ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ВИБРИРУЮЩЕЙ ПЛАСТИНКОЙ Российский патент 2006 года по МПК G01L9/00 

Изобретение касается усовершенствования преобразователей с вибрирующими элементами и может быть использовано в измерительной технике при измерении силы, давления, ускорения и т.п.

Одной из основных задач при проектировании преобразователей с вибрирующими элементами является достижение максимальной добротности резонатора. Чем выше добротность резонатора, тем более точно определение резонансной частоты колебаний и, как следствие, уменьшение погрешности измерения воздействующего параметра. Увеличение добротности резонатора достигается, как минимум, двумя способами: применением материалов с низким коэффициентом внутреннего трения и обладающего высокими механическими характеристиками (такими являются, например, монокристаллический кремний, кварц и др.); применением конструктивных решений, направленных на минимизацию потерь механической энергии в местах крепления резонатора, что также уменьшает влияние других возмущающих факторов (например, температуры).

Отличающей особенностью таких преобразователей является зависимость резонансной частоты колебаний вибрирующего элемента от нагрузки, приложенной по краям. Однако технологические трудности изготовления преобразователей не позволяют обеспечить граничные условия по краям резонатора определенными и постоянными.

В качестве прототипа выбран французский патент №2563626, кл. G 01 L 1/10, H 04 R 9/00 от 28.11.1980 г. (см. фиг.1). Данный преобразователь состоит из вибрирующей пластинки 10, совершающей изгибные колебания в направлении, перпендикулярном плоскости вибрирующей пластинки 10, дополнительных пластин 21-24 и 22-23, соединенных с концами вибрирующей пластинки 10, и гибких связей 31, 32, 33, 34, изготовленных из одной пластины материала и соединяющих эти дополнительные пластины 21-24 и 22-23 с заделкой 18, 19. Направление, вдоль которого ориентирована вибрирующая пластинка 10, совпадает с направлением гибких связей 31, 32, 33, 34. Гибкие связи 31, 32, 33, 34 соединены с дополнительными пластинами 21-24 и 22-23 на узловых линиях колебаний последних. При действии силы f на опоры 18, 19 происходит натяжение вибрирующей пластинки 10, что приводит к изменению резонансной частоты колебаний последней. Указанный преобразователь содержит систему поддержания колебаний вибрирующей пластинки 10, состоящую из электрода регистрации колебаний, образующего конденсатор с вибрирующей пластинкой и находящегося под постоянным напряжением, и электрода возбуждения, образующего конденсатор с вибрирующей пластинкой 10 и оказывающего на нее электростатическое действие. Система поддержания колебаний построена по принципу автоколебаний, где частотный сигнал с электрода регистрации после усиления и сдвига по фазе (зависящей от положения электродов относительно друг друга) поступает на электрод возбуждения, таким образом, в схеме формируется частота колебаний, близкая к резонансной частоте колебательной системы, зависящей от приложенной силы f к опорам. При работе преобразователя в режиме автоколебаний система поддержания колебаний включает в себя приемник сигналов резонансного контура, усилитель, обратный преобразователь, сигнал с последнего подается на резонатор, при этом реализуется положительная обратная связь. При этом резонатор практически возбуждается на собственной частоте (или на одной из собственных частот, если резонатор является системой со многими степенями свободы или распределенной системой), которая зависит от измеряемой величины, см., например, Боднер В.А. Приборы первичной информации: Учебник для авиационных вузов. - М.: Машиностроение, 1981.

Недостатком преобразователя-прототипа является то, что продольные оси гибких связей 31, 32, 33, 34 не совпадают с продольной осью вибрирующей пластинки 10, а это приводит к тому, что при приложении силы f на границах возникает дополнительный изгибающий момент М_изг и, как следствие, происходит смещение продольной оси гибких связей 31, 32, 33, 34 относительно узловой линии колебаний дополнительных пластин 21-24 и 22-23. Этот факт отрицательно сказывается на коэффициенте добротности такого резонатора, а также на стабильности колебаний. Кроме того, поскольку прикладываемая сила f передается на вибрирующую пластинку 10 неполностью, то девиация частоты колебаний вибрирующей пластинки 10 (т.е. чувствительность резонатора к измеряемому параметру) будет ниже, нежели в случае отсутствия дополнительных изгибающих моментов М_изг.

