ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1998 года по МПК G01P15/09 G01H11/08 

Изобретение относится к области измерительной техники, а конкретно к пьезоэлектрическим акселерометрам, в которых элементом преобразования механических колебаний в электрический сигнал является пьезоэлектрический материал и которые могут быть использованы для измерения вибрации машин.

Известны пьезоэлектрические акселерометры с изгибным пьезоэлементом [1], в котором биморфный чувствительный элемент закреплен на основании и нагружен массой на свободном конце.

Путем коммутации двух биморфных пьзоэлементов добиваются у них чувствительности к крутильным колебания или наоборот - повышают чувствительность к крутильным колебаниям.

Недостатком данных акселерометоров является низкая резонансная частота и малая прочность, что приводит к ограниченности их применения, а именно, только для измерения низкочастотных колебаний и при невысоких динамических нагрузках.

Кроме того, большим недостатком данных акселерометров является низкая помехозащищенность, как в смысле электрическом (низкая электрическая емкость и закороченность внешних электродов), так и от воздействия температур и деформационных влияний из-за непосредственного механического контакта изгибного элемента с основанием и с измеряемым объектом. А также возникают дополнительные резонансы и снижается механическая прочность крепления из-за вывешивания чувствительного узла на шпильке.

Известны акселерометры с изгибным элементом [2], в котором чувствительный узел установлен на основании с помощью ножевой опоры из теплозащитного материала, например кварца.

Недостатком данного акселерометра, в дополнении к уже описанным, является трудность изготовления кварцевой пластинки и соединения ее с двумя основными элементами акселерометра - основанием и с чувствительным узлом.

В результате в массовом производстве данный акселерометр не производят.

Ближайщим аналогом к предлагаемому акселерометру является акселерометр [3] , содержащий две консольные пластины с двойными биморфными элементами, жестко и симметрично закрепленными с противоположных сторон основания.

Недостатком данного акселерометра является низкая резонансная частота, характерная для изгибных конструкций, нагруженных на свободном конце консоли (или по радиусу - для круглых биморфов) и низкая механическая (динамическая) прочность, обусловленная концентрацией напряжений, возникающих ориентировочно на расстоянии 0,7 длины консоли от ее свободного конца, кроме того, динамический диапазон резко снижается при увеличении массы нагрузки, что также приводит к снижению резонансной частоты. Отсутствие в данном акселерометре изоляции пьзоэлента от исследуемого объекта приводит к дополнительной погрешности, как со стороны деформационного влияния на чувствительный узел, так и с электрической стороны в виде электромагнитных помех, особенно, в области низких частот.

Целью изобретения является повышение коэффициента преобразования, резонансной частоты и помехозащищенности.

Поставленная цель в предложенном пьезоэлектрическом акселерометре, содержащим монтажное основание, чувствительный изгибный элемент и электрические выводы для подключения акселерометра, например, к системе измерения вибрации, достигается тем, что на монтажном основании съемно закреплены герметичный защитный полый корпус и поперечно плоскости основания через диэлектрическую теплозащитную втулку осевая опора под чувствительный изгибный элемент, который введен во внутреннюю полость корпуса и выполнен в виде нижней токосъемной панели и верхней одной или нескольких пар полиморфных пьэзоэлементов, насаженных на опоре в ее поперечной плоскости с верхним поджимным ограничителем положения пар, при этом каждая, насаженная на опору, пара полиморфных пьезоэлементов выполнена в виде дисков и установленной между ними клеммы, например, концентрично установленные на опоре втулки, одну - внутреннюю диэлектрическую, и вторую наружную распорную электросоединительную, причем токосъемная панель электрически связана с клеммой каждой пары полиморфных пьзоэлементов и с выводами акселерометра, установленными в защитном экране, дополнительно закрепленном на основании.

При этом поставленная цель достигается тем, что осевая опора выполнена в виде шпильки с опорно-несущим фланцем, который поджат к основанию и на котором уложены пары пьезоэлементов, а поджимной ограничитель пар выполнен в виде установленной на шпильке гайки, при этом диэлектрическая теплозащитная втулка снабжена резьбовыми поверхностями, одна из которых выполнена на наружной образующей поверхности под ответное отверстие в основании, а другая - в отверстии втулки под шпильку.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что токосъемная панель выполнена в виде диска из диэлектрического материала с контактными площадками в виде концентричных колец и со сквозным отверстием под каждым кольцом, в которые введены поджатые к кольцам контакты для электрической связи чувствительного изгибного элемента с выводами.

А также, поставленная цель достигается тем, что нижняя токосъемная панель установлена на фланце шпильки или под фланцем на основании.

