RU2725203C1 - Mechanical quantity sensor - Google Patents
Mechanical quantity sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2725203C1 RU2725203C1 RU2019124606A RU2019124606A RU2725203C1 RU 2725203 C1 RU2725203 C1 RU 2725203C1 RU 2019124606 A RU2019124606 A RU 2019124606A RU 2019124606 A RU2019124606 A RU 2019124606A RU 2725203 C1 RU2725203 C1 RU 2725203C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- support
- vertical wall
- cells
- electrolyte
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
- G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to measuring equipment, is intended for converting dynamic mechanical quantities, including vibration and shock acceleration, into an electrical signal and can be used in various industries, in particular, in construction, for seismic measurements, experimental studies.
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].A known sensor of mechanical quantities with a beam cantilever fixed flexural elastic element and strain gauge converters of its deformation into an electrical signal [http://tokves.ru/datchiki-balochnyie.html?yclid=1736387897797397239].
Недостатками такого датчика являются:The disadvantages of such a sensor are:
а) необходимость источника питания мостовой схемы, что увеличивает энергопотребление;a) the need for a bridge circuit power supply, which increases energy consumption;
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.b) the incomplete transfer of deformation from the elastic element to the strain gauge through the adhesive layer, the properties of which depend on external conditions (temperature, humidity), aging, the nature of the measured loads, is possible.
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:A known sensor of mechanical quantities [V.V. Yancich. Piezoelectric sensors for vibration and shock acceleration. Textbook Allowance. Rostov-on-Don, 2008, p. 49, fig. 3.4 b; http://diss.seluk.ru/m-elektrotelmika/474496-1-yanchich-pezoelektricheskie-datchiki-vibracionnogo-udarnogo-uskoreniya-uchebnoe-posobie-rostov-na-donu-2008-recenzenti-docent-ka.php] adopted for the prototype, consisting of an element of the cantilever type, a piezoelectric element and an inertial element. The cantilever is made in the form of a metal L-shaped support, in the vertical wall of which an elastic horizontal metal plate with an inertial element at the other end is rigidly pinched from one end, the piezoelectric element is glued in the zone of maximum mechanical stresses of the plate that arise when it is bent under the influence of a measured quantity. The disadvantages of such a sensor are:
а) хрупкость пьезоэлемента и зависимость его характеристик от внешних условий и условий эксплуатации;a) the fragility of the piezoelectric element and the dependence of its characteristics on external conditions and operating conditions;
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;b) the adhesive layer, which is an intermediate element in the transfer of deformation, has low strength and reliability, and also negatively affects the temporal and temperature stability of metrological characteristics;
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;c) the occurrence of sensitivity to rotational vibrations caused by the fact that the centers of mass of the piezoelectric and inertial elements are spaced a certain distance and do not coincide with the center of inertia of the device;
г) высокоомное выходное сопротивление, создающее трудности в регистрации измеряемой величины и помехоустойчивости.d) high-resistance output impedance, which creates difficulties in recording the measured value and noise immunity.
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.A common problem in measuring non-electric quantities (forces, pressures, vibration, etc.) with sensors of this kind with a primary transducer in the form of a sensitive elastically damped element, a secondary transducer (strain gauge, piezoelectric element) and an adhesive layer between them, is a decrease in the reliability and reliability of the measured value transformations in electrical signal.
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.The invention is aimed at solving the problem of improving the reliability and reliability of the conversion of dynamic mechanical quantities into an electrical signal in a wide range of loads and frequencies. The technical result is a direct conversion of the deformation of a sensitive elastic element into an electrical signal.
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.The technical result is achieved by a mechanical quantity sensor, consisting of a cantilever type element in the form of an L-shaped support, in the vertical wall of which a horizontally located elastic metal plate with an inertial element on the other end is rigidly pinched at the other end, while the L-shaped support is made of electrical insulating material and both surfaces of the plate adjacent to the pinch point are in contact with the electrolyte of two electrochemical cells, the body of each of which is made in the form of a hollow quarter of a sphere of elastic electrical insulating material, one curved flat surface of the body is glued to the horizontal surface of the plate, and the other to the vertical wall of the support, the collector counter electrodes of the cells are made of plate metal, hermetically sealed in the vertical wall of the support, some of their free ends are in contact with the electrolyte of the cells, and others are removed from the wall of the support.
На фиг. 1 показан общий вид датчика. На фиг. 2 - разрез по А-А.In FIG. 1 shows a general view of the sensor. In FIG. 2 - section along aa.
