ИНФРАНИЗКОЧАСТОТНЫЙ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УСКОРЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01V1/16 G01P15/09 

Изобретение относится к сейсмометрии, в частности к устройствам для преобразования сейсмических колебаний в электрические сигналы, а также может быть использовано для измерения вибрации сооружений и конструкции.

Известен трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик, который представляет собой три однокомпонентных датчика, объединенных в одном корпусе. Это сложное дорогостоящее устройство, обладающее значительной массой и габаритами (авт. св. N 1057910, G 01 V 1/16, публ. 30.11.83 г., б. N 14).

Известен трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр, содержащий три пары пьезоэлементов, оси чувствительности которых расположены по трем взаимно-перпендикулярным направлениям, систему центровки инертной массы с толкателями и пружинами. Это устройство сложно в изготовлении и при настройке, неустойчиво в работе, имеет низкую точность измерений (авт. св. N 397868, МКИ G 01 V 1/16, публ. 17.09.73, БИ N 37).

Наиболее близким к заявляемому устройству, прототипом, является трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик ускорений, содержащий корпус, жидкостную инертную массу, в этом устройстве пьезоэлектрические пластины расположены попарно по нормали к трем ортогональным осям, ограничивая полость, заполненную под давлением жидкостью (авт. св. N 188767, G 01 P, публ. 10.12.66 г. БИ N 22).

К недостаткам этого устройства относится низкая точность измерений вследствие отсутствия надежного механизма термокомпенсации, т.к. порядок коэффициентов объемного расширения металлического корпуса, деталей к нему примыкающих, частично выполняющих роль термокомпенсационных элементов, и жидкостной инертной массы, разный. В результате датчик работает в очень узком температурном диапазоне. Эксплуатация его в более широком диапазоне приводит к значительным нелинейным искажениям в работе пьезопреобразователей. К недостаткам следует отнести большое значение поперечной, "паразитной", чувствительности в неизмеряемых направлениях. Точность измерений снижается из-за взаимных влияний компонент вибрации по общей электрической линии, соединяющей одну из обкладок пьезоэлементов (фиг. 2 прототипа).

Острорезонансный характер АЧХ прототипа, связанный с отсутствием требуемого затухания, приводит к снижению надежности датчика и точности измерения.

Задачей заявляемого технического решения является повышение его точности и надежности, а также расширение температурного и частотного диапазона.

Поставленная задача решается следующим образом.

В инфранизкочастотном трехкомпонентном пьезоэлектрическом датчике ускорений, содержащем корпус, жидкостную инертную массу и пьезопреобразователи, расположенные по нормалям к трем ортогональным осям, введены термокомпенсаторы, а жидкостная инертная масса заключена в отдельных полостях, выполненных в корпусе по трем ортогональным осям, причем каждая из полостей ограничена с одной стороны пьезопреобразователем, состоящим из пьезоэлемента, установленного на мембране, изолированной от корпуса диэлектрической прокладкой, а с противоположной - термокомпенсатором, выполненным в виде упругого элемента, при этом каждый преобразователь и термокомпенсатор образует воздушный зазор с корпусом, в котором выполнено отверстие, выравнивающее давление, а полости, в которых заключена жидкостная инертная масса, связаны между собой каналами, эффективные сечения которых выбраны из условия

где r_L - радиус сечения канала;
L - длина канала;
R - радиус сечения полости;
μ _ динамическая вязкость жидкости;
W_р - круговая частота резонансных колебаний;
m - масса жидкости в полости и канале;
r_кап - радиуса сечения капилляра канала;
K - жесткость мембраны и упругого элемента.

Отличительными признаками устройства являются:
жидкостная инертная масса заключена в полостях, выполненных в корпусе по трем ортогональным осям, причем в качестве корпуса может быть выбрана любая геометрическая форма тела вращения, в которой возможно выполнить полости, если при этом не нарушается монолитность корпуса, выполненного в виде одной детали. Допускается возможность использования технологии литья корпуса, что упрощает процесс изготовления датчика;
- введение термокомпенсатора уменьшает статический температурный прогиб мембраны с пьезопреобразователем, что снижает нелинейные искажения, повышает точность измерения, расширяет рабочий температурный диапазон;
- выполнение пьезопреобразователя в виде упругой мембраны, связанной с пьезоэлементом в виде тонкой пластины, позволяет расширить диапазон рабочих частот в область инфранизких частот, увеличить его чувствительность, приблизив ее к чувствительности биоморфа;
- для защиты пьезоэлемента от акустических и электрических помех каждый пьезопреобразователь и термокомпенсатор образует воздушный зазор с корпусом, в котором выполнено отверстие, выравнивающее давление, что позволяет также исключить искажения, связанные с перепадом давления воздуха от температуры, а для исключения взаимных влияний компонент вибрации пьезопреобразователи изолированы от корпуса посредством диэлектрических прокладок;
- введение каналов, связывающих полости, выполненных с условием (1), позволяет скорректировать амплитудно-частотную характеристику в сторону ее расширения, снизить влияние резонансной частоты и частот, к ней примыкающих, на полезный регистрируемый сигнал, повысить надежность датчика, уменьшить поперечную чувствительность.

Из изученной научно-технической и патентной литературы не известно о существовании технического решения с перечисленной совокупностью признаков. Это дает основание сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критериям изобретения.

На чертеже представлен один из вариантов общего вида инфранизкочастотного трехкомпонентного пьезоэлектрического датчика ускорения с корпусом в виде куба. В разрезе показаны две компоненты вибрации - X и Z компоненты.

