УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ВИБРОДАТЧИК ЛИНЕЙНОГО И УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, использующимся для контроля и исследования линейных и угловых пространственных компонентов механических колебаний в задачах виброметрии, вибродиагностики и сейсмометрии.

В технике широко применяются датчики линейных и угловых колебаний по отдельности [1] . Однако при решении многих задач необходимо совместное измерение параметров этих компонентов, образующих, в частности, многомерную вибрацию. В таких случаях используются комплексные устройства, например, с включением гироскопов, торсиометров или же проводятся косвенные измерения - угловые ускорения могут быть вычислены по результатам измерений группы пространственно разнесенных датчиков линейного ускорения, которые в настоящее время развиты значительно лучше угловых датчиков, вообще отстающих в совершенствовании от потребностей измерительной техники.

Целью изобретения является универсализация датчика, способного измерять параметры и линейных, и угловых компонентов многомерной вибрации, с одновременным повышением точности этих измерений.

Известен способ совместного измерения линейного и углового компонентов многомерной вибрации путем сопоставления результатов измерений двумя одинаково направленными разнесенными линейными вибродатчиками инерционного действия. Выходной сигнал каждого такого датчика состоит из части, зависящей от линейного компонента вибрации вдоль оси чувствительности, и части, зависящей от углового компонента вокруг одной из осей, перпендикулярных оси чувствительности. При суммировании сигналов линейные части складываются, а угловые взаимно уничтожаются. При вычитании уничтожают линейные части, а угловые складываются [2, с. 78, ф-лы (2.84) и (2.85)]. Таким образом, задача решается в результате косвенного метода измерения, что ведет к возрастанию погрешностей.

С целью технического решения той же задачи в патенте США [3] вместо двух вибродатчиков используется пара пьезоэлектрических биморфных элементов, объединенных симметрично относительно общей материальной оси, совпадающей с осью чувствительности к линейному компоненту. Общий выходной электрический сигнал предлагается разделять на линейную и угловую части при помощи суммирующего и дифференциального усилителей. Это устройство принято за прототип.

Однако ему свойственны существенные недостатки. Повышение чувствительности хрупких пьезоэлектрических биморфных элементов за счет уменьшения толщины в условиях консольной конструкции, претепевающей деформацию изгиба, входит в противоречие с надежностью в отношении прочности и точностью в отношении линейности деформации изгиба. Чтобы не перегружать биморфные элементы в предложенной конструкции даже не используются сосредоточенные инерционные элементы, создающие опасные сосредоточенные механические напряжения. Отсутствие инерционных элементов снимает возможность их объединения для развития устройства в единый прибор, контролирующий все три линейных и три угловых компонента многомерной вибрации с общей "измеряющей" точкой [2]. Предложенная схема электрического включения биморфных элементов в действительности является лишь символической блок-схемой, так как на входы обоих усилителей подаются одни и те же частные сигналы уже после их смешения, так что схема неработоспособна и возможность осуществления изобретения в части одновременности измерений линейного и углового компонентов остается открытым.

В предлагаемом устройстве эти недостатки прототипа устранены благодаря использованию конструктивной схемы типа "тендем" [4].

Устройство состоит из пьезоэлектрических элементов, выполненных в виде пары одинаковых электрически последовательно соединенных продольно поляризованных пакетов пьезоэлектрических пластин с электродами, имеющими контакты, расположенных симметрично по обе стороны оси чувствительности к линейному ускорению, между опорой и инерционным элементом. Контакты выведены из кожуха для коммутации последовательности соединения пакетов между собой.

Такая конструктивная схема со сдвиговой деформацией пакетов, зажатых всей плоскостью между опорой и инерционным элементом, достаточно линейна и очень прочна. Контакты дают возможность измерений линейного и углового компонентов вибрации в необходимых комбинациях электрического соединения пакетов стационарно или с переключением как вручную, так и автоматически, а при помощи быстродействующего электронного переключателя - практически одновременно. Возможности изобретения существенно расширяются с введением дополнительных пар пакетов и инерционных элементов, что позволяет производить измерения вибрации объектов техники по шести степеням свободы - трем линейным и трем угловым с помощью одного прибора. Точностные характеристики устройства могут быть улучшены благодаря объединению инерционных элементов в один с общей измеряющей точкой.

