Датчик резонаторный

Изобретение относится к области измерений механических параметров. Датчик резонаторный содержит основание в виде пластины из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием стержневого резонатора, поверхности которого металлизированы для образования электродной системы, и маятникового подвеса в виде двух стержней, одни концы которых присоединены к чувствительному элементу, а другие концы соединены с основанием. Части поверхностей стержней маятникового подвеса металлизированы материалом, плотность которого близка к плотности материала электродной системы стержневого резонатора. Достигаемым техническим результатом является уменьшение погрешности в условиях воздействия импульсного разогрева. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерений механических параметров. Известен датчик резонаторный (см. патент РФ №2217767, опубликованный 27.11.2003 г.), который содержит основание из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента и его подвесов в виде, по крайней мере, двух стержней и стержневого резонатора. На стержнях подвеса выполнены упругие шарниры для перемещения чувствительного элемента (ЧЭ) относительно основания в направлении измерительной оси. Стержневой резонатор электрически и механически соединен с электромеханическим преобразователем.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является погрешность, обусловленная разностью температур отдельных элементов датчика в результате импульсного разогрева металлизированных поверхностей стержневого резонатора.

Решаемой технической задачей является создание датчика резонаторного с улучшенными метрологическими характеристиками.

Достигаемым техническим результатом является уменьшение погрешности в условиях воздействия импульсного разогрева.

Для достижения технического результата в датчике резонаторном, содержащем основание в виде пластины из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием стержневого резонатора, поверхности которого металлизированы для образования электродной системы, и маятникового подвеса в виде двух стержней, одни концы которых присоединены к чувствительному элементу, а другие концы соединены с основанием, новым является то, что части поверхностей стержней маятникового подвеса металлизированы материалом, плотность которого близка к плотности материала электродной системы стержневого резонатора.

Металлизация частей поверхностей стержней маятникового подвеса позволяет уменьшить разность температур элементов датчика резонаторного при импульсном разогреве и тем самым уменьшить соответствующую погрешность.

На Фигуре изображен заявляемый датчик резонаторный, на котором отмечены зоны металлизации.

Датчик резонаторный содержит основание 1 в виде пластины из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием стержневого резонатора 4, поверхности которого металлизированы для образования электродной системы и маятникового подвеса в виде двух стержней 3, одни концы которых присоединены к чувствительному элементу 2, а другие концы соединены с основанием 1. На части поверхностей стержней 3 маятникового подвеса 5 металлизированы материалом, плотность которого близка к плотности электродной системы стержневого резонатора (например, золото).

Датчик резонаторный работает следующим образом. Механический резонатор через электромеханический преобразователь подключен в цепь обратной связи автогенератора. После подачи напряжения питания на автогенератор в системе "генератор - электрический преобразователь - резонатор" при соблюдении условий "баланса амплитуд" и "баланса фаз" (смотри, например, книгу П.В. Новицкий и др. "Цифровые приборы с частотными датчиками", "Энергия", 1970 г.) устанавливаются колебания резонатора и, соответственно, выходные электрические сигналы с частотой, равной резонансной частоте резонатора. Выходные электрические сигналы генератора используются после соответствующего преобразования для регистрации результатов измерения силы, действующей на резонатор. В исходном положении, соответствующем нулевому значению измеряемого параметра (например, ускорения), значение резонансной частоты механического резонатора f₀ определяется конструктивными размерами элементов резонатора и физическими свойствами материала, из которого он изготовлен (модуль упругости - E, плотность - ρ). Измеряемая величина преобразуется кинематической системой датчика в продольную силу резонатора, что вызывает изменение его резонансной частоты и соответственно частоты выходных электрических сигналов генератора. Значения изменений частоты выходных сигналов генератора является мерой измеряемого параметра.

Под воздействием импульсного разогрева происходит неравномерное изменение температуры отдельных участков датчика (резонатора и замыкающей рамки). Это определяется разными материалами электродной системы и основания, выполненного из монокристалла. Процесс изменения средних температур резонатора, замыкающей его рамки и их разности носят сугубо нестационарный характер. При неравенстве температур резонатора и рамки возникает изменение продольной силы резонатора и соответственно изменение его резонансной частоты.

Для минимизации погрешности от неравномерного распределения температуры между резонатором и чувствительным элементом необходимо выполнение как минимум двух условий:

1) равенство средних температур резонатора T_рез(τ_u) и замыкающей его рамки T_рам(τ_u);

2) равенство временных зависимостей изменений температур резонатора и замыкающей его рамки.

Выполнение первого условия может быть представлено следующими соотношениями:

T_рез(τ_u)=Т_рам(τ_u)

T_рез(τ_u)=T_0рез+ΔТ_рез(τ_u) T_рам(τ_u)=T_0рам+ΔT_рам(τ_u)

При T_0рез=T_0раи=T₀

с учетом (1)-(4)

и или

где T_0рез, T_0рам, Т₀ - начальные значения температур резонатора, рамки и окружающей среды, соответственно;

ΔT_рез(τ_u), ΔT_рам(τ_u) - изменение температур резонатора и рамки под действием импульса облучения длительностью τ_u;

ΔQ_i(τ_u) - энергия, поглощенная i-элементом на интервале длины Δl с шириной участка b_i(l);

E - мощность излучения, приходящаяся на единицу площади (поверхностная плотность потока излучения);

K_i - коэффициент поглощения энергии излучения i-элемента объема.

C_i, c_i, ρ_i,.,h_i - теплоемкость, удельная теплоемкость, плотность вещества и толщина i-элемента объема, соответственно.

При равенстве удельных теплоемкостей вещества материала резонатора и рамки, условием равенства температур резонатора и рамки будет равенство значений отношений:

Оптимальные размеры частей металлизированных поверхностей стержней маятникового подвеса были определены моделированием на ПЭВМ с использованием метода конечных элементов. По результатам расчетов изготовлены экспериментальные образцы. Проведенные исследования подтвердили эффективность предлагаемого технического решения.

Датчик резонаторный, содержащий основание в виде пластины из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием стержневого резонатора, поверхности которого металлизированы для образования электродной системы, и маятникового подвеса в виде двух стержней, одни концы которых присоединены к чувствительному элементу, а другие концы соединены с основанием, отличающийся тем, что части поверхностей стержней маятникового подвеса металлизированы материалом, плотность которого близка к плотности материала электродной системы стержневого резонатора.