Результат интеллектуальной деятельности: Датчик механических величин

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

Известен датчик механических величин с балочным консольно закрепленным изгибным упругим элементом и тензорезисторными преобразователями его деформации в электрический сигнал [http://tokves.ru/datchiki-balochnyie.html?yclid=1736387897797397239].

Недостатками такого датчика являются:

а) необходимость источника питания мостовой схемы, что увеличивает энергопотребление;

б) возможна неполная передача деформации от упругого элемента к тензорезистору через клеевой слой, свойства которого зависят от внешних условий (температуры, влажности), старения, характера измеряемых нагрузок.

Известен датчик механических величин [В.В. Янчич. Пьезоэлектрические датчики вибрационного и ударного ускорения. Учеб. Пособие. Ростов-на-Дону, 2008, С.49, рис. 3.4 б; http://diss.seluk.ru/m-elektrotelmika/474496-1-yanchich-pezoelektricheskie-datchiki-vibracionnogo-udarnogo-uskoreniya-uchebnoe-posobie-rostov-na-donu-2008-recenzenti-docent-ka.php], принятый за прототип, состоящий из элемента консольного типа, пьезоэлемента и инерционного элемента. Консоль выполнена в виде металлической Г-образной опоры, в вертикальную стенку которой жестко защемлена с одного конца упругая горизонтально расположенная металлическая пластина с инерционным элементом на другом конце, пьезоэлемент приклеен в зоне максимальных механических напряжений пластины, возникающих при ее изгибе под действием измеряемой величины. Недостатками такого датчика являются:

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

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

в) возникновение чувствительности к ротационным колебаниям, вызванных тем, что центры масс пьезоэлектрического и инерционного элементов разнесены на некоторое расстояние и не совпадают с центром инерции устройства;

г) высокоомное выходное сопротивление, создающее трудности в регистрации измеряемой величины и помехоустойчивости.

Общей проблемой измерения неэлектрических величин (усилий, давлений, вибрации и пр.) датчиками подобного вида с первичным преобразователем в виде чувствительного упруго демпфируемого элемента, вторичного преобразователя (тензорезистора, пьезоэлемента) и клеевого слоя между ними, является снижение надежности и достоверности преобразований измеряемой величины в электрический сигнал.

Изобретение направлено на решение задачи по повышению надежности и достоверности преобразований динамических механических величин в электрический сигнал в широком диапазоне нагрузок и частот. Техническим результатом является прямое преобразование деформации чувствительного упругого элемента в электрический сигнал.

Технический результат достигается датчиком механических величин, состоящим из элемента консольного типа в виде Г-образной опоры, в вертикальную стенку которой жестко защемлена с одного конца горизонтально расположенная упругая металлическая пластина с инерционным элементом на другом конце, при этом Г-образная опора выполнена из электроизоляционного материала, а обе поверхности пластины, примыкающие к месту защемления, находятся в контакте с электролитом двух электрохимических ячеек, корпус каждой из которых выполнен в виде полой четверть сферы из эластичного электроизоляционного материала, одна дугообразная плоская поверхность корпуса которой приклеена к горизонтальной поверхности пластины, а другая к вертикальной стенке опоры, токосъемные противоэлектроды ячеек выполнены из металла пластины, герметично заделаны в вертикальной стенке опоры, одни их свободные концы находятся в контакте с электролитом ячеек, а другие выведены из стенки опоры.

На фиг. 1 показан общий вид датчика. На фиг. 2 - разрез по А-А.

Датчик механических величин состоит из Г-образной опоры 1, выполненной из электроизоляционного материала, упругой металлической пластины 2 и инерционного элемента 3, двух электрохимических ячеек, каждая из которых включает корпус 4, электролит 5, токосъемный противоэлектрод 6. Горизонтально расположенная упругая металлическая пластина 2 жестко защемлена с одного конца в вертикальную стенку Г-образной опоры 1, инерционный элемент 3 закреплен на другом конце металлической пластины 2, корпуса электрохимических ячеек 4 выполнены из эластичного электроизоляционного материала в виде полых четверть сфер, заполненных электролитом 5, одна дугообразная плоская поверхность корпуса 4 приклеена к горизонтальной поверхности металлической пластины 2, а другая - к вертикальной стенке Г-образной опоры 1, причем одна электрохимическая ячейка 4 закреплена сверху пластины 2, а другая - снизу. Токосъемные противоэлектроды 6 ячеек 4 выполнены из металла пластины 2, герметично заделаны в вертикальной стенке Г-образной опоры 1, одни их свободные концы находятся в контакте с электролитом 5 ячеек 4, а другие выведены из стенки Г-образной опоры 1.

Датчик работает следующим образом. При воздействии на него вибрации, сейсмических колебаний, прочих сотрясений они воспринимаются упругой металлической пластиной 2 с инерционным элементом 3, при этом верхняя и нижняя поверхности металлической пластины 2 попеременно растягиваются и сжимаются. Зоны максимальных механических напряжений, возникающие при изгибах пластины и находящиеся в контакте с электролитом, представляют собой деформируемые электроды. Известно [Гохштейн А.Я. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция. Под ред. А.Н. Фрумкина, М., Наука, 1976, 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 электрохимических ячейках 4 эти изменения фиксируются относительно токосъемных противоэлектродов 6. Так как изменение площади деформируемых электродов ячеек 4 близки по величине, но противоположны по знаку, то выходной сигнал увеличивается в два раза. Таким образом достигается эффект прямого преобразования механической деформации чувствительного упругого элемента в электрический сигнал.

Выбором соотношения длины и толщины упругой металлической пластины 2 и массы инерционного элемента 3 можно в широких пределах регулировать диапазон измеряемых динамических нагрузок и частот [Ю.И. Иоркш. Виброметрия. Издание второе, переработанное и дополненное. М., Гос. научно-техн. изд-во машиностроительной лит-ры, 1963].

При снятии с упругой металлической пластины 2 инерционного элемента 3 датчик может быть использован для регистрации усилий, перемещений путем непосредственного воздействия измеряемой величины на свободный конец пластины.

Предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества перед заявленным прототипом:

а) низкоомное выходное сопротивление, обусловленное малым сопротивлением электролита, обеспечивает простоту измерения и помехоустойчивость,

б) снижение чувствительности к ротационным колебаниям, вызванное малым весом электрохимических ячеек и двухсторонним их креплением к упругой пластине и жесткой вертикальной стенке,

в) отсутствие клеевого слоя и пьезоэлемента, как промежуточных преобразователей деформации.

Таким образом, решается задача по повышению надежности и достоверности преобразования динамических механических величин в электрический сигнал в широком диапазоне нагрузок и частот, при этом технический результат достигается за счет прямого преобразования возникающей при этом деформации чувствительного упругого элемента в электрический сигнал.