На фиг. 1 и 2 приведены два варианта конструкции механической части; на фиг. 3 и 4 - соответственно схемы включения пьезопакетов при измерении линейного и углового ускорений; на фиг. 5 - схема выводов контактов от электродов универсального вибродатчика; на фиг. 6 - расположение трех пар пакетов многокомпонентного устройства. Схемы пригодны для обоих вариантов.

На фиг. 1 приведена конструкция выбродатчика в разрезе. Основание 1 переходит в крепежные стенки, между которыми расположены два одинаковых пакета продольно поляризованных пьезоэлектрических пластин 2 и 3 с плоскими электродами 4 и инерционным элементом 5, который может быть единым или согласно фиг. 2 разделенным на две одинаковые части 6, соединенные сквозной жесткой перемычкой 7. Основание 8 переходит в центральную крепежную опору. Возможные изоляционные прокладки не показаны. При использовании склейки деталей перемычка 7 может отсутствовать.

Количество, расположение и соединения пьезопластин в пакетах непринципиально, они определяются условиями эксплуатации. Для определенности принято по одной пластине в пакете с направлением поляризации, указанным светлой стрелкой (фиг. 3).

Электрические напряжения, снимаемые с электродов 4, выведены к контактам для коммутации 11 - 14. "Прямая" последовательность электрического соединения пакетов между собой, обеспечивающая измерение линейного ускорения, следует фиг. 3. Такое включение может осуществляться, например, соединительным проводником 15 между контактами 12 и 14. Воздействие относительного линейного ускорения на инерционный элемент, как указано темными стрелками (фиг. 3), вызывает одинаково направленные силы, одинаковые деформации сдвига пьезопакетов и одинаковое распределение зарядов, с условно показанными знаками на контактах 11, 12 и 14, 13. Снимаемый с контактов 11 и 13 суммарный выходной сигнал пропорционален линейному ускорению вибрации, контролируемого объекта в направлении оси Z.

При переключении последовательности электрического соединения с "прямой" на "обратную", с помощью проводника 15, замыкающего контакты 12 и 13 (фиг. 4), общая чувствительность устройства к линейному ускорению утрачивается вследствие взаимовычитания составляющих линейных сигналов. Однако при наличии углового компонента вибрации инерционный элемент совершает возвратно-поступательное угловое движение, вызывающее взаимно противоположные деформации пьезопакетов, как показано темными стрелками на фиг. 4, и соответствующее перераспределение знаков электрических зарядов. При этом благодаря произведенному переключению контактов общий сигнал суммируется согласно правилам знаков и снимается с контактов 11 и 14 в качестве меры углового ускорения контролируемого объекта вокруг оси Y, перпендикулярной чертежу.

Таким образом, изменение продольных деформаций двух параллельных пьезопакетов с одинаковых на взаимно противоположные позволяет использовать одну и ту же материальную часть в качестве линейного и углового вибродатчиков.

Возможно расположение пакетов 2 и 16 с взаимно противоположным направлением векторов поляризации (фиг. 5). В этом случае для измерения линейных компонентов используется соединение контактов 12 и 13 (фиг. 4), а для угловых компонентов - контактов 12 и 14 (фиг. 3).

Требуемое переключение можно производить заранее, стационарно, в производственных условиях внутри кожуха 9 или выводить контакты наружу, например, с помощью кабеля 10 (фиг. 5) с тем, чтобы в процессе эксплуатации пользователь мог сам по мере необходимости производить коммутацию и применять датчик в качестве универсального линейного и углового измерительного устройства, а также по целесообразности промышленную усилительную и другую электронную аппаратуру общего применения.