Другой недостаток указанного преобразователя касается электродов системы поддержания колебаний: электроды возбуждения и регистрации колебаний расположены достаточно близко друг от друга и при изготовлении такого рода преобразователя необходимо точное позиционирование указанных выше электродов относительно вибрирующей пластинки, а также это ведет к увеличению габаритов вибрирующей пластинки. Кроме того, при неправильном позиционировании электродов возможен случай возбуждения колебаний на более высоких (либо наоборот, на более низких) гармониках либо вообще отсутствия колебаний резонатора.

Применение сплава алюминия при изготовлении опытного образца привело к тому, что в силу большого коэффициента внутреннего трения поликристаллических материалов коэффициент добротности был занижен.

Использование в рассматриваемом преобразователе «изоляции» резонатора от места крепления позволяет значительно уменьшить потери энергии колебаний, а также уменьшить влияние внешних факторов (таких, как температура, вибрация и др.) на колебания резонатора и его резонансную частоту. С другой стороны, применение «изоляции» резонатора от заделки уменьшает чувствительность резонатора не только к внешним воздействующим факторам, но и к измеряемому параметру, т.е. уменьшая погрешность от воздействующих факторов, увеличиваем погрешность измерения основного параметра (уменьшается отношение девиации частоты к изменению измеряемого параметра).

Сущность изобретения состоит в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка конструкции преобразователя с вибрирующей пластиной, которая позволила бы увеличить коэффициент добротности резонатора и чувствительность преобразователя в целом, а также повысить стабильность колебаний резонатора.

Технический результат заключается в увеличении коэффициента добротности резонатора, чувствительности преобразователя, повышении стабильности колебаний.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном преобразователе с вибрирующей пластинкой, включающем вибрирующую пластинку, совершающей изгибные колебания в направлении, перпендикулярном своей плоскости, дополнительные пластины, соединенные с концами вибрирующей пластинки, и гибкие связи, изготовленных из одной пластины материала и соединяющие указанные дополнительные пластины с заделкой, исключаются дополнительные изгибные моменты, для чего продольная ось гибких связей совмещается с продольной осью вибрирующей пластинки, для увеличения амплитуды колебаний увеличено количество дополнительных пластин, а максимальная чувствительность достигается выбором соотношения длины гибких связей и длины вибрирующей пластинки.

На фиг.2 представлен в плане предлагаемый преобразователь, который содержит гибкие связи 1, 10, соединяющие дополнительные пластины 2-3, 4-6, 7-8 и 9-11 с местом закрепления резонатора «заделкой» 14, в центральной части находится вибрирующая пластинка 5, элементы 12 и 13 являются технологическими элементами. Резонатор представляет собой совокупность следующих элементов: гибкие связи 1, 10, дополнительные пластины 2-3, 4-6, 7-8, 9-11, вибрирующая пластинка 5. Предложенный резонатор в плоскости имеет одну толщину. На фиг.3 схематично изображено расположение электрода возбуждения 16 и электродов регистрации 15 над преобразователем. На фиг.4 приведена зависимость относительной девиации частоты от соотношения длин гибких связей и длины вибрирующей пластинки при различном соотношении их ширины.

С целью исключения дополнительных изгибных моментов М_изг, возникающих при приложении силы f к местам крепления резонатора, в предлагаемом преобразователе, фиг.2, продольная ось гибких связей 1, 10 совмещена с продольной осью вибрирующей пластинки 5, при этом вместо двух гибких связей с каждой стороны резонатора используется только одна, по ширине равная ширине вибрирующей пластинки. Таким образом, отсутствуют дополнительные изгибные моменты, возникающие при приложении силы f к местам крепления 14 резонатора, и, как следствие, коэффициент добротности не уменьшается при увеличении силы f. Кроме того, с целью увеличения амплитуды колебаний предложенная конструкция резонатора представляет собой «сдвоенный» (более вытянутый) резонатор прототипа (фиг.2), количество дополнительных пластинок увеличено до четырех: 2-3, 4-6, 7-8 и 9-11.

