АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01P15/12 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к средствам измерения вибраций и может быть использовано в акселерометрах с жидкостным демпфированием для повышения температурной стабильности их амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик в расширенном диапазоне рабочих температур.

Известен акселерометр, содержащий корпус, упругий чувствительный элемент консольного типа, инерционную массу и демпфирующую жидкость [1]
Недостатком известного акселерометра является резкое изменение показателя демпфирования при изменении температуры. Так, при изменении температуры от -5^oС до +50^oC показатель его демпфирования, равный при нормальной температуре Φ ≈ 0,7, уменьшается вдвое. Существенная зависимость величины демпфирования от температуры в акселерометрах приводит к снижению достоверности их амплитудно-частотных характеристик в широком диапазоне рабочих температур.

Технический результат изобретения повышение достоверности измерений в широком диапазоне рабочих температур за счет стабильности показателя демпфирования акселерометра с жидкостным демпфированием.

Результат достигается тем, что в акселерометре, содержащем корпус, упругий чувствительный элемент, инерционную массу, корпус снабжен компенсирующим элементом, образующим терморегулируемый зазор между сопряженными поверхностями компенсирующего элемента и инерционной массой. При этом зазор выполнен с заполняющей его демпфирующей жидкостью, удерживаемой в нем силами поверхностного натяжения.

Для достижения температурной стабильности, оптимальных значений демпфирования, при которых АЧХ линейна, компенсирующий элемент может быть выполнен в виде монолитной подставки из материала с большим температурным коэффициентом линейного расширения, чем у материала корпуса, и установлен под инерционной массой. Высота подставки выполнена по следующему соотношению:

где α₁, α₂ температурные коэффициенты линейного расширения материалов корпуса и подставки;
K₁ коэффициент зависимости показателя демпфирования от температуры в заданном интервале рабочих температур;
K₂ коэффициент зависимости показателя демпфирования от величины зазора.

Компенсирующий элемент акселерометра может быть выполнен в виде изогнутой пластины с закрепленными на корпусе концами из материала с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала корпуса, и установлен под инерционной массой, обеспечивая повышение эффективности стабилизации показателя демпфирования в области низких температур.

Компенсирующий элемент акселерометра может быть выполнен в виде биметаллической стойки, образующей зазор с боковой поверхностью инерционной массы, обеспечивая больший ход инерционной массы и стабилизацию показателя демпфирования.

На фиг. 1 представлена конструкция акселерометра с компенсирующим элементом, выполненным из монолитной подставки; на фиг. 2 конструкция акселерометра с подставкой в виде изогнутой пластины; на фиг. 3 конструкция акселерометра с подставкой в виде биметаллической стойки.

Акселерометр (фиг. 1) содержит корпус 1, на котором закреплен чувствительный элемент в виде консольной балки 2, выполненной, например, из монокристалла кремния по интегральной технологии за одно целое с узлом крепления 3 и инерционной массой 4. На верхней поверхности балки 2 сформированы полупроводниковые тензорезисторы, образующие тензометрический мост.

Под инерционной массой 4 на корпусе 1 установлена монолитная подставка 5. Сопряженные поверхности инерционной массы 4 и подставки 5 образуют зазор 6, в который вводят несколько капель демпфирующей жидкости. Инерционная масса и подставка выполнены из материалов, смачиваемых демпфирующей жидкостью, а зазор имеет относительно малую величину ( δ <0,2 мм), в результате чего обеспечивается удерживание демпфирующей жидкости в зазоре 6 силами поверхностного натяжения.

Корпус 1 и подставка 5 выполнены из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения a₁ и α₂ причем материал подставки имеет температурный коэффициент значительно больше, чем материал корпуса.

Устройство работает следующим образом.

При увеличении температуры вязкость демпфирующей жидкости, находящейся в зазоре, уменьшается, что приводит к уменьшению показателя демпфирования. Но так как в предложенной конструкции акселерометра температурное расширение подставки превышает температурное расширение корпуса, то при увеличении температуры происходит уменьшение зазора 6, что вызывает увеличение показателя демпфирования.

Для получения желаемого технического результата в предложенной конструкции акселерометра могут быть использованы различные виды термодеформирующихся подставок (фиг. 2 и 3), но в любом случае подставка должна быть отделена от какой-либо из поверхностей инерционной массы зазором, величина которого при увеличении температуры уменьшается за счет деформации подставки.

Конструкция, представленная на фиг. 1, обеспечивает высокую воспроизводимость характеристик акселерометра, однако, ее реализация связана с заметным увеличением его высоты. В случае, когда важна миниатюризация акселерометра, некоторое предпочтение имеет конструкция, изображенная на фиг. 2, которая позволяет получить требуемую величину Δδ_T при существенно меньшей высоте подставки, роль которой выполняет изогнутая пластина 7 с закрепленными на корпусе концами, выполненная из материала с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала корпуса. Дополнительным достоинством такой конструкции является более четкая компенсация температурного изменения показателя демпфирования при отрицательных температурах, при которых коэффициент K₁ значительно возрастает.

В конструкции, представленной на фиг. 3, реализована возможность использования в качестве термодеформирующейся подставки биметаллической стойки 8, а также возможность формирования термосужающегося зазора между подставкой и боковой поверхностью инерционной массы.

Вариант конструкции предложенного акселерометра, в котором жидкость удерживается в зазоре силами поверхностного натяжения, и при этом площадь рабочей части зазора, перекрываемая жидкостью, изменяется при изменении температуры, обеспечивает упрощение технологии изготовления акселерометра и уменьшение его массы по сравнению с акселерометрами, в которых жидкость заполняет не только зазор, но и весь внутренний объем корпуса. Изменение площади рабочей части зазора при изменении температуры усиливает эффект температурной компенсации демпфирования.

Использование: в контрольно-измерительной технике, в акселерометрах с жидкостным демпфированием. Сущность изобретения: акселерометр содержит корпус, упругий чувствительный элемент, инерционную массу, при этом корпус снабжен компенсирующим элементом, образующим терморегулируемый зазор между сопряженными поверхностями компенсирующего элемента и инерционной массой, заполненный демпфирующей жидкостью, удерживаемой в нем силами поверхностного натяжения. Компенсирующий элемент выполнен в виде монолитной подставки или в виде изогнутой пластины с закрепленными на корпусе концами из материала с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала корпуса, и установлен под инерционной массой. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Акселерометр, содержащий корпус, упругий чувствительный элемент, инерционную массу и демпфирующую жидкость, отличающийся тем, что корпус снабжен компенсирующим элементом, образующим между сопряженными поверхностями компенсирующего элемента и инерционной массой терморегулируемый зазор, в котором размещена демпфирующая жидкость. 2. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что компенсирующий элемент выполнен в виде монолитной подставки из материала с большим температурным коэффициентом линейного расширения, чем у материала корпуса. 3. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что компенсирующий элемент выполнен в виде изогнутой пластины с закрепленными на корпусе концами из материала с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала корпуса, и установлен под инерционной массой. 4. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что компенсирующий элемент выполнен в виде биметаллической стойки, образующей зазор с боковой поверхностью инерционной массы.