ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к пьезоэлектрическим акселерометрам, предназначенным для эксплуатации в условиях, связанных с ударными перегрузками, при затруднении или невозможности применения акселерометров с использованием арретирования, и может быть использовано в сейсмологии, вибродиагностики и других областях техники.

Известны пьезоэлектрические акселерометры с использованием арретирования, которые позволяют совместить высокую ударопрочность с высокой чувствительностью. Однако такие акселерометры не нашли широкого применения в связи с большой сложностью конструкции, большими габаритами по сравнению с акселерометрами без использования арретирования и высокой стоимостью из-за сложности изготовления [1].

Известен пьезоэлектрический акселерометр, содержащий чувствительный элемент, выполненный из пьезокерамики, выполняющий также функцию инерционной массы [2].

Известна также конструкция, содержащая корпус, чувствительный элемент, инерционную массу, позволяющая получить высокую чувствительность, однако, обладающая недостаточной ударопрочностью [3].

Сущность изобретения состоит в том, что в конструкцию пьезоэлектрического акселерометра, содержащего корпус, чувствительный элемент, вводится упругий элемент, который выполнен в виде оболочки из диэлектрического материала, охватывающей всю поверхность чувствительного элемента, причем упругий элемент закрепляется на основании корпуса, чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала связностью 3-3, одна из фаз которого является газообразной средой, а толщина оболочки удовлетворяет соотношению:
10 ˙ E_m ˙ h_k/E_k<d<0,01 м, где E_m - модуль Юнга материала оболочки;
h_k - высота чувствительного элемента;
E_k - модуль Юнга пьезокерамики, а также при сохранении указанных отличий в том, что чувствительный элемент выполнен в виде кольца, а акселерометр содержит втулку, расположенную по оси акселерометра в отверстии чувствительного элемента и закрепленную между основанием и крышкой корпуса.

Изобретение направлено на создание пьезоэлектрического акселерометра с повышенной ударопрочностью при сохранении высокой чувствительности.

В известной конструкции [3] высокая чувствительность акселерометра достигается за счет увеличения инерционной массы, что приводит при воздействии на акселерометр ускорения к увеличению механического напряжения в пьезоэлементе и, следовательно, к снижению ударопрочности. Поэтому увеличить ударопрочность акселерометра при сохранении чувствительности в рамках известной конструкции не представляется возможным. Предлагаемая конструкция позволяет создать условия для повышения ударопрочности акселерометра при сохранении его чувствительности.

Такими условиями являются:
- выполнение чувствительного элемента из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-2, одна из фаз которого является газообразной средой;
- введение упругого элемента в виде прилегающей к поверхности чувствительного элемента оболочки из диэлектрического материала.

Чувствительность акселерометра по напряжению пропорциональна пьезомодулю g₃₃ пьезоматериала, высоте чувствительного элемента и отношению действующей на него силы к его площади и действующему ускорению. Ударопрочность акселерометра ограничивается допустимым значением действующей на единицу поверхности чувствительного элемента силы, которое определяется прочностными характеристиками материала, из которого изготовлен чувствительный элемент, и равномерностью распределения этой силы.

В предложенной конструкции пьезоэлектрического акселерометра удается достичь увеличения ударопрочности при сохранении той же чувствительности за счет:
- увеличения значения пьезомодуля g₃₃ и уменьшения плотности ρ пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, одна из фаз которого является газообразной средой, по сравнению с обычной пьезокерамикой, что позволяет без потери чувствительности снизить силу, действующую на чувствительный элемент;
- увеличения допустимого значения силы, действующей на единицу поверхности чувствительного элемента, выполненного из указанного материала, при введении в конструкцию акселерометра упругого элемента в виде охватывающей всю поверхность чувствительного элемента оболочки из диэлектрического материала за счет уменьшения неоднородности механических напряжений, обусловленных микронеровностями поверхности чувствительного элемента и основания, армирования чувствительного элемента оболочкой;
- уменьшения деформаций чувствительного элемента, а следовательно, и механических напряжений в нем, за счет существенно меньшей жесткости оболочки по отношению к жесткости чувствительного элемента.

При этом толщина оболочки должна быть таковой, чтобы она обеспечивала снижение механических напряжений в чувствительном элементе, что практически выполняется при удовлетворении соотношению:
10˙ E_m ˙ h_k/E_k<d<0,01 м.

Введение в конструкцию акселерометра втулки позволяет повысить ударопрочность акселерометра в поперечном направлении.

Конструкция пьезоэлектрического акселерометра представлена на фиг. 1 и состоит из чувствительного элемента 1, выполненного в виде диска, упругого элемента 2, выполненного в виде охватывающей всю поверхность чувствительного элемента оболочки и корпуса 3, на поверхности основания которого закреплен упругий элемент.

Второй вариант конструкции пьезоэлектрического акселерометра представлен на фиг. 2 и состоит из чувствительного элемента 1, выполненного в виде кольца, упругого элемента 2, выполненного в виде охватывающей всю поверхность чувствительного элемента оболочки, и корпуса 3, на поверхности основания которого закреплен упругий элемент, и втулки 4, расположенной по оси акселерометра в отверстии чувствительного элемента, и жестко закрепленной между основанием и крышкой корпуса.

Чувствительный элемент, состоящий из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, реализован выжиганием органических наполнителей. Упругий элемент выполнен нанесением на чувствительный элемент виксинта. Втулка выполнена из текстолита и приклеена к основанию эпоксидным клеем. Сборка акселерометров произведена в атмосфере (воздухе). Чувствительность акселерометров составила от 30 до 60 мВ/м ˙ с^-2, при этом они выдерживали ударные ускорения порядка 7 тыс. g длительностью около 0,4 мс, что в несколько раз превышало ударопрочность конструкции [3] с такой же чувствительностью.

Использование: измерительная техника, а именно пьезоэлектрические акселерометры, предназначенные для эксплуатации в условиях, связанных с ударными перегрузками, при затруднении или невозможности применения акселерометров с использованием арретирования, и может применяться в сейсмологии, вибродиагностике и других областях техники. Сущность изобретения: пьезоэлектрический акселерометр содержит корпус, чувствительный элемент из пьезокомпозиционного материала связностью 3 - 3, одна из фаз которого является газообразной средой, и упругий элемент, выполненный в виде оболочки из диэлектрического материала, охватывающей всю поверхность чувствительного элемента, и закрепленный на основании корпуса. Акселерометр также содержит втулку, расположенную по оси акселерометра в отверстии чувствительного элемента, выполненного в виде кольца, и закрепленную в корпусе между его основанием и крышкой корпуса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус, чувствительный элемент с электродами, отличающийся тем, что он содержит упругий элемент, выполненный в виде охватывающей поверхность чувствительного элемента оболочки из диэлектрического материала, причем упругий элемент закреплен на основании корпуса, чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала связностью 3 - 3, одна из фаз которого является газообразной средой, а толщина d оболочки удовлетворяет соотношению
10·E_m·h_k/E_k< d < 0,01 м,
где E_m - модуль Юнга материала оболочки;
h_k - высота чувствительного элемента;
E_k - модуль Юнга пьезокерамики. 2. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде кольца, а акселерометр содержит втулку, расположенную по оси акселерометра в отверстии чувствительного элемента и закрепленную между основанием и крышкой корпуса.