По результатам математического моделирования определено, что резонатор с четырьмя дополнительными пластинами имеет большое преимущество перед резонатором с двумя дополнительными пластинами: при одном и том же напряжении возбуждения 20 В при прочих равных условиях (площадь электродов, расстояние между электродами и т.д.) амплитуда колебаний резонатора с четырьмя дополнительными пластинами больше приблизительно на 35%, чем амплитуда колебаний резонатора с двумя дополнительными пластинами, механические напряжения в резонаторе с четырьмя дополнительными пластинами больше на 15% механических напряжений, возникающих при колебаниях в резонаторе с двумя дополнительными пластинами; при этом для получения амплитуды колебаний резонатора с двумя дополнительными пластинами, сравнимой с амплитудой колебаний резонатора с четырьмя дополнительными пластинами, сила электростатического взаимодействия (возбуждения) должна быть увеличена почти в полтора раза, а механические напряжения в резонаторе возрастают почти на 80% относительно случая с напряжением возбуждения 20 В, что превышает механические напряжения в резонаторе с четырьмя дополнительными пластинами на 66% при напряжении возбуждения 20 В. Таким образом, использование резонатора с четырьмя дополнительными пластинами дает возможность уменьшить мощность, необходимую для поддержания колебаний и создания амплитуды колебаний резонатора, достаточной для регистрации, кроме того, при меньших механических напряжениях в конструкции обеспечивается более стабильная характеристика преобразователя.

В связи с тем, что конструкция хрупкая, в процессе изготовления возможен большой брак, поэтому вводятся дополнительные технологические элементы: элемент 12 представляет собой технологическую рамку, элемент 13 является также технологическим элементом (связью) для обеспечения жесткости резонатора в процессе изготовления; элементы 12 и 13 удаляются после соединения, например, с помощью электростатического метода, резонатора с опорами 14.

Материалом для изготовления выступает монокристаллический кремний, обладающий высокими механическими характеристиками, а также имеющий низкий коэффициент внутреннего трения, что позволяет добиться высокого коэффициента добротности рассматриваемой колебательной системы.

Таким образом, исключаются указанные ранее недостатки прототипа.

Электрод возбуждения 16 (фиг.3) располагается над вибрирующей пластинкой 5, занимая при этом большую часть и частично захватывая дополнительные пластины 4-6 и 7-8, погрешность позиционирования в этом случае практически не сказывается на стабильности колебаний резонатора, при этом площадь электрода значительно больше, и для возбуждения колебаний (и для их поддержания) используется не только вибрирующая пластинка 5, но и дополнительные пластины 4-6 и 7-8. Электроды регистрации 15 располагаются над дополнительными пластинами 2-3 и 9-11.

Кроме этого способа поддержания колебаний можно использовать другие известные способы определения колебаний резонатора и их поддержания:

1. При изготовлении резонатора из материала, обладающего тензоэффектом (например, из монокристалла кремния), элементом регистрации является сам резонатор, при этом работа преобразователя происходит следующим образом: через резонатор пропускают постоянный ток, а между резонатором и электродом возбуждения прикладывают электрическое напряжение с частотой, равной резонансной частоте колебаний; под действием сил электрического поля в резонансе возникают механические колебания, которые вызывают его деформацию, а вследствие тензоэффекта через резонатор будет протекать пульсирующий ток, частота которого зависит от механических напряжений в резонансе и отражает величину воздействующей силы f.

2. Независимо от материала, из которого изготовлен резонатор, путем нанесения элемента, обладающего тензоэффектом, на резонатор в продольном направлении последнего формируется регистрирующий элемент, а работа преобразователя аналогична п.1.

Работа резонатора происходит на основной (первой) гармонике, форма колебаний резонатора представляет собой полуволну синуса, где нулевые перемещения соответствуют заделке резонатора. Использование колебаний резонатора на основной гармонике дает возможность получения максимальной добротности, а значит, уменьшение погрешности определения резонансной частоты резонатора.

При математическом моделировании прототипа получена девиация частоты 0.26 кГц при приложении максимально допустимой нагрузки, начальная частота колебаний резонатора равна 21.6 кГц (указанная в патенте частота собственных колебаний резонатора прототипа равна 24 кГц). Проведенное математическое моделирование предлагаемой конструкции преобразователя показало увеличение собственной частоты колебаний при уменьшении длины гибких связей, что объясняется увеличением жесткости резонатора, кроме того, отмечено, что девиация частоты увеличивается до некоторого предела, потом уменьшается (см. таблицу). На фиг.4, поз.2 приведена зависимость изменения относительной девиации частоты (отношение текущей девиации частоты к максимальной) от отношения длины гибкой связи к длине вибрирующей пластинки x/L. Поскольку рабочими элементами, в значительной степени влияющими на девиацию частоты, являются гибкие связи 1, 10 и вибрирующая пластинка 5, то при возникновении неравномерности распределения нагрузок в этих элементах это приводит к уменьшению девиации частоты.

