RU2281515C1 - Resonator sensor - Google Patents
Resonator sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2281515C1 RU2281515C1 RU2004136488/28A RU2004136488A RU2281515C1 RU 2281515 C1 RU2281515 C1 RU 2281515C1 RU 2004136488/28 A RU2004136488/28 A RU 2004136488/28A RU 2004136488 A RU2004136488 A RU 2004136488A RU 2281515 C1 RU2281515 C1 RU 2281515C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- base
- resonator
- rod
- sensor
- measuring axis
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерений механических параметров.The invention relates to the field of measurement of mechanical parameters.
Известен датчик (см. патент US №5165279, кл. G 01 P 15/10, 06.06.1989 опубликован 24.11.92), который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взят в качестве прототипа. Датчик выполнен из плоского основания с образованием в нем чувствительного элемента, соединенного с ним через упругие шарниры подвеса и резонатор, свободно размещенные в его прорези. Резонатор электрически и механически связан с электромеханическим преобразователем, обеспечивающим возбуждение механических колебаний и обратного преобразования их в электрический сигнал. Кроме того, основание закрывается с обеих сторон крышками, которые крепятся по его периметру и имеют углубления для свободного хода чувствительного элемента.A known sensor (see US patent No. 5165279, class G 01 P 15/10, 06/06/1989 published 11/24/92), which is the closest in technical essence to the claimed device and is taken as a prototype. The sensor is made of a flat base with the formation of a sensitive element in it, connected to it through the elastic hinges of the suspension and the resonator, freely placed in its slot. The resonator is electrically and mechanically connected with an electromechanical converter, providing excitation of mechanical vibrations and their inverse transformation into an electrical signal. In addition, the base is closed on both sides by covers, which are fastened around its perimeter and have recesses for the free movement of the sensing element.
Недостатком прототипа является более сложная технология изготовления, требующая двухстороннего глубокого травления плоской заготовки с образованием тонких перемычек с высокой точностью. Это приводит к большему технологическому разбросу и малому выходу готовых изделий.The disadvantage of the prototype is a more complex manufacturing technology, requiring double-sided deep etching of the flat workpiece with the formation of thin jumpers with high accuracy. This leads to a greater technological spread and low yield of finished products.
Техническим результатом заявляемого датчика является упрощение технологии изготовления за счет изменения направления измерительной оси из положения, практически перпендикулярного плоскости заготовки, в положение, совпадающее с ней.The technical result of the proposed sensor is to simplify manufacturing technology by changing the direction of the measuring axis from a position almost perpendicular to the plane of the workpiece, in a position that coincides with it.
Технический результат достигается тем, что датчик резонаторный, содержащий основание, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента, его подвеса в виде стержня и стержневого резонатора, одни концы которых соединены с основанием, а другие концы соединены с чувствительным элементом, свободно размещенным в углублениях крышек, которые расположены по обе стороны основания и соединены с ним по периметру, один конец стержня подвеса через упругий шарнир соединен с основанием для перемещения чувствительного элемента в направлении измерительной оси, а другой конец стержня подвеса соединен с чувствительным элементом, стержневой резонатор электрически и механически соединен с электромеханическим преобразователем.The technical result is achieved by the fact that the sensor is resonant, containing a base in which through slots are made with the formation of a sensitive element, its suspension in the form of a rod and a rod resonator, some ends of which are connected to the base, and the other ends are connected to the sensitive element freely placed in the recesses covers that are located on both sides of the base and connected to it along the perimeter, one end of the suspension rod through an elastic hinge is connected to the base to move the sensitive element ententa in the direction of the measuring axis, and the other end of the suspension rod is connected to the sensing element, the rod resonator is electrically and mechanically connected to the electromechanical transducer.
