Пластина маятникового акселерометра

 

Использование: для измерения ускорений при движении различных объектов в широком диапазоне температур окружающей среды с высокой точностью. Сущность изобретения: пластина включает в себя опорный элемент, чувствительный элемент, две перемычки для связи опорного элемента с чувствительным элементом, опорные выступы. Ось симметрии пластины расположена между двумя перемычками, двумя противоположными опорными выступами, а третий центральный опорный выступ расположен на ней. На опорном элементе со стороны периферии пластины выполнены два выреза. Вырезы расположены между центральным опорным выступом и двумя противоположными опорными выступами. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в маятниковых акселерометрах для измерения ускорения при движении различных объектов.

Известен маятниковой акселерометр с упругим подвесом чувствительного элемента, содержащий корпус и пластину из кварцевого стекла, выполненную в виде опорного элемента, чувствительного элемента, двух перемычек, причем опорный элемент и чувствительный элемент разделены прорезью, выполненной вдоль периметра пластины, и связаны между собой двумя перемычками, пластина выполнена симметричной, причем ось симметрии расположена между двумя перемычками [1] Для повышения устойчивости к воздействию неизмеряемых нагрузок, направленных вдоль оси чувствительности, в этом техническом решении отношение зазора между подвижными концами упругих перемычек и опорным элементом по оси чувствительности к длине упругих перемычек выбрано менее определенной величины, зависящей от предела прочности материала перемычек, модуля упругости, высоты поперечного сечения перемычек.

В известном акселерометре пластина изготовлена из кварцевого стекла (может быть изготовлена и из кремния), имеющего высокие механические характеристики и обладающего практически полным отсутствием гистерезиса.

В то же время определенным ограничением материала является малая величина температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), что вызывает трудность при установки пластины в корпус, так как маятниковые акселерометры часто функционируют в диапазоне температур от -60^oC до +100^oC, не имея фиксированной рабочей точки. Поскольку ТКЛР материалов пластины и корпуса резко отличается, то при изменении температуры окружающей среды возникают напряжения в элементах устройства, которые приводят к изменению геометрии в элементах пластины и, как следствие, к температурному дрейфу выходных характеристик акселерометра.

Наиболее близким техническим решением является пластина маятникового акселерометра, включающая опорный элемент, чувствительный элемент, две перемычки, опорные выступы, причем опорный элемент и чувствительный элемент разделены прорезью, выполненной вдоль периметра пластины, и связаны между собой двумя перемычками, по три опорных выступа расположены на опорном элементе с широких сторон пластины с возможностью их установки на внутренних параллельных поверхностях корпуса акселерометра, пластина выполнена симметричной, причем ось симметрии пластины расположена между двумя перемычками, двумя противоположными опорными выступами, а третий центральный опорный выступ расположен на ней, центр тяжести чувствительного элемента расположен на оси симметрии и на поперечной оси, ортогональной оси симметрии и совмещенной с краями противоположных опорных выступов, которые направлены в сторону перемычек, при этом на опорном элементе со стороны периферии пластины выполнены два выреза, расположенные симметрично относительно оси симметрии [2] Одним из вариантов известного решения является пластина маятникового акселерометра, в которой перемычки расположены на оси симметрии, а между опорными выступами выполнен подковообразный вырез. В этом случае чувствительный элемент установлен с возможностью колебания относительно оси симметрии, а перемычки работают на скручивание.

Введение подковообразного выреза приводит к ослаблению связи между опорными выступами, но одновременно между упругими перемычками образуется опорный элемент в форме неравножесткого наружного кольца, что при температурных деформациях к сложному изгибу в двух плоскостях. Таким образом, при изменении температуры окружающей среды такое техническое решение приводит к температурному дрейфу нулевого сигнала.

В другом варианте чувствительный элемент установлен с возможностью колебания относительно плоскости пластины, а вырезы выполнены между двумя противоположными опорными выступами и перемычками, что также приводит к неравножесткости наружного кольца опорного элемента и, как указывалось ранее, к температурному дрейфу нулевого сигнала. Кроме того, снижение жесткости опорного элемента между двумя противоположными опорными выступами и перемычками уменьшает верхний предел механических нагрузок пластины, что приводит к снижению вибро- и ударопрочности акселерометра.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, повышение стабильности нулевого сигнала, уменьшение температурного дрейфа и увеличение верхнего предела механических нагрузок.

