АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2024 года по МПК G01P15/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения небольших статических и медленно меняющихся во времени линейных ускорений -α.

Известен акселерометр (Ак), в котором сила F возникает при воздействии α на инерционную массу (ИМ), расположенную на свободном конце балки [1]. Здесь балка - упругий элемент (УЭ), на который с двух сторон у заделки наклеены по два фольговых TP, образующих мостовую схему, которая выполняет роль чувствительного элемента (ЧЭ). Такие Ак просты в изготовлении, но малоэффективны, так как в них УЭ воспринимают большую часть упругой энергии, а меньшая часть приходится на мост ТР.

Более эффективны Ак с не наклеенными TP, так как в них свободно подвешенная и закрепленная по концам на колках (штырьки из рубина) тензорезисторная проволочная нить, сформированная по мостовой схеме не шунтируется УЭ, что значительно повышает точность и эффективность Ак в обеспечении более высокого значения коэффициента передачи [2]. Однако, такие Ак менее надежны, более сложны в изготовлении и настройке, так как требуется создавать предварительный одинаковый натяг всех нитей моста, чтобы исключить провисание в ненагруженном состоянии и при их сжатии при воздействии F. Более того, для них требуется подвижный стержень-толкатель с ИМ или две упругие опоры с ИМ, закрепленной между ними, и дополнительно колки на опорах, а также две шунтирующая пружины для снижения усилий, действующих на проволоки, и стопорный штифт для ограничения перемещений ИМ.

Целями изобретения является устранение указанных недостатков и создание технологичных, легких и простых в изготовлении, точных, надежных и недорогих Ак без пружин, колок и дополнительных подвижных элементов.

Поставленные цели достигаются тем, что основание акселерометра выполнено в форме параллелепипеда, состоящего из двух площадок: нижней, площадью LxB мм², и верхней, симметричной осям O-O' и С-С', площадью L’xB’ мм², при этом общая толщина площадок составляет Н мм и верхней – h мм; на верхней площадке симметрично и вдоль ее поперечной оси O-O' закреплен упор №1 площадью ВхА мм², где В – его длина, А – ширина, а в центре верхней части корпуса, параллельно одной из коротких сторон закреплен упор №2 такой же площади; монолитный мост TP, площадью l’xb’ мм², где l’ – его длина, b’ – ширина, двумя участками тыльной стороной подложки, площадью BxA мм² каждый, закреплен на верхней площадке основания, вдоль ее коротких сторон; ИМ площадью основания b⋅мм², симметрично оси O-O' закреплена на двух рядах близко расположенных петель нитей четырех TP, при этом нити TP, с участком подложки, на котором они закреплены, выполняют функции упругого и чувствительного элементов одновременно. А также тем, что мост TP из фольги выполнен монолитным в новой топологии: пары TP, воспринимающие деформации одной величины и разных знаков, расположены симметрично с двух сторон оси О-О'; четыре контактные площадки моста TP, для припайки выводных проводников, расположены у одной из коротких сторон подложки; нити TP выполнены короткими, а петли нитей и контактные площадки - удлиненными. И тем, что упоры №1 и №2 формируют путем наклейки двух твердых, калиброванных по толщине, клеевых пленок, по площади равных площади основания ИМ, а крепление тыльной стороной двух участков подложки к основанию и крепление ИМ к петлям нитей четырех TP производят аналогично с использованием таких же клеевых пленок той же толщины и площади. А также тем, что в качестве демпфирующей среды для ИМ используется более вязкий силиконовый гель.

На Фиг.1 показан вид спереди на предлагаемый Ак с разрезом по Д-Д, где виден параллелепипед высотой Н с верхней площадкой высотой h, и нижней – высотой Н-h.

На Фиг.2 – вид на Ак сверху; корпус и ИМ не показаны, чтобы открыть топологию монолитного моста фольговых ТР площадью l’xb’ мм², где l’ – его длина, b’ – ширина.

На Фиг.3 – вид на Ак с правой стороны с разрезом по Г-Г.

На Фиг.4 – электрическая схема Ак; для указанного на Фиг.1 направления действия силы F и ускорения a, тензорезисторы R₁ и R₃ воспринимают деформацию сжатия, а R₂ и R₄ – растяжения.

Обозначения, принятые на фигурах:

1а - основание в форме параллелепипеда с двумя площадками, нижняя площадка высотой Н- h, площадью 45⋅35 мм²; 16 - верхняя площадка основания высотой h, площадью 35⋅31 мм²; 2 - корпус; 3 - монолитный мост фольговых TP площадью 33⋅29 мм²; 4 - подложка моста TP площадью 34⋅30 мм²; 5 - инерционная масса «т» площадью основания 30⋅10 мм²;6 - силиконовый гель; 7 - твердая, калиброванная, клеевая пленка из клея БФР-2к, толщиной 20 мкм и площадью 30*10 мм; 8 - четыре отверстия для крепежа Ак к исследуемому объекту; 9 - исследуемый объект; 10 - петли нитей TP длиной - 4…5 мм; 11 - нити TP длиной -1…2 мм; 12 - контактные площадки для измерения и корректировки величин сопротивлений TP, площадью 4⋅2 мм²; 13-контактные площадки для припайки выводов к узловым точкам моста площадью 4⋅2 мм²; F=m⋅α - сила, возникающая при воздействии ускорения α на инерционную массу «m» весом 40 г; L-длина 45 мм, В – ширина 35 мм и Н – общая толщина основания 10 мм; L’ – длина 35 мм, В’ – ширина 31 мм и h – толщина верхней площадки; l – длина 34 мм и b – ширина 30 мм подложки; (1-3) - клеммы питания моста; (2-4) – клеммы измерения выходного сигнала; X, Y, Z – возможные направления ускорений; Х – измерительная ось Ак, наносится с двух сторон основания в виде стрелок (на Фиг не показаны), должна совпадать с направлением измеряемого ускорения a.

