механическую добротность, поскольку другой конец соединен с инерционной массой. Запасаемая в нем энергия упругих колебаний беспрепятственно уходит в основание. Увеличение потери энергии резонатора уменьшает добротность, соответственно, уменьшает точность. Еще одним недостатком является нестабильность начальной частоты, так как защемление резонатора с одного конца имеет высокую связь с основанием. Упругие элементы расположены непосредственно вблизи закрепления инерционной массы к основанию. При этом возникающие контактные напряжения изменяют жесткость упругих элементов и упругие свойства самого резонатора, а это уменьшает точность измерения полезного сигнала. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности виброчастотного микромеханического акселерометра. Для достижения этого в виброчастотном датчике линейных ускорений, содержащем основание, кристалл, включающий внешнюю рамку и инерционную массу, соединенную с внешней рамкой через упругий подвес, стержневой резонатор, соединенный с одной стороны с внешней рамкой, с другой- с инерционной массой, кристалл содержит как минимум, две инерционные массы, причем резонатор сформирован так что, закреплен своими концами на инерционных массах, при этом сформирован на продольной оси кристалла и инерционных масс, площадки крепления к основанию сформированы вдоль поперечной оси кристалла на внешней рамки, на инерционных массах в местах сопряжения с резонатором и в местах сопряжения внешней рамки с площадками крепления к основанию сформированы сквозные прорези.
Резонатор соединен своими концами на инерционных массах. Это обеспечивает развязку связи резонатора с основанием. Соответственно, повышается добротность колебательной системы, следовательно, точность измерения полезного сигнала. Сформированные сквозные прорези на внешней рамке и на инерционных массах позволяет оптимально закрепить резонатор с двумя инерционными массами на основании и обеспечить минимальную чувствительность к температурным воздействиям, снизить напряженное состояние закрепляемой колебательной системы, обеспечить минимальную нестабильность нулевой частоты, а это в итоге повышает точность прибора.
Предложенный виброчастотный датчик линейных ускорений иллюстрируется чертежом фиг. 1,
где 1, 2 - инерционные массы,
3 - внешняя рамка,
4 - упругие элементы,
5 - резонатор,
6 - площадки крепления к основанию,
7 - сквозные прорези.
Виброчастотный датчик линейных ускорений содержит две инерционные массы 1, 2, закрепленные на внешней рамке 3 через упругие элементы 4, причем симметрично относительно поперечной оси внешней рамки 3. С инерционными массами 1, 2 вдоль продольной оси закреплен резонатор 5. На внешней рамке 3, на поперечной оси сформированы площадки крепления к основанию 6. На инерционных массах 1 и 2 в местах сопряжения с резонатором и на внешней рамке 3 вблизи площадок крепления к основанию 6, сформированы сквозные прорези 7.
Виброчастотный датчике линейных ускорений работает следующим образом. Резонатор может быть выполнен как с емкостным возбуждением, так и магнитоэлектрическим. Причем емкостное возбуждение может быть реализовано через встречно-штырьевые преобразователи. Колебания в резонаторе с системой возбуждения емкостного типа осуществляется за счет подачи переменного напряжения на обкладки (не показано) емкостного резонатора 5 и обкладки, сформированные на основании (не показано). Колебания в резонаторе 5 с системой возбуждения магнитоэлектрического типа осуществляется за счет подачи переменного тока, в проводник, нанесенный (не показано) на стержневой резонатор 5. При взаимодействии постоянного магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами (не показано) и переменного тока протекающего в проводнике сформированного непосредственно на резонаторе 5 возникают колебания последнего. При воздействии линейного ускорения инерционные массы 1. 2 отклоняются от нейтрального положения. При этом упругие элементы 4 деформируются. При этом изменяются геометрические размеры и соответственно изменяется изгибная жесткость, а следовательно резонансная частота резонатора 5 пропорционально измеряемому ускорению.
Две инерционные массы 1, 2 и связанный с ними резонатор 5 развязаны от основания. Соответственно повышается добротность колебательной системы, следовательно, точность измерения полезного сигнала. Так как потери колебательной системы, а именно резонатора 5 с системой возбуждения резко уменьшаются, а это, как известно, повышает точность прибора. Сквозные прорези на инерционных массах 1 и 2 в местах сопряжения с резонатором 5 и на внешней рамке 3 сквозные прорези 7 уменьшают температурную погрешность. При воздействии отрицательных и положительных температур сквозная прорезь 7 сужается или расширяется, при этом отсутствует воздействие на упругие элементы 4, а, следовательно, частота резонатора 5 остается неизменной. Сформированные площадки крепления к основанию 6 позволяет оптимально закрепить резонатор 5 с двумя инерционными массами 1 и 2 на основании (не показано) и, следовательно, снизить напряженное состояние закрепляемой колебательной системы, обеспечить минимальную нестабильность нулевой частоты, а это в итоге повышает точность прибора.
В виброчастотном датчике линейных ускорений кристалл содержит как минимум, две инерционные массы. Соответственно при действии ускорения инерционные массы перемещаются от своего нейтрального положения деформируя резонатор при этом деформация, воздействующая на резонатор распределена равномерно вдоль резонатора. Резонатор закреплен своими концами на инерционных массах, вдоль продольной оси кристалла и инерционных масс. То есть, сформирован симметрично. Потери колебательной системы, а именно резонатора с системой возбуждения резко уменьшаются, а это, как известно, повышает точность прибора. Площадки крепления к основанию сформированы вдоль поперечной оси кристалла. На внешней рамки и на инерционных массах в местах сопряжения с резонатором и в местах сопряжения внешней рамки с площадками крепления к основанию сформированы сквозные прорези. Воздействие внешних факторов, а именно положительных и отрицательных температур резко уменьшается. Так при нагревании или воздействии отрицательной температуры сквозные прорези деформируются, тем самым уменьшая воздействия вредных факторов на резонатор, а, следовательно, на его собственную частоту. Таким образом, увеличивается точность прибора.
Источники информации:
1. Патент РФ №2251702.
2. Патент РФ №2371728 - прототип.