ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1994 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим акселерометрам, предназначенным для измерения вибрационных и ударных ускорений.

Известны пьезоэлектрические акселерометры, чувствительные элементы которых работают на сдвиг. Классические схемы таких акселерометров содержат либо кольцевые (цилиндрические) пьезоэлементы, жестко закрепленные по внутреннему диаметру и нагруженные по внешнему диаметру, либо плоские пьезоэлементы, расположенные по обе стороны от ножевой опоры и нагруженные по внешней плоскости. Известные сдвиговые конструкции, как правило, обеспечивают сравнительно высокий коэффициент преобразования, низкий относительный коэффициент поперечного преобразования, но имеют малую собственную электрическую емкость и относительно низкую резонансную частоту.

Известен пьезоэлектрический акселерометр, в котором пьезоэлемент выполнен в виде тонкостенного усеченного конуса, размещен в основании, имеющем выборку той же формы, и нагружен массой в форме усеченного конуса, размещенного на внутренней конусной поверхности пьезоэлемента [1].

Недостатками акселерометра являются ограниченный диапазон измерений из-за отсутствия предварительного поджатия пьезоэлемента, сложная технология изготовления.

Известен также пьезоэлектрический акселерометр - тандем датчик, содержащий основание, на котором размещены пьезокерамические пластины и инерционный элемент между ними, закрепленные в V-образной упругой скобе с плоскими параллельными крыльями, связанной с основанием через ножевую опору. Инерционный элемент состоит из двух одинаковых тел цилиндрической формы, каждое из которых склеено с пьезокерамическими пластинами [2]. Устройство позволяет повысить помехоустойчивость путем точной балансировки, однако не обеспечивает достаточного диапазона измерений виброускорения и трудоемко в изготовлении.

Цель изобретения - расширение частотного и динамического диапазона и упрощение технологии изготовления пьезокерамического акселерометра.

Цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем основание, в котором выполнен паз, на боковых стенках которого, параллельных одна другой и рабочей оси акселерометра, расположены пьезоэлементы, а инерционная масса установлена между пьезоэлементами с обеспечением поджатия последних к стенкам паза, инерционная масса выполнена в виде прямоугольной призмы, образованной двумя полуклиньями.

Подобное выполнение позволяет реализовать конструкцию пьезоакселерометра сдвигового типа с предварительным поджатием пьезоэлементов, что обеспечивает резкое увеличение динамического диапазона и одновременно упрощает технологию изготовления, так как позволяет не предъявлять жестких требований к точности изготовления пьезоэлементов по толщине благодаря возможности компенсировать эту неточность за счет выполнения инерционной массы в виде двух полуклиньев, плоскопараллельные стороны которых обращены к пьезоэлементам.

Поджатие пьезоэлементов достигается без применения дополнительных винтов, болтов или шпилек, что позволяет снизить габариты и массу и одновременно повысить резонансную частоту, а, следовательно, расширить частотный диапазон акселерометра.

Простота конструкции чувствительного узла дает возможность в процессе изготовления и контроля параметров акселерометра регулировать чувствительность путем подгона размеров инерционной массы (простого удаления некоторой ее части).

На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический акселерометр, сечение вдоль рабочей оси; на фиг.2 - то же, поперечное сечение.

Пьезоэлектрический акселерометр состоит из основания 1, являющегося также корпусом устройства, пьезоэлементов 2 и инерционной массы 3. Пьезоэлементы 2 выполнены в виде двух плоских призм и размещены на параллельных друг другу и рабочей оси акселерометра стенках паза, выполненного в основании 1. Инерционная масса 3 в виде прямоугольной призмы, образованной двумя встречно-направленными полуклиньями, размещена между пьезоэлементами 2, поджимая последние к стенкам паза. К инерционной массе 3 припаяна центральная жила кабеля 4, а экран кабеля - к штуцеру 5. Чувствительный узел акселерометра защищен экранирующим колпачком 6, который приварен к основанию 1.

Устройство работает с использованием сдвиговой деформации пьезоэлектрических элементов. Пьезоэлементы 2, прижатые к боковым стенкам паза основания, под действием размещенной между ними инерционной массы 3 испытывают срезывающие усилия. Полезным сигналом акселерометра является знакопеременный электрический сигнал, пропорциональный деформации пьезоэлементов, а, следовательно, измеряемому ускорению.

Динамический диапазон акселерометра с пьезоэлементами размером 3х3,5 мм из пьезокерамики ЦТС-26 превышает 5х10⁵ м˙с^-2 при резонансной частоте 120 кГц.

Использование: изобретение относится к виброизмерительной технике, позволяет расширить частотный и динамический диапазоны пьезоэлектрического акселерометра и упростить технологию его изготовления. Сущность изобретения: акселерометр содержит основание, пьезоэлементы и инерционную массу. Плоские пьезоэлементы размещены на боковых, параллельных рабочей оси акселерометра, стенках паза, выполненного в основании, и поджаты к стенкам паза инерционной массой в виде прямоугольной призмы, образованной двумя полуклиньями и установленной между пьезоэлементами. 2 ил.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий основание, в котором выполнен паз, на боковых стенках которого, параллельных одна другой и рабочей оси акселерометра расположены пьезоэлементы, а инерционная масса установлена между пьезоэлементами с обеспечением поджатия последних к стенкам паза, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного и динамического диапазонов и упрощения технологии изготовления, инерционная масса выполнена в виде прямоугольной призмы, образованной двумя полуклиньями.