Возможна автоматическая прямая и обратная коммутации дистанционно с помощью настолько быстродействующего электронного переключателя 17 (фиг. 5), что оба прерывные выходные сигналы могут рассматриваться как непрерывные, а устройство - как измеряющее линейный и угловой компоненты практически одновременно, но порознь, по двум каналам.

Изобретение может иметь большое значение применительно к многокомпонентным устройствам, в общем кожухе которых содержатся два или три самостоятельных датчика 18, 19 и 20, ориентированных пространственно для измерения по двум или трем взаимно перпендикулярным направлениям (фиг. 6). Использование данного изобретения позволит применять материальную часть одного и того же устройства для измерения трех линейных и трех угловых компонентов многомерной вибрации. Благодаря этому вибрация контролируемого объекта, рассматриваемого как твердое тело с шестью степенями свободы - тремя поступательными и тремя угловыми, определяется полностью.

Точностные и эксплуатационные характеристики такого шестикомпонентного измерительного устройства могут быть существенно повышены при объединении всех трех инерционных элементов в общий инерционный элемент, центр инерции которого является единственной "измеряющей" точкой, что локализует "точку измерения" контролируемого объекта с большей точностью, чем устройство с тремя самостоятельными инерционными элементами. При этом целесообразны объединение и синхронизация электронных переключателей.

Осуществление изобретения в виде стационарно или поочередно реализуемых двух применений универсального вибродатчика линейного и углового ускорения следует из вышеизложенного описания и общей теории соответствующих устройств по отдельности, которая развита достаточно хорошо [1, 2]. Поэтому в первом приближении никаких дополнительных исследований фундаментальных вопросов не требуется.

Введение автоматической коммутации последовательности соединения пакетов пьезопластин при помощи электронного переключателя происходит без прерывания функционирования механической части, а возможное возникновение переходных процессов в прерываемой электрической цепи хорошо изучено и может быть нейтрализовано при правильном техническом осуществлении.

Объединение в одном кожухе трех пар пьзопластин и трех самостоятельных инерционных элементов для создания многокомпонентного измерительного устройства никаких препятствий к осуществлению не вызывает.

Дополнительное к этому объединение инерционных элементов в один общий инерционный элемент устраняет некоторые виды методических погрешностей измерения, но не исключает образования погрешностей других видов, учет и миниминизация которых определяются конструкцией общей колебательной системы. Вопрос хорошо изучен в связи с использованием сходных систем - акселерометров - в инерциальной навигации.

Приведенные данные подтверждают осуществимость изобретения.

Существенным признаком изобретения является применение одной и той же материальной части устройств типа "тендем" и расположения пакетов пьезопластин, последовательность электрического соединения которых между собой изменяет чувствительность устройства к линейному ускорению на чувствительность к угловому ускорению и обратно, что делает вибродатчик универсальным.

При всей кажущейся незначительности изменения схемы включения (фиг. 3 и 4) физическое содержание этого признака не тривиально, поскольку при обоих применениях измеряются различные физические величины, обладающие различными размерностями: для линейного ускорения - м•с^-2; для углового ускорения - рад•с^-2.

Поскольку устройства, предназначенные для измерения угловых виброускорений, хотя и широко используется в технике, но развиты недостаточно, то возможность использования для этой цели той же материальной части надежных и точных линейных устройств типа "тендем" должно рассматриваться как полезное средство изобретения, адекватно следующее из рассмотренного признака.

Другим существенным признаком является выведение из кожуха датчика наружу контактов для коммутации последовательности соединения пакетов между собой. Благодаря этому признаку совершенствуется полезное свойство универсальность: по желанию пользователя датчик легко переключается всего лишь взаимной равноправной коммутацией трех из четырех выведенных контактов от применения в качестве линейного к угловому и обратно.

Выведение контактов наружу от каждого из пакетов способствует использованию в разных комбинациях различной усилительной и другой электронной аппаратуры для решения задач виброизмерительной техники.

