Датчик механических величин Российский патент 2023 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для преобразования динамических механических величин, в том числе, вибрационного и ударного ускорения, сотрясений, смещений, в электрический сигнал и может быть использовано в различных отраслях, в частности в строительной, сейсмических измерениях, экспериментальных исследованиях.

Известен датчик механических величин, состоящий из чувствительного элемента консольного типа, пьезоэлемента и инерционного элемента, основанный на преобразовании растяжения/сжатия пьезоэлемента, приклеенного к упругому элементу, возникающие при деформации последнего, в электрический сигнал [1, С. 49, рис. 3.4, б].

Недостатками такого датчика являются:

а) хрупкость пьезоэлемента и зависимость его характеристик от внешних условий и условий эксплуатации;

б) клеевой слой является промежуточным элементом в передаче деформации, имеет невысокую прочность и надежность, а также отрицательно влияет на временную и температурную стабильность метрологических характеристик;

в) высокоомное выходное сопротивление, создающее трудности в регистрации измерений величине и помехоустойчивости.

Подобных недостатков лишены датчики механических величин, также работающие в «генераторном режиме» [2-5].

Известен датчик механических величин [6, патент РФ: RU №2725203 С1], принятый за прототип, состоящий из чувствительного элемента консольного типа в виде Г-образной опоры, выполненной из электроизоляционного материала, в вертикальную стенку которой жестко заделана с одного конца упругая горизонтально расположенная пластина с инерционным элементом на другом конце, а обе поверхности пластины, примыкающие к месту защемления, находятся в контакте с электролитом двух электрохимических ячеек, каждая из которых выполнена в виде полой четверть сферы из эластичного электроизоляционного материала, одна плоскость корпуса которой приклеена к поверхности пластины, а другая к вертикальной стенке опоры, токосъемные противоэлектроды ячеек выполнены из металла пластины, герметично установлены в вертикальной стенке, а их свободные поверхности находятся в контакте с электролитом ячеек.

Недостатками такого датчика являются:

а) затруднение достижения миниатюризации датчика, вызванное необходимостью иметь большую ширину упругой пластины, к которой крепятся корпуса электрохимических ячеек;

б) снижение надежности работы датчика, вызванное увеличением риска утечки электролита из двух электрохимических ячеек в связи со сложной конфигурацией приклеенных корпусов и возможностью их внешнего механического повреждения;

в) снижение достоверности измерений, вызванное возможным отличием электрохимических процессов на деформируемых поверхностях электродов и поверхностях токосъемных электродов электрохимических ячеек.

Изобретение направлено на миниатюризацию датчика, при этом достигается технический результат, заключающийся в повышении надежности работы и достоверности измерений.

Технический результат достигается датчиком механических величин, состоящим из чувствительного элемента консольного типа в виде Г-образной опоры, выполненной из электроизоляционного материала, в вертикальную стенку которой жестко заделана с одного конца упругая горизонтально расположенная пластина с инерционным элементом на другом конце, каждая из металлических поверхностей пластины, примыкающая к месту защемления, находится в контакте с электролитом электрохимической ячейки, при этом в вертикальной стенке опоры имеется горизонтальное глухое отверстие в форме прямого цилиндра, образующего вид стакана, в его толстое дно жестко заделана упругая трехслойная пластина, средний слой которой состоит из электроизоляционного материала и герметично скреплен с двумя металлическими слоями; к внешнему краю стакана по контуру и части пластины приклеена разделительная мембрана из упругого электроизоляционного материала и прикреплена защитная крышка; стакан полностью заполнен электролитом, образуя с двумя металлическими слоями пластины общую электрохимическую ячейку.

На фиг. 1 показан общий вид датчика. Датчик механических величин состоит из чувствительного элемента консольного типа в виде Г-образной опоры 1, упругой пластины 2, инерционного элемента 3, электролита 4, разделительной мембраны 5 и защитной крышки 6. Опора 1 выполнена из электроизоляционного материала, упругая пластина 2 состоит из герметично скрепленных между собой трех слоев материалов: средний 2^б слой из электроизоляционного, 2^a, 2^в - металлических; инерционный элемент 3 закреплен на свободном конце пластины 2, а другой конец жестко заделан в толстое дно стакана, образованного при сверлении глухого отверстия в вертикальной стенке Г-образной опоры 1, стакан полностью заполнен электролитом 4, к его внешнему краю по контуру и части пластины 2 приклеена разделительная мембрана 5 из упругого электроизоляционного материала и прикреплена защитная крышка 6. Токосъемный узел и схема крепления инерционного элемента 3 на пластине 2 на фиг. 1 не показан.