Таким образом, максимальной чувствительностью (отношение девиации частоты к изменению измеряемого параметра) обладает резонатор (фиг.2) с соотношением длины гибкой связи к длине вибрирующей пластинки x/L в диапазоне от 0.5 до 0.7 при ширине гибких связей 1,10, равной ширине вибрирующей пластинки 5 (см. фиг.4, поз.2 (по оси ординат указано отношение девиации частоты резонатора к максимальной девиации частоты)).

Для предлагаемой конструкции преобразователя с соотношением длины гибких связей 1, 10 к длине вибрирующей пластинки 5 x/L, равным 0.6, получена девиация частоты 9.3 кГц, при приложении максимально допустимой нагрузки, начальная частота собственных колебаний составила 23.7 кГц.

ТаблицаОтношение длины гибкой связи к длине вибрирующей пластинки x/LНачальная частотаДевиация частоты115.5 кГц8.8 кГц0.917.1 кГц8.9 кГц0.819.0 кГц9.0 кГц0.721.1 кГц9.1 кГц0.623.7 кГц9.3 кГц0.526.8 кГц9.3 кГц0.430.6 кГц9.2 кГц0.335.4 кГц8.8 кГц0.242.2 кГц8.1 кГц0.153.4 кГц6.9 кГц

В процессе изготовления преобразователя возможны случаи изменения ширины как гибких связей, так и вибрирующей пластинки. Проведенное дополнительное математическое исследование резонаторов (первый вариант, когда ширина гибких связей в два раза больше ширины вибрирующей пластинки; другой вариант, когда ширина вибрирующей пластинки в два раза больше ширины гибких связей) показало, что оптимальное соотношение длины гибких связей 1, 10 к длине вибрирующей пластинки 5 x/L практически не изменяется, фиг.4: поз.1 соответствует случаю, когда ширина гибкой связи равна удвоенной ширине пластинки; поз.2 - ширина гибкой связи равна ширине вибрирующей пластинки; поз.3 - ширина вибрирующей пластинки равна удвоенной ширине гибких связей.

Предложенный преобразователь (фиг.2) предназначен для работы в вакууме, в противном случае коэффициент добротности уменьшится вследствие появления потерь на трение. Одним из методов уменьшения потерь на вязкое трение и акустические эффекты является способ изготовления резонатора с различными видами вырезов, аналогично приведенному в патенте WO 90/12298, кл. G 01 L 9/00, 11/00 от 18.10.1990 г.

Использование: в измерительной технике при измерении силы, давления, ускорения и т.п. Сущность: преобразователь с вибрирующей пластинкой, колебания которой происходят при помощи системы поддержания колебаний, включающей в себя электрод регистрации и электрод возбуждения, образующие емкости с вибрирующей пластинкой. Указанная вибрирующая пластинка изготовлена из монокристаллического кремния заодно с четырьмя дополнительными пластинами, которые обеспечивают требуемую для регистрации колебаний амплитуду и соединены посредством гибких связей с заделкой. Вибрирующая пластинка, дополнительные пластины и гибкие связи предназначены для изгибных колебаний в направлении, перпендикулярном плоскости вибрирующей пластинки. Продольная ось гибких связей совпадает с продольной осью вибрирующей пластинки. Для получения максимальной чувствительности длина гибких связей выбирается из условия 0.5÷0.7 от длины вибрирующей пластинки при ширине гибких связей, равной ширине вибрирующей пластинки. Технический результат изобретения заключается в увеличении чувствительности преобразователя и повышении стабильности колебаний. 4 ил., 1 табл.

Преобразователь с вибрирующей пластинкой, которая изготовлена из монокристаллического кремния заодно с дополнительными пластинами, последние закреплены через гибкие связи к заделке, предназначены для изгибных колебаний в направлении, перпендикулярном своей плоскости при помощи системы поддержания колебаний, включающей в себя электрод регистрации, образующий емкость с вибрирующей пластинкой, и электрод возбуждения, образующий емкость с вибрирующей пластинкой, отличающийся тем, что вибрирующая пластинка соединена с четырьмя дополнительными пластинами, обеспечивающими требуемую амплитуду колебаний, которые соединены посредством гибких связей с заделкой, при этом продольная ось гибких связей совпадает с продольной осью вибрирующей пластинки, длина гибких связей выбирается из условия 0,5÷0,7 длины вибрирующей пластинки при ширине гибких связей, равной ширине вибрирующей пластинки.