Новым является то, что стержневой резонатор расположен асимметрично относительно подвеса, жесткость упругого шарнира которого минимальна в направлении измерительной оси, расположенной в плоскости основания, и максимальна в направлении перпендикулярной плоскости основания, дополнительно за счет сквозных прорезей в основании образован, по крайней мере, один направляющий торсион, один конец которого соединен с основанием, а другой конец с чувствительным элементом для обеспечения перемещения чувствительного элемента в направлении измерительной оси, параллельной плоскости основания, и обеспечения максимальной жесткости в направлении, перпендикулярном плоскости основания. Направляющие торсионы имеют Z-образную форму, в местах изгиба которого и в точках соединения с чувствительным элементом и основанием выполнены упругие шарниры.What is new is that the rod resonator is located asymmetrically with respect to the suspension, the rigidity of the elastic hinge of which is minimal in the direction of the measuring axis located in the plane of the base and maximum in the direction of the perpendicular plane of the base, at least one more guide is formed through the through slots in the base a torsion bar, one end of which is connected to the base and the other end to the sensor to allow the sensor to move in the direction of measurement axis, parallel to the plane of the base, and providing maximum rigidity in the direction perpendicular to the plane of the base. The guide torsion bars have a Z-shape, in the places of bending of which and at the points of connection with the sensing element and the base, elastic hinges are made.
На фиг.1 изображен датчик резонаторный без крышек.Figure 1 shows the resonator sensor without covers.
На фиг.2 изображена одна из двух идентичных крышек.Figure 2 shows one of two identical covers.
На фиг.3 изображена кинематическая схема датчика.Figure 3 shows the kinematic diagram of the sensor.
Устройство (фиг.1) содержит чувствительный элемент 1, соединенный через подвес 2 и его шарнир 3 с основанием 4, кроме этого, чувствительный элемент 1 соединен с основанием 4 посредством стержневого резонатора 5, выполненного, например, в виде двухветвевого камертона и одного или двух торсионов 6, 8 Z-образной формы, имеющих ослабления сечения в виде уменьшения ширины стержней в местах изгиба торсиона и его присоединения к чувствительному элементу 1 и основанию 4, образующих упругие шарниры 7, 9. Малая ширина упругих шарниров 3, 7, 9 по сравнению с их толщиной, равной толщине основания и, соответственно, толщине пластины заготовки, позволяет получить большую податливость в направлении измерительной оси по сравнению с другими направлениями.The device (Fig. 1) contains a
Резонаторный датчик работает следующим образом. При действии на чувствительный элемент 1 силы F (см. фиг.3) в плоскости датчика в произвольном направлении в стержневом резонаторе 5 возникает сила Fрез., вызывающая изменение его резонансной частоты в соответствии с выражением (1):The resonator sensor operates as follows. When the force F is applied to the sensor 1 (see FIG. 3), a force F res arises in the rod plane 5 in an arbitrary direction in the rod resonator 5 . causing a change in its resonant frequency in accordance with the expression (1):
где ƒ0 - начальное значение резонансной частоты при Fрез=0;where ƒ 0 is the initial value of the resonant frequency at F res = 0;
В - постоянный коэффициент, равный обратной величине критической силы резонатора (продольной сжимающей силы, при которой стержень теряет устойчивость)B is a constant coefficient equal to the reciprocal of the critical force of the resonator (longitudinal compressive force at which the rod loses stability)
где l, b, h - длина, ширина и толщина стержней резонатора (изгибные колебания стержней резонатора происходят в плоскости, совпадающей с его шириной);where l, b, h is the length, width and thickness of the resonator rods (bending vibrations of the resonator rods occur in a plane that coincides with its width);
Е, ρ - модуль упругости и плотность стержней резонатора.E, ρ - modulus of elasticity and density of the rods of the resonator.
Связь между продольной силой, действующей на резонатор, и силой, приложенной к чувствительному элементу, определяется из условия равновесия системы, изображенной на фиг.3:The relationship between the longitudinal force acting on the resonator and the force applied to the sensitive element is determined from the equilibrium condition of the system depicted in figure 3:
1) Сумма моментов всех сил, действующих в системе, должна быть равна 0;1) The sum of the moments of all the forces acting in the system must be equal to 0;
2) Сумма всех сил, действующих в системе, должна быть равна 0.2) The sum of all the forces acting in the system must be equal to 0.
