RU2247993C2 - Resonator pickup - Google Patents

Resonator pickup Download PDF

Info

Publication number
RU2247993C2
RU2247993C2 RU2003100256/28A RU2003100256A RU2247993C2 RU 2247993 C2 RU2247993 C2 RU 2247993C2 RU 2003100256/28 A RU2003100256/28 A RU 2003100256/28A RU 2003100256 A RU2003100256 A RU 2003100256A RU 2247993 C2 RU2247993 C2 RU 2247993C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
base
resonator
sensitive element
rods
Prior art date
Application number
RU2003100256/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003100256A (en
Inventor
нчук В.Н. Лукь (RU)
В.Н. Лукьянчук
К.В. Полеткин (RU)
К.В. Полеткин
Е.А. Осоченко (RU)
Е.А. Осоченко
А.В. Ванин (RU)
А.В. Ванин
Original Assignee
Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики-РФЯЦ-ВНИИЭФ
Министерство Российской Федерации по атомной энергии-Минатом РФ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики-РФЯЦ-ВНИИЭФ, Министерство Российской Федерации по атомной энергии-Минатом РФ filed Critical Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики-РФЯЦ-ВНИИЭФ
Priority to RU2003100256/28A priority Critical patent/RU2247993C2/en
Publication of RU2003100256A publication Critical patent/RU2003100256A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2247993C2 publication Critical patent/RU2247993C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring engineering.
SUBSTANCE: pickup has base made of monocrystal and provided with through slots to form a sensor and sensor suspension made of at least two rods and rod resonator. One ends of the rods are connected with the sensor which is freely mounted inside the hollows made in the lids arranged on both sides of the base and connected with them over periphery. The rods of the suspension are provided with the flexible pivots for allowing the sensor to move with respect to the base in the direction of the measuring axis. The sensor comprises at least two interconnected members, one flexible member, and one nonflexible member which can move one with respect to the other.
EFFECT: enhanced reliability of pickup under the action of vibration.
6 dwg

Description

Изобретение относится к области измерения механических параметров. Известен датчик (см. патент US №5.165.279, кл. G 01 P 15/10 от 6.06.1989, опубликован 24.11.92), который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взят в качестве прототипа. Датчик выполнен из плоского монокристаллического основания с образованием в нем чувствительного элемента в виде прямоугольной пластины, соединенной с ним через упругие шарниры, и содержит резонатор, свободно размещенный 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.The invention relates to the field of measuring mechanical parameters. A known sensor (see US patent No. 5.165.279, class G 01 P 15/10 dated 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 monocrystalline base with the formation of a sensitive element in it in the form of a rectangular plate connected to it through elastic hinges, and contains a resonator freely placed in its slot. The resonator is electrically and mechanically connected to an electromechanical converter, providing excitation of mechanical vibrations and their reverse conversion 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 необходимость использования внешнего механического фильтра для уменьшения интенсивности колебания чувствительного элемента при попадании его собственной частоты в диапазон действующих вибраций.The disadvantage of the prototype is the need to use an external mechanical filter to reduce the intensity of the oscillation of the sensitive element when it falls into its own frequency range of vibrations.

Техническим результатом заявляемого датчика является обеспечение его работоспособности при действии вибрации за счет уменьшения интенсивности колебания чувствительного элемента.The technical result of the proposed sensor is to ensure its operability under the action of vibration by reducing the intensity of oscillation of the sensing element.

Технический результат достигается тем, что датчик резонаторный, содержащий основание из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента и его подвесов в виде, по крайней мере, двух стержней и стержневого резонатора, одни концы которых соединены с чувствительным элементом, свободно размещенным в углублениях крышек, расположенных по обе стороны основания и соединенных с ними по периметру, на стержнях подвеса выполнены упругие шарниры для перемещения чувствительного элемента относительно основания в направлении измерительной оси, стержневой резонатор электрически и механически связан с электромеханическим преобразователем, отличается тем, что чувствительный элемент состоит из двух частей с возможностью перемещения их относительно друг друга и соединенных между собой упругими шарнирами и неупругим элементом, заполняющим щель, образованную между частями чувствительного элемента.The technical result is achieved by the fact that the sensor is a resonator containing a single crystal base in which through slots are made with the formation of a sensitive element and its suspensions in the form of at least two rods and a rod resonator, one ends of which are connected to a sensitive element freely placed in the recesses of the covers located on both sides of the base and connected with them along the perimeter, elastic hinges are made on the suspension rods to move the sensitive element relative to the base In the direction of the measuring axis, the rod resonator is electrically and mechanically connected with the electromechanical transducer, characterized in that the sensitive element consists of two parts with the possibility of moving them relative to each other and interconnected by elastic joints and an inelastic element filling the gap formed between the parts of the sensitive item.