Работа Ак сводится к следующему: при воздействии на ИМ ускорения a возникает сила F, которая два ТР растягивает, например, R₂ и R₄ , а два других ТР - R₁ и R₃ - сжимает. При питании моста постоянным напряжением (клеммы 1-3), на его диагонали (клеммы 2-4) формируется выходной сигнал, пропорциональный силе F (ускорению a).

Предлагаемый датчик ускорений имеет следующие преимущества перед известными:

1. С помощью двух упоров Ак защищен от воздействия паразитных сил (ускорений), действующих по оси Z. Он также практически нечувствителен к не измеряемым ускорениям, действующим по оси Y, из-за взаимной компенсации положительных и отрицательных приращений сопротивлений, возникающих в каждом из четырех ТР. Конструкция технологична, проста в изготовлении и надежна, а ее реализации не требует больших материальных затрат.

2. Исполнение моста TP в новой топологии, за счет монолитности изготовления, позволяет повысить надежность измерений; использование коротких нитей на коротких участках подложки, где нити закреплены, позволяет повысить их продольную устойчивость при сжатии, а увеличение длины петель и длины контактных площадок позволяет увеличить площадь наклейки и прочность закрепления ИМ на фронтальной стороне моста и двух участков тыльной стороны подложки к основанию.

3. Использование твердых, калиброванных, клеевых пленок толщиной 20 мкм позволяет упростить и повысить воспроизводимость по точности и качеству наклейки и, следовательно, повысить точность измерений.

4.Вязкость силиконового геля выше, чем у поликсилоксановой и силиконовой жидкости, что позволяет расширить частотный диапазон измеряемых ускорений за счет большей степени демпфирования ИМ.

Источники информации, принятые автором при экспертизе:

1. Тензометрия в машиностроении, под ред. Р.А. Макарова, М, изд. «Машиностроение», 1975 г., стр. 153, рис. 82(а, 6, в).

2. Измерительные преобразователи неэлектрических величин, Г.П. Нуберт, «Энергия», Ленин, отделение, 1970 г., стр. 148, рис. 4-57(а, б).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания датчиков ускорения. Предлагаемый акселерометр состоит из металлического основания, корпуса, монолитного моста фольговых тензорезисторов (TP), инерционной массы (ИМ) и демпфирующей среды. Мост TP с тыльной стороны закреплен на основании, а ИМ закреплена на двух рядах петель нитей ТР. Для продольной устойчивости нити TP выполнены короткими, а петли нитей удлинены. Датчик снабжен двумя упорами: один на основании, второй - по центру корпуса. В конструкции устройства применяются калиброванные клеевые одинаковые по площади и толщине пленки; при этом в качестве демпфирующей среды используется силиконовый гель. Технический результат заявленного изобретения заключается в создании надёжного акселерометра с высокой точностью. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Акселерометр, содержащий металлическое основание, корпус, мост фольговых тензорезисторов (TP) на подложке, инерционную массу (ИМ) и демпфирующую среду, отличающийся тем, что основание выполнено в форме параллелепипеда, состоящего из двух площадок: нижней и верхней, расположенных симметрично поперечной и продольной осям; при этом на верхней площадке симметрично и вдоль ее поперечной оси закреплен первый упор, а в центре верхней части корпуса, параллельно одной из коротких сторон площадки, закреплен второй упор; при этом монолитный мост TP двумя, равными по площади, участками тыльной стороной подложки симметрично поперечной оси закреплен на верхней площадке основания вдоль ее коротких сторон; при этом ИМ площадью основания симметрично поперечной оси закреплена на двух рядах петель нитей четырех TP; при этом нити TP с участком подложки, на котором они закреплены, выполняют функцию и упругого, и чувствительного элемента.

2. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что мост TP из фольги выполнен монолитным следующим образом: пары TP, воспринимающие деформации одной величины и разных знаков, расположены с двух сторон симметрично поперечной оси; четыре контактные площадки моста TP для припайки выводных проводников расположены у одной из коротких сторон подложки; нити TP выполнены короткими, петли нитей и две контактные площадки выполнены удлинёнными.

3. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй упоры формируют путем наклейки двух твердых калиброванных по толщине клеевых пленок, по площади равных площади основания ИМ, а крепление тыльной стороной двух участков подложки к основанию и крепление ИМ к петлям нитей четырех TP также производят с использованием аналогичных клеевых пленок такой же толщины и площади.

4. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве демпфирующей среды для ИМ используется силиконовый гель.