ДАТЧИК УСКОРЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01P15/12 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям ускорений с использованием сил инерции.

Известен датчик ускорения, в котором преобразование входного статодинамического воздействия осуществляется с помощью тензорезистора, закрепленного на металлическом упругом элементе из дюралюминия.

Недостатком такого датчика является сравнительно низкая ударная прочность его при измерении динамических ускорений с высоким уровнем неинформативной высокочастотной составляющей: в основном направлении из-за слабого демпфирования, в поперечном - из-за значительно меньшей жесткости. Кроме того, вследствие применения материалов с различными коэффициентами линейного расширения температурный диапазон его использования ограничен.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является датчик ускорения, содержащий корпус, связанную с ним резиноподобную среду, где размещен чувствительный элемент таким образом, что ось его чувствительности расположена в плоскости, перпендикулярной вектору действия ускорения, и "инерционную" массу, связанную с резиноподобной средой.

Благодаря тому, что резиноподобная среда обладает значительно большим внутренним трением (на полтора-два порядка) увеличивается демпфирование, что снижает возможность возникновения больших колебаний в системах с упругими ограничителями хода, а следовательно увеличивается ударная прочность датчика к неизмеряемым высокочастотным составляющим.

Однако и в этом случае датчик обладает недостаточной ударной прочностью, особенно в поперечном направлении. Кроме того, поскольку модуль сдвига для резиноподобной среды примерно в три раза меньше модуля Юнга, то при поперечном ударе возникают большие сдвиговые деформации, которые даже при небольших перекосах в расположении тензорезистора в среде, а также его неоднородности по длине (за счет подпайки выводных проводников) приводят к значительной поперечной чувствительности (не менее 50%). Относительно малая жесткость в поперечном направлении приводит также к тому, что собственная резонансная частота в этом направлении будет всегда меньше частоты в основном направлении и находится в области рабочих частот датчика, что ухудшает его метрологические характеристики.

Целью изобретения является увеличение ударной прочности датчика и уменьшение чувствительности к неизмеряемым компонентам воздействия.

Это достигается тем, что в датчике ось чувствительности чувствительного элемента установлена коллинеарно вектору ускорения, в датчик введена стенка, связанная с резиноподобной средой, а отношение модуля упругости чувствительного элемента Е₁ к модулю Е₃ упругости среды удовлетворяет условию
≥5·10²
В качестве резиноподобной упругой среды используются кремнийорганические клеи-герметики, в частности ВГО-1.

Уменьшение боковой чувствительности достигается выравниванием жесткости системы по всем боковым направлениям, для чего чувствительные элементы могут быть расположены "крестообразно" или свернуты в трубку вдоль оси чувствительности.

Для достижения требуемого соотношения ν = E₁/E₃ в кремнийорганический клей-герметик вводится в определенной пропорции металлический порошок, например никель, или подрезается подложка тензорезистора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый датчик отличается тем, что в нем боковая стенка связана с резиноподобной средой по всему периметру, ось чувствительности тензорезистора установлена коллинеарно вектору ускорения, а отношение модуля упругости чувствительного элемента Е₁ к модулю упругости среды Е₃ удовлетворяет условию:
≥5·10²
В качестве резиноподобной упругой среды используются кремнийорганические герметики, в частности ВГО-1.

Уменьшение боковой чувствительности достигается выравниванием жесткости системы по всем боковым направлениям, для чего тензорезисторы могут быть расположены "крестообразно" или свернуты в трубку вдоль оси чувствительности.

Для достижения требуемого соотношения ν = E₁/E₃ в кремнийорганический клей-герметик вводится в определенной пропорции металлический порошок, например никель, или подрезается подложка тензорезистора.

На фиг.1 изображен один из вариантов конструкции датчика; на фиг.2 - то же, вид сбоку.