На фиг.1 изображен первичный преобразователь без крышки.Figure 1 shows the primary Converter without a cover.

На фиг.2 - эквивалентная механическая схема.Figure 2 is an equivalent mechanical diagram.

На фиг.3 - график перемещения первого чувствительного элемента.Figure 3 is a graph of the movement of the first sensor element.

На фиг.4 - график перемещения второго чувствительного элемента.Figure 4 is a graph of the movement of the second sensor element.

На фиг.5 - первичный преобразователь с крышками.In Fig.5 - the primary Converter with covers.

На фиг.6 - датчик резонаторный в сборе.Figure 6 - sensor resonator Assembly.

Устройство содержит основание 1 и соединенный с ним чувствительный элемент с помощью двух упругих шарниров 5 и стержневого резонатора 2, выполненного, например, в виде двухветвевого камертона. Чувствительный элемент состоит из двух частей 3 и 4, соединенных между собой упругими шарнирами 6 и неупругим элементом, который заполняет щель Б, образованную между частями чувствительного элемента (фиг.1).The device comprises a base 1 and a sensing element connected to it by means of two elastic hinges 5 and a rod resonator 2, made, for example, in the form of a two-branch tuning fork. The sensitive element consists of two parts 3 and 4, interconnected by elastic hinges 6 and an inelastic element, which fills the gap B formed between the parts of the sensitive element (figure 1).

Крышка 7 (фиг.5) ограничивает ход чувствительного элемента, защищая подвес и резонатор от разрушений при действии ударных нагрузок.Cover 7 (FIG. 5) limits the stroke of the sensitive element, protecting the suspension and the resonator from damage under the action of shock loads.

Резонаторный датчик работает следующим образом. Механическая сила, действующая по направлению измерительной оси, проходящей перпендикулярно плоскости частей чувствительного элемента 3, 4, вызывает момент МИ, равный:The resonator sensor operates as follows. The mechanical force acting in the direction of the measuring axis, perpendicular to the plane of the parts of the sensing element 3, 4, causes a moment M AND equal to:

MИ=F·L,M AND = F · L,

где: F - механическая сила,where: F - mechanical force,

L - плечо между точкой приложения механической силы и упругим подвесом.L is the shoulder between the point of application of mechanical force and the elastic suspension.