Анализ отличительных признаков предлагаемого пьезоэлектрического акселерометра и обеспечиваемых ими технических результатов показал, что:
съемное крепление на основании корпуса и внутри него через теплозащитную диэлектрическую втулку осевой опоры изгибного элемента обеспечивает повышение помехозащищенности, что приводит к повышению коэффициента преобразования, и улучшает условия монтажа и обслуживания путем полного доступа к частям изгибного элемента; насаженные на осевую опору полиморфные пьезоэлементы в виде дисков с клеммой между ними обеспечивает повышение коэффициента преобразования без увеличения радиуса пьезоэлемнтов с одновременным резким снижением резонансной частоты т.е. обеспечивает сочетание достаточно высокой резонансной частоты и высокого коэффициента преобразования;
электрическая связь (наружная втулка клеммы пар - контактное кольцо на панели и второе кольцо с осевой опорой - поджатые к кольцам контакты выводов), а также экран выводов обеспечивает снятие и передачу измеренного сигнала в систему без искажений;
ограничитель положения пар на осевой опоре обеспечивает плотность контакта электросвязи пьезоэлементов и качество снятия и передачи сигнала пропорционально импульсу вибрации;
форма выполнения ограничителя (гайка) обеспечивает простоту изготовления, монтажа и эксплуатации;
форма осевой опоры (шпилька с опорно-несущим фланцем) дает устойчивое положение изгибного элемента во время эксплуатации, что повышает помехозащищенность и качество выработки сигнала.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен пьезоэлектрический акселерометр в продольном разрезе.

Акселерометр содержит металлическое основание 1, в центре которого посредством резьбового соединения закреплена втулка 2 из диэлектрического материала с малой теплопроводностью. Во втулке 2 по оси выполнено резьбовое отверстие, в котором перпендикулярно продольной плоскости основания 1 съемно закреплена осевая опора 3, выполненная в виде шпильки с опорно-несущим фланцем.

На фланце шпильки 3 уложены насаженные на тело шпильки, части чувствительного элемента, содержащего полиморфные пьезоэлементы 4, 5, 6, 7, выполненные, каждый, в виде пары параллельных дисков с центральным отверстием под шпильку.

В чувствительный элемент входит одна или несколько пар полиморфных изгибных пьезоэлементов 4 - 7, установленных одна над другой и поляризованных зеркально относительно друг друга.

В каждой паре пьзоэлементов 4 - 7 между дисков установлена клемма, включающая втулки - наружную 8 (9) для электроподключения дисков пар и для распорки (ограничения положения) дисков, а также внутренняя втулка 10 (11) для электроизоляции втулки 8 (9) от шпильки 3.

Между парами пьезоэлементов 4 - 7 установлена металлическая втулка 12 для электросвязи пар со шпилькой 3.

Ниже пар пьезоэлементов 4 - 7 установлена токосъемная панель 13. Панель 13 может быть уложена на опорно-несущий фланец шпильки 3 или на основание 1. При укладке панели 13 на фланец упрощается электромонтаж изгибного элемента и панели 13, а при укладке ее на основание 1 повышается эксплуатационная надежность передачи сигнала пропорционального импульсу вибрации, снимаего с исследуемого объекта.

В верхней части опоры 3 (шпильки) установлен поджимной ограничитель 14 положения пар 4 - 7, который выполнен в виде гайки.

Нижняя панель 13 выполнена в виде диэлектрического диска с закрепленными на нем контактными площадками, которые выполнены в виде внутреннего 15 и наружного 16 концентричных колец.

Наружное кольцо 16 посредством проводов (см. черт.) электрически связано с наружными электросоединительными втулками 8 (9) клемм каждой пары пьезоэлементов 4 - 7, а внутреннее кольцо 15 поджато с возможностью электроконтакта к опоре 3 (шпильке).

В теле диска панели 13 выполнены (условно не показанные) сквозные отверстия под каждым кольцом 15 и 16 по одному. В каждое сквозное отверстие диска панели 13 введен поджатый к соответствующему кольцу 15, 16 контакт (условно не показан) электрических выводов 17 или 18, предназначенных для включения акселерометра в систему измерения вибрации.

Электрические выводы 17 и 18 заключены в защитный экран 19, выполненный в виде оплетки и втулки (см. черт.) и закрепленный на основании 1.

На основании 1 посредством резьбового соединения (выполненного вокруг втулки 2) закреплен полый герметичный защитный корпус 20, во внутреннюю полость которого введен чувствительный элемент со всеми составляющими частями 3 - 16.

Монтируют акселерометр в следующем порядке.