Датчик содержит корпус 1, выполненный из неэлектропроводящего материала, тензорезистор 2 и упругую резиноподобную среду 3, заполняющую всю внутреннюю полость корпуса, ограниченную основанием и боковой цилиндрической поверхностью и фиксирующую в ней, тензорезистора в вертикальном положении (верхняя часть упругой среды одновременно является и "инерционной массой". В качестве упругой среды используется клей-герметик ВГО-1, который в жидком состоянии заливается в полость и затем естественным образом вулканизуется при комнатной температуре.

Датчик работает следующим образом. При действии ускорения a_o, направленного от основания корпуса датчика в его тело, под действием "сил инерции" резиноподобная среда начинает "перетекать" и ее поверхность принимает форму, изображенную на фиг.3. Хотя тензорезистор и имеет модуль упругости значительно больше соответствующего модуля среды, однако жесткость его как конструкции меньше жесткости обволакивающей его среды, поэтому он не потеряет устойчивости и будет в некоторой пропорции следить за поведением среды - в данном случае испытывать деформацию сжатия. На фиг.4 и 5 показан характер деформирования среды при действии ускорения в обратном и поперечном направлениях соответственно.

Так как "инерционная" масса (верхняя часть резиноподобной среды) имеет связь по всей боковой цилиндрической поверхности с корпусом, то жесткость в поперечном направлении рассматриваемой системы в сравнении с прототипом значительно повысится и ударная прочность ее станет практически равной прочности в основном направлении (см. фиг.2 и 4). Последнее ведет также к тому, что собственная резонансная частота в поперечном направлении смещается в область более высоких частот, расширяя диапазон применения датчика.

Как в прототипе, при поперечном ударе результирующая сила в зоне расположения тензорезистора отсутствует при симметричной схеме размещения. На самом деле полной компенсации указанной силы нет. Однако, поскольку деформации подвергается только верхняя часть тензорезистора, а его нижняя часть (в месте вывода проводников) вообще не принимает участия в формировании выходного сигнала, постольку рассматриваемая схема менее чувствительная к несимметрии положения чувствительного элемента и его неоднородности по длине. На фиг.6 представлена типичная круговая диаграмма поперечной чувствительности. Максимальное значение соответствует случаю, когда вектор ускорения a_n перпендикулярен плоскости тензорезистора (см. фиг.5) и экстремально оценено значением ≈15%.

C целью снижения в 2-3 раза боковой чувствительности датчиков, т.е. для выравнивания жесткости системы по всем боковым направлениям целесообразно тензорезистор свернуть в трубку либо установить в одном датчике два тензорезистора перпендикулярно друг другу и соединить их в электрической схеме последовательно.

На фиг.7 представлена конструктивная схема с сосредоточенной "инерционной" массой в виде металлического шарика. Такая схема обладает повышенным (на порядок) коэффициентом преобразования, однако рабочий диапазон частот при этом естественно снижается.

Особенно эффективно использование предложенной конструктивной схемы при применении полупроводниковых преобразований.

На фиг.8 представлена схема такого датчика.

На миниатюрной непроводящей подложке-балочке 1 из арсенида галлия (GaAs) размером 3 x 0,5 x 0,5 мм "выращивается" чувствительный к деформациям полупроводниковый элемент 2 - эпитаксиальный слой алюминий-арсенид галлия (AlxGa1-xAs) толщиной 10-20 мкм. Защемленная одним концом в боковой стенке основания 3 датчика балочка-подложка 1 при нагружении от действия ускорения a_o работает на изгиб, при этом чувствительный полупроводниковый слой 2 испытывает деформации растяжения-сжатия в зависимости от направления действия измеряемого вектора ускорения (ось чувствительности полупроводникового преобразователя и направление вектора ускорения и в этом случае расположены коллениарно).

Без упругой (резиноподобной) среды такой преобразователь, имеющий частоту собственных колебаний порядка 200 кГ, выдерживает ударные ускорения не более (2,5-3,0) ˙ 10³ м/с². В упругой среде благодаря ее демпфирующим свойствам датчик выдерживает ускорение более 100000 м/с². При этом частота его собственных колебаний, определяемая характеристиками упруго-вязкой среды в заданном объеме датчика, существенно снижается и составляет ≈ 10--15 кГц.