В датчике на чертеже жидкостная инертная масса 1 заключена в полостях 2 и каналах 3, выполненных в корпусе 4 по трем ортогональным осям. Каждая из полостей 2 ограничена с одной стороны термокомпенсатором 5, выполненным в виде колпачковой мембраны 6 с установленным на ней пьезоэлементом 7, изолированным от корпуса 4 диэлектрической прокладкой 8. Для заполнения полостей 2 жидкостью в корпусе выполнено технологическое отверстие 9, в котором установлен винт-заглушка 10. Воздушные зазоры 11, образованные в соответствующих полостях пьезопреобразователем и термокомпенсатором, сообщаются с окружающей средой посредством отверстий 12, выполненных над ними в корпусе 4.

Работает датчик следующим образом. При перемещении корпуса 4 вместе с объектом, на котором он установлен, жидкостная инертная масса 1 в силу своих инерционных свойств начинает перемещаться относительно корпуса 4 в полостях 2 и каналах 3 и воздействует на упругие элементы термокомпенсаторов и пьезопреобразователей, заставляя их деформироваться, прогибаться. В результате на обкладках пьезоэлементов 7 образуется напряжение, определенным образом характеризующее входное воздействие. Если входной сигнал действует строго вдоль одной из компонент вибрации, то жидкость, движущаяся в канале, захватывает жидкость соседних каналов, что приводит к возникновению паразитного сигнала на пьезопреобразователях в неизмеряемых направлениях. Однако величина этого сигнала в предлагаемом устройстве меньше, чем у прототипа, и определяется малым сечением выбираемого канала и должно быть меньше сечений полостей 2, которые они соединяют, при этом радиус сечения каналов выбирается в соответствии с формулой (1).

Условия выбора сечения каналов.

Сечение каждого из каналов не может быть равно сечению капилляра материала, из которого выполнен корпус, т.к. это нарушает нормальную работу датчика. Канал препятствует перетоку жидкости, начиная с резонансной частоты W_р и выше, и не препятствует на частотах ниже W_В - верхняя граничная частота рабочего диапазона, при W_р>W_В.

При этом соотношение сил, действующих в канале, должно удовлетворять условию
F_ин<F_сопр, (2)
где F_сопр - сила сопротивления, возникающая в канале на частотах выше W_В при протекании через него жидкости;
F_ин - сила инерции со стороны жидкости и восстанавливающаяся сила со стороны упругих элементов, воздействующих на жидкость при их деформации.

В общем виде выражение для силы F_ин может быть представлено в виде /Иориш Ю.И. "Виброметрия". - М.: Машгиз. с. 139, 1962/:
F_ин = (mAW² + K_кмA)sinWt (3)
где m - масса жидкости, заключенная в полости и канале;
K - жесткость пьезопреобразователя и термокомпенсатора;
W - круговая частота;
A - амплитуда возбуждаемых колебаний;
sinWt - закон, по которому происходит смещение жидкости.

Из сил сопротивления, действующих в канале, достаточно для практических расчетов ограничиться силой вязкого сопротивления, имеющих вид /Иориш Ю.И. "Виброметрия". - М.: Машгиз. с. 142, 1962/:

где μ - динамическая вязкость жидкости;
r_L - радиус сечения канала;
R - радиус сечения полости;
L - длина канала.

Подставляя выражение сил в неравенство (2) и учитывая поставленные условия (1), получим выражение, позволяющее уточнить один из наиболее важных конструктивных параметров устройства, которое является исходным для определения сечения канала:

Испытания опытного образца заявляемого устройства показали следующие результаты. При использовании в качестве пьезоэлементов тонких пластин, отличающихся большой собственной емкостью до 100 МФ и более, позволило расширить диапазон рабочих частот датчика в область инфранизких частот до 0,005 Гц.

Нелинейные искажения составили 0,1% при работе в температурном диапазоне от -30^oC до +50^oC, при этом поперечная чувствительность в неизмеряемых направлениях не превысила 1% по отношению к максимальной.

Использование: для измерения вибрации сооружений и конструкций. Сущность изобретения: устройство содержит жидкостную инертную массу, заключенную в полости и каналах, выполненных в корпусе по трем ортогональным осям, каждая из полостей ограничена с одной стороны термокомпенсационным элементом, выполненным в виде упругой мембраны, с другой - пьезопреобразователем, выполненным в виде пьезоэлемента 7, установленного на мамбране 6, изолированной от корпуса диэлектрической прокладкой 8. Каждый пьезопреобразователь и термокомпенсатор образуют воздушный зазор с корпусом, в котором выполнено отверстие, выравнивающее давление. Полости, в которых заключена жидкостная инертная масса, связаны между собой каналами, эффективное сечение которых выбрано из условия

Изобретение позволяет повысить точность, надежность, а также расширить температурный и частотный диапазон. 1 ил.

Инфранизкочастотный трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик ускорений, содержащий корпус, жидкостную инертную массу и пьезопреобразователи, расположенные по нормалям к трем ортогональным осям, отличающийся тем, что в него введены термокомпенсаторы, а жидкостная инертная масса заключена в отдельных полостях, выполненных в корпусе по трем ортогональным осям, причем каждая из полостей ограничена с одной стороны пьезопреобразователем, состоящим из пьезоэлемента, установленного на мембране, изолированной от корпуса диэлектрической прокладкой, а с противоположной - термокомпенсатором, выполненным в виде упругого элемента, при этом каждый пьезопреобразователь и термокомпенсатор образует воздушный зазор с корпусом, в котором выполнено отверстие, выравнивающее давление, а полости, в которых заключена жидкостная инертная масса, связаны между собой каналами, эффективное сечение которых выбраны из условия I

где r_i - радиус сечения канала;
L - длина канала;
R - радиус сечения полости;
μ _ динамическая вязкость жидкости;
W_p - круговая частота резонансных колебаний;
m - масса жидкости в полости и канале;
r_кап - радиус сечения капилляра канала;
K - жесткость мембраны и упругого элемента.