Указанный результат достигается тем, что в пластине маятникового акселерометра, включающей опорный элемент, чувствительный элемент, две перемычки, опорные выступы, причем опорный элемент и чувствительный элемент разделены прорезью, выполненный вдоль периметра пластины, и связаны между собой двумя перемычками, три опорных выступа, расположенных на опорном элементе со стороны оснований пластины для их установки на внутренних параллельных поверхностях корпуса акселерометра, пластина выполнена симметричной, причем ось симметрии пластины расположена между двумя перемычками, двумя противоположными опорными выступами, а третий центральный опорный выступ расположен на ней, центр тяжести чувствительного элемента расположен на оси симметрии и на поперечной оси, ортогональной оси симметрии и совмещенной с краями противоположных опорных выступов, которые направлены в сторону перемычек, при этом на опорном элементе со стороны боковой поверхности пластины выполнены два выреза, расположенные симметрично относительно оси симметрии, вырезы расположены между центральным опорным выступом и двумя противоположными опорными выступами.

Возможны варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы были дополнительно выполнены вырезы, расположенные между центральным опорным выступом и двумя противоположными опорными выступами со стороны оснований пластины, и также дополнительно были выполнены вырезы, расположенные между центральным опорным выступом и двумя противоположными опорными выступами со стороны прорези.

За счет расположения вырезов в соответствии с описанном выше, удается снизить температурный дрейф и повысить механическую прочность.

На фиг. 1 схематично изображена пластина маятникового акселерометра; на фиг. 2 сечение вдоль оси симметрии; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 пластина, установленная в корпусе; на фиг. 6 схема электрическая.

Пластина (фиг. 1, 2, 3, 4) выполнена из опорного элемента 1, чувствительного элемента 2, двух перемычек 3, 4, опорных выступов 5, 6, 7, 8, 9, 10 (опорный выступ 9 на фиг. 1, 2 не показан). Опорный элемент 1 и чувствительный элемент 2 разделены прорезью 11, выполненной вдоль периметра пластины, и связаны между собой двумя перемычками 3, 4. По три опорных выступа 5, 6, 7 и 8, 9, 10 расположены на опорном элементе 1 со стороны оснований пластины для установки их на внутренних поверхностях 12, 13 корпуса акселерометра (фиг. 5).

Пластина выполнена симметричной. Ось Х-Х симметрии расположена между двумя перемычками 4, 3 двумя противоположными опорными выступами 6, 7, а третий центральный опорный выступ 5 расположен на ней. Центр тяжести Ц чувствительного элемента 2 расположен на оси Х-Х симметрии и на поперечной оси Y-Y, ортогональной оси Х-Х и совмещенной с краями противоположных опорных выступов 6, 7, которые направлены в сторону перемычек 3, 4. На опорном элементе 1 боковой стороны пластины выполнены два выреза 14, 15, расположенные симметрично относительно оси Х-Х.

Согласно изобретению вырезы 14, 15 расположены между центральным опорным выступом 5 и двумя противоположными опорными выступами 6, 7.

Дополнительно могут быть выполнены вырезы 16, 17, 18, 19 со стороны оснований пластины (вырез 18 на фиг. 1, 2 не показан).

Дополнительно могут быть выполнены вырезы 20, 21 со стороны прорези (вырез 20 на фиг. 2 не показан).

На фиг. 1 также показан слой металлизации 22 емкостного датчика. На фиг. 5 показано кольцо 23 для упругого сжатия силой P опорных выступов 5, 6, 7, 8, 9, 10 опорного элемента 1 внутренними поверхностями 12, 13 корпуса.

Работу устройства для снижения температурного дрейфа можно проиллюстрировать следующим образом.

После установки пластины в корпус со сжимающим усилием Р все ее элементы не имеют растягивающих (сжимающих) в радиальном направлении и изгибающих напряжений.

При изменении температуры точки Г, Д и Е, (фиг. 1) соответствующие температуре сборки, начнут перемещаться пропорционально разнице ТКЛР кварцевого стекла (кремния) и материала корпуса, т.е. с разной скоростью и при температуре t₂ при ТКЛР корпуса больше ТКЛР пластины ранее совпадающие точки займут положение для пластины Г₁, Д₁, Е₁, а для корпуса Г₂, Д₂, Е₂.