Момент МИ уравновешивается реактивным моментом, вызванным парой сил, приложенной к резонатору и стержням подвеса, и моментом упругого шарнира 6. Удлинение резонатора 2 вызывает угловое перемещение θ1 чувствительного элемента 3 относительно оси шарниров 6. На кинематической схеме фиг.3 суммарная жесткость шарниров 6 подвеса с учетом жесткости резонатора 2 обозначена как C1, а шарниров 7 как С2. При этом части чувствительного элемента 3, 4 двигаются относительно друг друга с различными угловыми скоростями, обуславливаемыми их динамическими свойствами (жесткостью шарниров 6, 7, моментом инерции частей чувствительного элемента 3, 4), взаимодействуя через неупругий элемент 9, который имеет определенный коэффициент вязкости, что вызывает потери механической энергии в колебательной системе (состоящей из чувствительных элементов 3, 4 и упругих шарниров 6, 7), понижая ее добротность и уменьшая амплитуду колебаний элементов 3, 4, демпфируют чувствительный элемент в целом. В качестве демпфирующего элемента 9 может быть использован эластичный (резиноподобный) компаунд с требуемой вязкостью. В частном случае длина жесткой части стержней подвеса чувствительного элемента может иметь минимальное (нулевое) значение и роль подвеса в этом случае будут выполнять упругие шарниры. Закон движения чувствительных элементов 3, 4 описывается следующей системой дифференциальных уравнений (см. фиг.3):The moment M I is balanced by the reactive moment caused by the pair of forces applied to the resonator and the suspension rods and the moment of the elastic hinge 6. The elongation of the resonator 2 causes an angular displacement θ 1 of the sensing element 3 relative to the axis of the hinges 6. In the kinematic diagram of FIG. 3, the total rigidity of the hinges 6 suspension taking into account the stiffness of the resonator 2 is denoted as C 1 and the hinges 7 as C 2 . In this case, the parts of the sensing element 3, 4 move relative to each other with different angular velocities, determined by their dynamic properties (stiffness of the hinges 6, 7, the moment of inertia of the parts of the sensing element 3, 4), interacting through an inelastic element 9, which has a certain viscosity coefficient, which causes the loss of mechanical energy in the oscillatory system (consisting of sensitive elements 3, 4 and elastic joints 6, 7), reducing its quality factor and decreasing the amplitude of oscillations of elements 3, 4, dampen informative element as a whole. As the damping element 9, an elastic (rubber-like) compound with the required viscosity can be used. In a particular case, the length of the rigid part of the suspension rods of the sensing element can have a minimum (zero) value and the role of the suspension in this case will be performed by elastic hinges. The law of motion of the sensitive elements 3, 4 is described by the following system of differential equations (see figure 3):

Figure 00000002
Figure 00000002

где: θ1, θ2 - угловое перемещение подвеса относительно основания;where: θ 1 , θ 2 is the angular displacement of the suspension relative to the base;

Figure 00000003
,
Figure 00000004
,
Figure 00000005
,
Figure 00000006
- угловые скорости и угловые ускорения соответственно;
Figure 00000003
,
Figure 00000004
,
Figure 00000005
,
Figure 00000006
- angular velocities and angular accelerations, respectively;

ω - угловая частота;ω is the angular frequency;

t - время;t is the time;

J1, J2 - момент инерции соответственно первого и второго чувствительных элементов;J 1 , J 2 - moment of inertia, respectively, of the first and second sensitive elements;

m1, m2 - масса первого и второго чувствительных элементов;m 1 , m 2 - mass of the first and second sensitive elements;

l1 - расстояние между упругими шарнирами 6,7 (расстояние между условными осями поворота упругих шарниров);l 1 - the distance between the elastic joints 6,7 (the distance between the conditional axes of rotation of the elastic joints);

с1 - эквивалентная жесткость шарниров 5 с учетом резонатора 2;C 1 - equivalent stiffness of the joints 5 taking into account the resonator 2;

с2 - жесткость шарниров 7, соединяющих части 3 и 4 чувствительного элемента;C 2 - the stiffness of the hinges 7 connecting the parts 3 and 4 of the sensing element;

η - коэффициент потерь, вносимых неупругим элементом 9;η is the coefficient of losses introduced by the inelastic element 9;

LЦМ1, LЦМ2 - центр масс первого и второго чувствительных элементов;L ЦМ1 , L ЦМ2 - center of mass of the first and second sensitive elements;

а - ускорение.and - acceleration.

Решение системы (1) представим в безразмерной формеWe represent the solution of system (1) in dimensionless form

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

где

Figure 00000009
Where
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000018
Figure 00000019
Figure 00000010
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000018
Figure 00000019

На фиг.4, 5 представлены графики относительных амплитуд частей чувствительного элемента. Расчеты были приведены для конструкции со следующими характеристиками: δ=0,668, β=1,41, μ=0,7,

Figure 00000020
=2,11. Добротность первой части чувствительного элемента - 3,0 и второй - 2,0. Добротность системы без демпфирования достигает значения 400. Введение предлагаемого демпфирования позволит снизить добротность до единиц, что обеспечит работоспособность датчика при воздействии вибрации.Figure 4, 5 presents graphs of the relative amplitudes of the parts of the sensing element. Calculations were given for a design with the following characteristics: δ = 0.668, β = 1.41, μ = 0.7,
Figure 00000020
= 2.11. The quality factor of the first part of the sensing element is 3.0 and the second is 2.0. The quality factor of the system without damping reaches 400. The introduction of the proposed damping will reduce the quality factor to units, which will ensure the operability of the sensor when exposed to vibration.