На фиг.9а представлена осциллограмма импульса (длительностью ≈ 400 мкс с пиковым значением ≈ 11000 м/с²) зарегистрированного датчиком, изготовленным по конструктивной схеме фиг.8 (кривая 2) и контрольным пьезодатчиком типа 4344 с резонансной частотой f_c = 70 кГц. На фиг.9б показаны аналогичные осциллограммы ударного процесса с длительностью 30 мкс с пиковым значением 250000 м/с². На этой осциллограмме четко видны наложения собственных колебаний датчика, составляющих около 12,5 кГц, которые практически не проявляются (быстро затухая из-за сильного демпфирования упруго-вязкой среды) при регистрации более длительных импульсов (см. фиг.9а). Эксперименты показали, что прочность в боковом направлении подобных конструкций не уступает прочности в основном направлении.

Использование двух кристаллов существенно расширяет возможности подобных датчиков. С помощью соответствующего расположения кристаллов в резиноподобной среде и дифференциального включения в измерительную цепь позволяет получить датчики, практически нечувствительные к тому или иному виду перегрузок (боковым, угловым-крутильным, продольным).

В качестве примера на фиг.10 представлена конструктивная схема с использованием двух кристаллов, закрепленных и ориентированных таким образом, что их сигналы
при угловых ускорениях (a_y) - одного знака;
при боковых ускорениях ( a_δ ) независимо от направления их действия: вдоль оси чувствительности (OX) или вдоль кристаллов разного знака;
при продольных ускорениях (a_n) - кристаллы, изгибаясь в своей плоскости, чувствительностью не обладают.

В результате этого создан датчик, регистрирующий угловые ускорения (при подробном рассмотрении можно заметить, что также как и в предыдущих случаях направление результирующих инерционных сил, вызывающих угловые ускорения, коллинеарны осям чувствительности полупроводниковых (элементов).

Использование: изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям ускорений. Сущность изобретения: в датчике, содержащем корпус, выполненный из неэлектропроводящего материала, чувствительный элемент установлен таким образом, что его ось коллинеарна вектору ускорения. Упругая резиноподобная среда заполняет всю внутреннюю часть корпуса и фиксирует чувствительный элемент в требуемом положении (упругая среда одновременно является и инерционной массой). Деформация резиноподобной среды ограничена в боковом направлении. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. ДАТЧИК УСКОРЕНИЯ, содержащий основание, связанную с основанием резиноподобную упругую среду, где размещен тензорезистор, и инерционную массу, связанную с резиноподобной средой, отличающийся тем, что в него введена боковая стенка, связанная с резиноподобной средой по всему периметру, ось чувствительности тензорезистора установлена коллинеарно вектору ускорения, а отношение модуля упругости тензорезистора E₁ к модулю упругости среды E₃ удовлетворяет условию:
E₁/E₃ ≥ 5 · 10². 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве резиноподобной среды используется кремнийорганический клей-герметик. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что тензорезистор свернут в трубку относительно оси его чувствительности. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вторым тензорезистором, плоскость которого перпендикулярна к соответствующей плоскости первого, а их оси чувствительностей коллинеарны. 5.Датчик по п.1, отличающийся тем, что инерционная масса и резиноподобная среда совмещены в одном конструктивном элементе. 6.Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве тензорезистора используется полупроводниковый тензопреобразователь, работающий на изгиб, один конец которого консольно закреплен в боковой стенке, а связь резиноподобной среды с основанием отсутствует. 7. Датчик по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в кремнийорганический клей-герметик введен наполнитель в виде мелкодисперсного порошка никеля в массовом отношении 1 : 1 или подложка тензорезистора подрезана по контуру на 0,7 - 1,0 мм.