Однако, пока не преодолена сила трения между опорными выступами 5, 6, 7, 8, 9, 10 и внутренними поверхностями 12, 13 корпуса (фиг. 1, 5), части опорного элемента 1 (ребра ГРд, ДЕ, ЕГ) будут подвержены растяжению, при этом точка В (фиг. 1) будет перемещаться в вертикальном направлении, что приведет к изменению начальных зазоров А и Б (фиг. 5) соответствующим емкостям C₁ и C₂ (фиг. 6), т.е. к температурному дрейфу нулевого сигнала акселерометра. Как видно из фиг. 1, выполнение вырезов между двумя противоположными опорными выступами 6, 7 и двумя перемычками 3, 4, не влияет на компенсацию температурного дрейфа, а лишь ухудшает проявление отрицательных свойств в силу снижения жесткости опорного элемента 1 между опорными выступами 6, 7 и перемычками 3, 4.

Деформация же ребер ГД, ДЕ, ЕГ в техническом решении по патенту США будет продолжаться до тех пор, пока растягивающая сила не сравняется с силой трения, удерживающей пластину неподвижно относительно внутренних поверхностей 12, 13 (фиг. 5) корпуса. После чего, за счет внутренних напряжений опоры точки Г, Д, Е, частично сместятся к начальному положению, т.е. точка В при температуре сборки пластины займет уже новое положение, а это приведет к изменению самой величины нулевого сигнала при тех же первоначальных внешних условиях.

Выполнение вырезов между центральным опорным выступом 5 и двумя противоположными опорными выступами 6 и 7 уменьшает связи между этими опорами. Выполнение вырезов 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 позволяет снизить до технологически возможной величины жесткость ребер опорного элемента 1, расположенных между точками Г и Д, Д и Е. Фигуры 3 и 4 показывают в этом случае соотношение сечений А-А и Б-Б на фиг. 1.

За счет введения вырезов 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 между двумя противоположными опорными выступами 6, 7 (9, 10) и центральным опорным выступом 5 (8) снижается жесткость опорного элемента 1 между ними, и расчеты показывают, что достаточно снизить жесткость в 4-5 раз, чтобы компенсировать разность в ТКЛР материалов пластины и корпусов порядка (0,5.0,8)·10^-6 1/^oC при изменении температуры окружающей среды относительно температуры сборки в диапазоне от -60^oC до +80^oC.

Поскольку сечение опорного элемента 1 уменьшено между опорными выступами 5, 6, 7, 8, 9, 10, т.е. по месту их обжатия внутренними поверхностями 12, 13 корпуса, то выполнение вырезов 14, 15 не снижает механической прочности пластины.

Таким образом, удается повысить вибро- и ударопрочность.

Выполнение вырезов (14, 15 (а также и дополнительных вырезов 16, 17, 18, 19, 20, 21) снижает суммарную жесткость опорного элемента 1 радиальному растяжению (сжатию) и пропорционально уменьшается величина сил растягивающих его. При той же силе трения, удерживающей пластину между внутренними поверхностями 12, 13 корпуса, срыв пластины произойдет при большем изменении температуры, на практике за пределами температурного диапазона применения прибора. В результате повышается стабильность нулевого сигнала акселерометра.

Уменьшение сил, растягивающих опорный элемент 1, приводит к уменьшению внутренних напряжений в нем, к меньшему перемещению точки B (фиг. 1), и как следствие, уменьшается температурный дрейф нулевого сигнала.

Наиболее успешно заявленная пластина маятникого акселерометра может быть использована в устройствах, работающих в широком температурном диапазоне.

Формула изобретения

1. Пластина маятникового акселерометра, включающая опорный элемент и чувствительный элемент, разделенные прорезью, выполненной вдоль периметра пластины, и связанные между собой двумя перемычками, три опорных выступа, расположенных на опорном элементе со стороны оснований пластины с возможностью установки на внутренних параллельных поверхностях корпуса акселерометра, пластина выполнена симметричной, причем ось симметрии пластины проходит между двумя перемычками, двумя противоположными опорными выступами через третий центральный опорный выступ, центр тяжести чувствительного элемента совпадает с точкой пересечения оси симметрии и оси, ортогональной оси симметрии и проходящей через торцы противоположных опорных выступов, направленных в сторону перемычек, при этом на опорном элементе со стороны боковой поверхности пластины, симметрично относительно ее оси симметрии выполнены два выреза, отличающаяся тем, что вырезы расположены между центральным опорным выступом и двумя противоположными опорными выступами.

2. Пластина по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно выполнены вырезы между центральным опорным выступом и двумя противоположными опорными выступами со стороны оснований пластины.

3. Пластина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что дополнительно выполнены вырезы между центральным опорным выступом и двумя противоположными опорными выступами со стороны прорези.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6