Датчик работает следующим образом. При воздействии на него вибрации, сейсмических колебаний, сотрясений и пр. они воспринимаются упругой пластиной 2 с инерционным элементом 3, при этом верхняя и нижняя металлические поверхности упругой пластины 2 попеременно растягиваются и сжимаются.

Зоны механических напряжений, возникающие при изгибах пластины 2 и находящиеся в контакте с электролитом 4, образуют деформируемые электроды общей электрохимической ячейки.

Известно, [7, С. 33] что, если при деформации электрода, находящегося в контакте с электролитом, изменяется его площадь, то возникает «эффект упругого заряжения». При этом, если заряд электрода поддерживается постоянным, например, путем введения демпфирующего сопротивления в цепь электрода, то меняется потенциал самого электрода.

В таком датчике изменение площади переменно деформируемых электродов близки по величине, но противоположны по знаку за период колебаний пластины 2, поэтому потенциал каждого электрода 2^а, 2^в будет периодически то увеличиваться, то уменьшаться.

Предлагаемая конструкция позволяет решать проблему миниатюризации датчика за счет уменьшения ширины упругой пластины 2 и замены двух выносных электрохимических ячеек на одну общую, при этом достигается заявленный технический результат, заключающийся в повышении надежности работы за счет расположения общей электрохимической ячейки непосредственно внутри вертикальной стенки опоры 1, а также снижения риска утечки электролита 4 за счет увеличения площади клеевого слоя, наносимого на склеиваемые поверхности и применения защитной крышки 6 для предотвращения механического повреждения разделительной мембраны 5. Технический результат, заключающийся в повышении достоверности измерений, обеспечивается за счет снижения количества электродов и совмещения электродами 2^а и 2^вфункций преобразования деформации в электрический сигнал и передачи его в измерительную цепь.

Литература

1. Янчич В.В. Пьезоэлектрические датчики вибрационного и ударного ускорения. Учеб. пособие. Ростов-на-Дону, 2008. - 77 с.

2. Электромеханическое устройство для измерения механических величин; А.с. СССР №184276 А1; заявл. 04.05.1987; опубл. 04.12.2018; Бюл. №34.

3. Месдоза для измерения напряжения в грунтах. Патент РФ: RU №2657550 С1 заявл. 31.07.2017; опубл. 14.06.2018 Бюл. №17.

4. Автономный датчик давления. Патент РФ: RU №2788310 С1, заявл. 12.04.2022; опубл. 17.01.2023 Бюл. №2.

5. Преобразователь давления. Патент РФ: RU №2786382 С1; заявл. 14.12.2021; опубл. 20.12.2022 Бюл. №35.

6. Датчик механических величин. Патент RU №2725203 С1. Заявл. 30.07.2018; опубл. 30.06.2020, Бюл. №19.

7. Гохштейн А.Я. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция / Под ред. А.Н. Фрумкина. - М.: Наука, 1976. - 400 с.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения заключается в том, что в вертикальной стенке опоры датчика механических величин имеется горизонтальное глухое отверстие в форме прямого цилиндра, образующего вид стакана, в его толстое дно жестко заделана упругая трехслойная пластина, средний слой которой состоит из электроизоляционного материала и герметично скреплен с двумя металлическими слоями; к внешнему краю стакана по контуру и части пластины приклеена разделительная мембрана из упругого электроизоляционного материала и прикреплена защитная крышка, стакан полностью заполнен электролитом, образуя с двумя металлическими слоями пластины общую электрохимическую ячейку. Технический результат – повышение надежности работы и достоверности измерений устройства. 1 ил.

Датчик механических величин, состоящий из чувствительного элемента консольного типа в виде Г-образной опоры, выполненной из электроизоляционного материала, в вертикальную стенку которой жестко заделана с одного конца упругая горизонтально расположенная пластина с инерционным элементом на другом конце, каждая из металлических поверхностей пластины, примыкающая к месту защемления, находится в контакте с электролитом электрохимической ячейки, отличающийся тем, что в вертикальной стенке опоры имеется горизонтальное глухое отверстие в форме прямого цилиндра, образующего вид стакана, в его толстое дно жестко заделана упругая трехслойная пластина, средний слой которой состоит из электроизоляционного материала и герметично скреплен с двумя металлическими слоями; к внешнему краю стакана по контуру и части пластины приклеена разделительная мембрана из упругого электроизоляционного материала и прикреплена защитная крышка, стакан полностью заполнен электролитом, образуя с двумя металлическими слоями пластины общую электрохимическую ячейку.