Из анализа системы фиг.3 следует:From the analysis of the system of figure 3 follows:
где Fрез - продольная сила, действующая на резонатор;where F res - the longitudinal force acting on the resonator;
Fнор - составляющая силы F, перпендикулярная линии, соединяющей точку приложения силы F с осью поворота шарнира;F nor - component of the force F, perpendicular to the line connecting the point of application of force F with the axis of rotation of the hinge;
α - угол между вектором силы F и линией АБ, соединяющей точку приложения силы с осью поворота подвеса в упругом шарнире;α is the angle between the force vector F and the line AB connecting the point of application of force with the axis of rotation of the suspension in an elastic hinge;
Мр.ш - реактивный момент упругого шарнира;M r.Sh - reactive moment of the elastic hinge;
lпод - расстояние от точки А приложения силы F до оси поворота упругого шарнира;l under - distance from point A of application of force F to the axis of rotation of the elastic joint;
h - расстояние между осью упругого шарнира 3 и точкой соединения резонатора 5 с основанием 4.h is the distance between the axis of the
Из выражения (4) определяется зависимость силы, действующей на стержневой резонатор от внешней силы FFrom the expression (4), the dependence of the force acting on the rod resonator on the external force F is determined
Реактивный момент упругого шарнира Мр.ш зависит от момента F·lпод·sinα, вызывающего его деформацию. При рациональном конструировании датчика вклад Мр.ш должен быть значительно меньше суммарного момента, вызывающего появление продольной силы в резонаторе. В первом приближении зависимость Мр.ш от F·lпод·sinα можно принять как линейную:The reactive moment of the elastic joint M r.s. depends on the moment F · l under · sinα, causing its deformation. With a rational design of the sensor, the contribution of M r.s. should be significantly less than the total moment that causes the appearance of a longitudinal force in the resonator. In a first approximation, the dependence of M r.s. on F · l under · sinα can be taken as linear:
где К<1 - постоянный коэффициент.where K <1 is a constant coefficient.
Тогда выражение для продольной силы, действующей на резонатор, примет вид:Then the expression for the longitudinal force acting on the resonator will take the form:
В случае, когда на чувствительный элемент 1 действуют инерционные силы, вектор их равнодействующей прилагается к центру масс чувствительного элемента, а измерительная ось направлена по перпендикуляру к линии, соединяющей ось поворота упругого шарнира и центр масс, через который и проходит измерительная ось. Выражение для продольной силы, действующей на резонатор, будет иметь вид:In the case when inertial forces act on the
где m - масса чувствительного элемента;where m is the mass of the sensing element;
а·cosβ - проекция вектора ускорения а на измерительную ось;a · cosβ is the projection of the acceleration vector a on the measuring axis;
β - угол между вектором ускорения и измерительной осью.β is the angle between the acceleration vector and the measuring axis.
Функция преобразования (характеристика преобразования) рассматриваемого датчика определяется выражениями (1), (6) или (7) с учетом (2), (3).The conversion function (conversion characteristic) of the sensor in question is determined by expressions (1), (6) or (7) taking into account (2), (3).
При действии составляющих сил, перпендикулярных плоскости датчика, в резонаторе не возникает продольных сил, а имеет место изгиб резонатора, его резонансная частота меняется весьма незначительно.Under the action of component forces perpendicular to the plane of the sensor, longitudinal forces do not arise in the cavity, but the cavity bends, its resonant frequency changes very slightly.