Первоначально по отдельности подготавливают основание 1 и чувствительный элемент. При этом в основание 1 вворачивают втулку 2 и во внутренний канал основания 1 вводят кабель с предварительно припаянными выводами 17 и 18 и их контакты, устанавливая выводы 17 и 18 под защитой экрана 19, а их контакты рядом с втулкой 2 с возможностью последующего поджатия к кольцам 15 и 16.

Подготовку чувствительного элемента осуществляют двумя путями, первый - на опору 3 (шпильку) последовательно насаживают укладывая на фланец панель 13 и пары пьезоэлементов 4 - 7 с клеммами, электрически соединяя их втулки 8 (9) с кольцом 16 панели 13, и стягивают гайкой 14, второй путь - панель 13 закрепляют на основании 1, а пары 4 - 7 аналогично насаживают на шпильку 3 и стягивают гайкой 14.

После этого опору 3 вворачивают до упора фланцем во втулку 2.

При подготовке чувствительного элемента обоими путями панель 13 устанавливают сквозными отверстиями над контактами выводов 17 и 18, обеспечивая поджатие контактов к кольцам 15 и 16. Провода втулок 8(9) при креплении панели 13 на основании 1 припаивают к кольцу 16. Затем защитный корпус 20 привертывают на основании 1, обеспечивая защиту чувствительного элемента.

После этого, акселерометр монтажными отверстиями (см. черт.) в основании 1 закрепляют на объекте исследования, а выводы 17 и 18 акселерометра подключают к системе измерения.

Работает акселерометр следующим образом:
Вибрация работающего исследуемого объекта передается парам 4 - 7 пьезоэлементов, в которых возникает электрический заряд в результате изгиба дисков пар, пропорциональный импульсу вибрации. Данный заряд от втулок 8(9) клемм поступает на кольцо 16 панели 13 и через шпильку 13 - на кольцо 15 панели, далее от колец 15 и 16 через контакты - на выводы 17 и 18. Так как диски полиморфных пьезоэлементов 4 - 7 поляризованы зеркально, то заряды оказываются однознаковыми и суммируются по величине.

Во время работы акселерометра корпус 20, экран 19 и втулка 2 обеспечивают защиту вырабатываемого и передаваемого заряда от электрических, температурных и механических помех, при этом большая собственная электрическая емкость акселерометра позволяет передать без искажений сигнальный заряд на значительное расстояние без искажений.

Таким образом, предложенный пьезоэлектрический акселерометр обеспечивает повышение коэффициента преобразования, резонансной частоты и помехозащищенности снимаемого сигнала.

Акселерометр предназначен для измерения вибрации машин. На основании съемно закреплены защитные корпус и по оси втулка с осевой опорой под чувствительный элемент, который введен в корпус и выполнен в виде насаженных на опору токосъемной панели и пар полиморфных пьезоэлементов. Каждая пара выполнена в виде дисков с установленной между ними клеммой, при этом панель снабжена коль-цами, которые электрически связаны с выводами и одно кольцо - с клеммами пар, а другое - через опору с дисками пьезозлементов. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий монтажное основание, чувствительный изгибный элемент и электрические выводы для подключения акселерометра, отличающийся тем, что на монтажном основании съемно закреплены герметичный полый защитный корпус и поперечно плоскости основания через диэлектрическую теплозащитную втулку осевая опора под чувствительный изгибный элемент, который введен во внутреннюю полость корпуса и выполнен в виде нижней токосъемной панели и верхней одной или нескольких пар полиморфных пьезоэлементов, насаженных на опоре в ее поперечной плоскости с верхним поджимным ограничителем положения пар, при этом каждая насаженная на опору пара полиморфных пьезоэлементов выполнена в виде дисков и установленной между ними клеммы, включающей концентрично установленные на опоре втулки, одну - внутреннюю диэлектрическую, и вторую - наружную электросоединительную распорную, причем токосъемная панель электрически связана с клеммой каждой пары полиморфных пьезоэлементов и с выводами акселерометра, установленными в защитном экране, дополнительно закрепленном на основании. 2. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что осевая опора выполнена в виде шпильки с опорно-несущим фланцем, который поджат к основанию и на котором уложены пары пьезоэлементов, поджимной ограничитель положения пар выполнен в виде установленной на шпильке гайки, при этом диэлектрическая теплозащитная втулка снабжена резьбовыми поверхностями, одна из которых выполнена на наружной образующей поверхности под ответное отверстие в основании, а другая - в отверстии втулки под шпильку. 3. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что токосъемная панель выполнена в виде диска из диэлектрического материала с контактными площадками в виде концентричных колец и со сквозным отверстием под каждым кольцом, в которую введены поджатые к кольцам контакты для электрической связи чувствительного изгибного элемента с выводами. 4. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что нижняя токосъемная панель установлена на фланце шпильки или под фланцем на монтажном основании.