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.The mechanical quantity sensor consists of a L-shaped support 1 made of an insulating material, an
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.The sensor operates as follows. When exposed to vibration, seismic vibrations, other shocks, they are perceived by an
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].By choosing the ratio of the length and thickness of the
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.When removing the
Предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества перед заявленным прототипом:The invention has the following advantages over the claimed prototype:
а) низкоомное выходное сопротивление, обусловленное малым сопротивлением электролита, обеспечивает простоту измерения и помехоустойчивость,a) low resistance output resistance due to the low resistance of the electrolyte, provides ease of measurement and noise immunity,
б) снижение чувствительности к ротационным колебаниям, вызванное малым весом электрохимических ячеек и двухсторонним их креплением к упругой пластине и жесткой вертикальной стенке,b) a decrease in sensitivity to rotational vibrations caused by the low weight of the electrochemical cells and their two-sided fastening to an elastic plate and a rigid vertical wall,
в) отсутствие клеевого слоя и пьезоэлемента, как промежуточных преобразователей деформации.c) the absence of an adhesive layer and a piezoelectric element, as intermediate deformation converters.
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.Thus, the problem is solved to increase the reliability and reliability of the conversion of dynamic mechanical quantities into an electrical signal in a wide range of loads and frequencies, while the technical result is achieved by directly converting the resulting deformation of a sensitive elastic element into an electrical signal.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124606A RU2725203C1 (en) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Mechanical quantity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124606A RU2725203C1 (en) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Mechanical quantity sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2725203C1 true RU2725203C1 (en) | 2020-06-30 |
Family
ID=71509894
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019124606A RU2725203C1 (en) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Mechanical quantity sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2725203C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2796268C2 (en) * | 2020-12-30 | 2023-05-19 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Асм-Геотех" | Mechanical sensor |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU940074A1 (en) * | 1980-12-31 | 1982-06-30 | Предприятие П/Я А-3759 | Accelerometer |
FR2537726A1 (en) * | 1982-12-10 | 1984-06-15 | Thomson Csf | Surface elastic wave accelerometer |
SU1134889A1 (en) * | 1983-01-10 | 1985-01-15 | Куйбышевский институт инженеров железнодорожного транспорта | Device for measuring force |
RU2113715C1 (en) * | 1996-01-30 | 1998-06-20 | Научно-производственный центр "Динамика" | Piezoelectric accelerometer |
RU2421736C1 (en) * | 2009-10-20 | 2011-06-20 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Accelerometer |
-
2019
- 2019-07-30 RU RU2019124606A patent/RU2725203C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU940074A1 (en) * | 1980-12-31 | 1982-06-30 | Предприятие П/Я А-3759 | Accelerometer |
FR2537726A1 (en) * | 1982-12-10 | 1984-06-15 | Thomson Csf | Surface elastic wave accelerometer |
SU1134889A1 (en) * | 1983-01-10 | 1985-01-15 | Куйбышевский институт инженеров железнодорожного транспорта | Device for measuring force |
RU2113715C1 (en) * | 1996-01-30 | 1998-06-20 | Научно-производственный центр "Динамика" | Piezoelectric accelerometer |
RU2421736C1 (en) * | 2009-10-20 | 2011-06-20 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Accelerometer |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
В.В. ЯНЧИЧ. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ВИБРАЦИОННОГО И УДАРНОГО УСКОРЕНИЯ, Ростов-на-Дону, 2008, С.49, рис. 3.4 б. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2796268C2 (en) * | 2020-12-30 | 2023-05-19 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Асм-Геотех" | Mechanical sensor |
RU2808101C1 (en) * | 2023-06-29 | 2023-11-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет" (НИУ МГСУ) | Mechanical sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4258565A (en) | Force detector | |
US3269175A (en) | Piezoelectric force measuring device | |
CN102155987B (en) | Differential capacitor type micro-vibration sensor | |
CN105116168A (en) | Three-dimensional FBG (fiber bragg grating) acceleration sensor based on flexure hinges | |
CN101769938B (en) | Czochralski Accelerometer Based on Fiber Bragg Grating | |
US5362929A (en) | Weight sensor device | |
RU2725203C1 (en) | Mechanical quantity sensor | |
CN101762720A (en) | Piezoelectric type acceleration sensor | |
US3545283A (en) | Non-linear accelerometer | |
RU2796268C2 (en) | Mechanical sensor | |
RU2582910C1 (en) | Piezoelectric accelerometer | |
RU2657550C1 (en) | Pressure cell for measuring voltages in soils | |
RU2808101C1 (en) | Mechanical sensor | |
US3222919A (en) | Mechanical impedance measuring system | |
CN215893845U (en) | Gasket type sensor | |
US3279245A (en) | Transducer | |
US3395569A (en) | Dynamic curvature sensing and measuring device | |
CN114414035A (en) | Piezoelectric sensor calibration device and method and vibration sensor | |
RU170862U1 (en) | SENSITIVE SENSOR OF A SHOCK SENSOR | |
JP3711709B2 (en) | Spiral seismograph | |
RU2756041C1 (en) | Piezoelectric accelerometer | |
RU2786382C1 (en) | Pressure transducer | |
CN222069897U (en) | A high-sensitivity piezoelectric vibration sensor | |
RU2788310C1 (en) | Autonomous pressure sensor | |
JP4172468B2 (en) | Spiral vibration detector |