Следует считать существенным признаком введение быстродействующего электронного переключателя, который обеспечивает такое полезное свойство, как практическая одновременность по обоим применениям.

Также существенным признаком является использование датчика в составе многокомпонентного измерительного устройства. Применение изобретения в многокомпонентном, в частности трехкомпонентном устройстве, является не просто увеличением числа одновременно используемых одинаковых датчиков, а приводит к новому полезному свойству на качественном уровне. Достигается полнота и уточнение измерительной информации при помощи одного универсального прибора о многомерной вибрации контролируемого объекта техники, рассматриваемого как твердое тело по его шести степеням свободы - трем линейным и трем угловым.

Единству изобретения способствует возможность объединения инерционных элементов и электронных переключателей.

Ни одним из указанных полезных свойств прототип не обладает, так что эти свойства характеризуют сверхэффект, обязанный приведенным существенным признакам.

В целом, совокупность свойств изобретения на универсальный вибродатчик линейного и углового ускорения полезна для достижения технического результата в отношении поставленной цели: универсализация устройства и повышения точности измерения вибрации.

Источники информации
1. Вибрации в технике. М.: Машиностроение 1981, т. 5, гл. VII и IX.

2. Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1963.

3. Патент США N 4996878, кл. G 01 P 15/09, заявл. 05.03.91.

4. Авт. св. СССР N 150714, кл. 42 о, 17, заявл. 29.01.62.

Использование: в измерительной технике, применительно к виброметрии, вибродиагностике и сейсмометрии. Сущность изобретения: переключение между собой последовательности соединения двух пакетов пьезопластин, претерпевающих сдвиговую деформацию, переводит такой датчик без изменений материальной части от восприятия линейных компонентов к угловым, что делает датчик универсальным. При выводе из кожуха датчика четырех коммутационных контактов, связанных с электродами пьезопакетов, их прямое и обратное переключения могут выполняться пользователем поочередно. Применение быстродействующего электронного переключателя делает измерения практически одновременными. Использование трех (именно трех) таких самостоятельных или частично объединенных датчиков в составе многокомпонентного устройства дает возможность измерения ускорения трех линейных и трех угловых компонентов многокамерной вибрации по всем шести степеням свободы контролируемого объекта, принимаемого на твердое тело, при помощи одного универсального устройства. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Универсальный вибродатчик линейного и углового ускорений пространственных компонентов вибрации, содержащий кожух и размещенные в нем пьезоэлектрические элементы, отличающийся тем, что пьезоэлектрические элементы выполнены в виде пары одинаковых электрически последовательно соединенных продольно поляризованных пьезоэлектрических пластин с электродами, имеющими контакты, расположенных симметрично по обе стороны оси чувствительности к линейному ускорению между опорой, переходящей в основание, и инерционным элементом или его частями, а контакты выведены из кожуха для коммутации последовательности соединения пакетов между собой. 2. Вибродатчик по п.1, отличающийся тем, что введен электронный переключатель для коммутации последовательности соединения пакетов между собой. 3. Вибродатчик по п.1, отличающийся тем, что в кожухе дополнительно размещены инерционные элементы, опоры, переходящие в основания и расположенные между соответствующими опорой и инерционным элементом или его частями симметрично по обе стороны соответствующей оси чувствительности к линейному ускорению пары одинаковых электрически последовательно соединенных пакетов продольно поляризованных пьезоэлектрических пластин с электродами, имеющими контакты, выведенные из кожуха, а также введены электронные переключатели для коммутации последовательности соединения пакетов между собой, при этом ось чувствительности каждый пары пакетов пьезоэлектрических пластин перпендикулярна осям чувствительности остальных пар, а электронные переключатели обобщены или синхронизированы. 4. Вибродатчик по п.3, отличающийся тем, что инерционные элементы объединены. 5. Вибродатчик по п.1, отличающийся тем, что пакеты пьезоэлектрических пластин соединены между собой стационарно.