Claims (1)

Датчик резонаторный, содержащий основание из монокристалла, в котором выполнены сквозные прорези с образованием чувствительного элемента и его подвесов в виде, по крайней мере, двух стержней и стержневого резонатора, одни концы которых соединены с чувствительным элементом, свободно размещенным в углублениях крышек, расположенных по обе стороны основания и соединенных с ними по периметру, на стержнях подвеса выполнены упругие шарниры для перемещения чувствительного элемента относительно основания в направлении измерительной оси, стержневой резонатор электрически и механически связан с электромеханическим преобразователем, отличающийся тем, что чувствительный элемент состоит из двух частей с возможностью перемещения их относительно друг друга и соединенных между собой упругими шарнирами и неупругим элементом, заполняющим щель, образованную между частями чувствительного элемента.A resonant sensor containing a single crystal base in which through slots are made to form a sensitive element and its suspensions in the form of at least two rods and a rod resonator, one ends of which are connected to a sensitive element freely located in the recesses of the covers located on both the sides of the base and the perimeter connected to them, elastic hinges are made on the suspension rods to move the sensitive element relative to the base in the direction of the measuring axis, erased the reed resonator is electrically and mechanically connected to an electromechanical transducer, characterized in that the sensitive element consists of two parts with the possibility of moving them relative to each other and interconnected by elastic hinges and an inelastic element filling the gap formed between the parts of the sensitive element.
RU2003100256/28A 2003-01-04 2003-01-04 Resonator pickup RU2247993C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003100256/28A RU2247993C2 (en) 2003-01-04 2003-01-04 Resonator pickup

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003100256/28A RU2247993C2 (en) 2003-01-04 2003-01-04 Resonator pickup

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003100256A RU2003100256A (en) 2004-06-27
RU2247993C2 true RU2247993C2 (en) 2005-03-10

Family

ID=35365007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003100256/28A RU2247993C2 (en) 2003-01-04 2003-01-04 Resonator pickup

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2247993C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2477491C1 (en) * 2011-08-10 2013-03-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Resonator sensor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2477491C1 (en) * 2011-08-10 2013-03-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Resonator sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5514384B2 (en) Vibration micro-mechanical sensor for angular velocity
US6595054B2 (en) Digital angular rate and acceleration sensor
KR101823325B1 (en) Improved gyroscope structure and gyroscope
JP5449998B2 (en) System and method for hanging an inertial sensor that minimizes rotation of the proof mass
CA2734242C (en) High-resolution digital seismic and gravity sensor and method
JP6377892B2 (en) Vibration-insulated microelectromechanical system structure and manufacturing method thereof
JPS62191727A (en) Vibration beam type force converter
US20180209791A1 (en) Motion measurement devices and methods for measuring motion
US5289719A (en) Accelerometer with temperature compensation and matched force transducers
US5186053A (en) Temperature compensated proofmass assembly for accelerometers
AU753754B2 (en) Monolithic miniature accelerometer
RU2247993C2 (en) Resonator pickup
US6414416B1 (en) Monolithic vibrating rate gyro structure
RU2377575C2 (en) Frequency micro-mechanical accelerometre
EP1285229B1 (en) Vibrating structure comprising two coupled oscillators, in particular for a gyro
US20040016307A1 (en) Vibration isolation mechanism for a vibrating beam force sensor
RU2436106C2 (en) Linear acceleration frequency transducer
CN112730892A (en) Vibration beam structure and vibration beam accelerometer sensitive structure
Andò et al. Nonlinear behaviour of a micromachined SOI device for energy harvesting application
RU2444703C1 (en) Vibration gyroscope
SU1760462A1 (en) Three-component piezoelectric accelerometer
RU2415441C1 (en) Resonance transducer
RU2281515C1 (en) Resonator sensor
SU1742732A1 (en) Measuring vibration converter
SU940072A1 (en) Vibration pickup

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060105