Для увеличения жесткости (уменьшения податливости) в направлениях, перпендикулярных к плоской части датчика, используются торсионы 6, (8), соединяющие чувствительный элемент 1 с основанием 4. Форма, размеры торсиона и места соединения с чувствительным элементом и основанием выбираются из условия обеспечения минимальной податливости чувствительного элемента 1 в направлении, перпендикулярном плоскости датчика, и максимальной податливости по измерительной оси. Одним из возможных вариантов исполнения такого торсиона является трехплечий торсион 6, 9 Z-образной формы, снабженный четырьмя упругими шарнирами, располагаемыми в местах сочленения между собой трех плеч с чувствительным элементом 1 и основанием 4. Для защиты упругих шарниров от повреждений при действии экстремальных нагрузок, определяемых условиями эксплуатации и находящихся вне диапазона измеряемых величин, с обеих сторон датчика установлены крышки, соединенные с его основанием 4 по периметру. В крышках с внутренней стороны в области расположения подвижных элементов датчика (чувствительный элемент 1, подвес 2, торсионы 6, 8) выполнены углубления, обеспечивающие свободное перемещение указанных элементов. При экстремальных нагружениях (например, ударах) в направлении, перпендикулярном плоскости датчика, крышки выполняют роль ограничителей перемещений элементов датчика, ограничивая тем самым в них механические напряжения на уровне, не превышающем предельные значения. Преобразование частоты механического резонанса резонатора 5 в частоту электрических сигналов выполняется с использованием электромеханического преобразователя, взаимодействующего с резонатором и усилителем электрических сигналов с положительной обратной связью, в контур которой включен электромеханический преобразователь. Электромеханические преобразователи могут выполняться с использованием различных физических явлений: пьезоэлектрические свойства материалов (пьезоэлектрические преобразователи); взаимодействие электрических зарядов (электростатические преобразователи); взаимодействие проводников с электрическим током с магнитным полем (магнитоэлектрические преобразователи). При изготовлении датчиков по микроэлектронной технологии имеется возможность миниатюрного выполнения с шириной стержней менее 50 мкм. Для этого случая наиболее предпочтительными являются электромеханические преобразователи магнитоэлектрического и электростатического типа.To increase the stiffness (reduce compliance) in the directions perpendicular to the flat part of the sensor, torsion bars 6, (8) are used, connecting the
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004136488/28A RU2281515C1 (en) | 2004-12-14 | 2004-12-14 | Resonator sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004136488/28A RU2281515C1 (en) | 2004-12-14 | 2004-12-14 | Resonator sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004136488A RU2004136488A (en) | 2006-05-20 |
RU2281515C1 true RU2281515C1 (en) | 2006-08-10 |
Family
ID=36658295
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004136488/28A RU2281515C1 (en) | 2004-12-14 | 2004-12-14 | Resonator sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2281515C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456556C1 (en) * | 2011-04-28 | 2012-07-20 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Resonanator process parameter sensor frequency metre |
-
2004
- 2004-12-14 RU RU2004136488/28A patent/RU2281515C1/en active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456556C1 (en) * | 2011-04-28 | 2012-07-20 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Resonanator process parameter sensor frequency metre |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004136488A (en) | 2006-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7802475B2 (en) | Acceleration sensor | |
EP2643702B1 (en) | Resonant biaxial accelerometer structure of the microelectromechanical type | |
US3238789A (en) | Vibrating bar transducer | |
JP2009042240A (en) | Acceleration sensor | |
EP3835796B1 (en) | Resonator electrode configuration to avoid capacitive feedthrough for vibrating beam accelerometers | |
EP3617715B1 (en) | Vibrating beam accelerometer | |
KR20030097874A (en) | Accelerometer strain relief structure | |
WO2016182428A1 (en) | Optical sensor device, sensor apparatus and cable | |
CN100594384C (en) | Orthogonal loop type piezoelectric accelerometer | |
EP3136052A1 (en) | Piezoresistive detection resonant device in particular with large vibration amplitude | |
JP2021018239A (en) | Mechanical connection for mems and nems device for measuring variation in pressure, and device comprising such mechanical connection | |
EP3881044B1 (en) | Optical fiber sensing device having a symmetric optical fiber arrangement | |
Tabata et al. | Two-axis detection resonant accelerometer based on rigidity change | |
Selvakumar et al. | A high sensitivity Z-axis torsional silicon accelerometer | |
RU2281515C1 (en) | Resonator sensor | |
US8723611B2 (en) | Micromechanical resonator | |
RU2377575C2 (en) | Frequency micro-mechanical accelerometre | |
KR100934217B1 (en) | Microsensor for vibration measurement | |
Sharma et al. | Dimensional optimization and modelling of a novel double-ended-tuning-fork micro-resonator for high frequency applications | |
RU2402020C1 (en) | Resonator sensor | |
EP2201387B1 (en) | Flexural pivot for micro-sensors | |
CN112782427A (en) | Resonator electrode configuration for avoiding capacitive feed-through of vibrating beam accelerometers | |
JP3711709B2 (en) | Spiral seismograph | |
CN112782428A (en) | Vibrating beam accelerometer with pressure damping | |
Tilmans et al. | A differential resonator design using a bossed structure for applications in mechanical sensors |