ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2000 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в средствах измерения и контроля виброускорения различных машин и механизмов.

Известны пьезоэлектрические акселерометры, содержащие основание, на котором установлен чувствительный элемент, выполненный в виде набора пьезоэлектрических элементов с электродами, чередующихся с металлическими токосъемниками в виде шайб, инерционную массу и соединительный кабель. Пьезоэлементы в наборе соединены электрически параллельно [1]. Конструкция обладает повышенным коэффициентом преобразования по заряду и низким (5-7%) для такого класса акселерометров относительным коэффициентом поперечного преобразования. Однако существенным недостатком является весьма ограниченный диапазон эффективной работы при воздействии таких внешних дестабилизирующих факторов, как температура (до 250^oC), статические (до 500 кгс/см²) и динамические (до 2000 g) нагрузки. Обусловлено это тем, что чувствительный элемент конструктивно выполнен из чередующихся пьезоэлементов и токосъемников, соразмерных по геометрическим размерам и изготовленных из разнородных материалов (пьезокерамика и металл), отличающихся по модулю упругости и коэффициенту теплового расширения. При воздействии на такой чувствительный элемент повышенных или пониженных температур, больших статических и динамических нагрузок в пьезоэлементах возникают растягивающие механические напряжения в планарном направлении, что приводит к существенному снижению его прочностных свойств и уменьшению полезного сигнала.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, состоящий из основания и крышки, на основании установлен чувствительный элемент, выполненный в виде монолитного многослойного пленочного конденсатора из пьезоэлектрической пленки с электродами и коммутационными шинами вдоль монолита, каждая из которых соединена с электродами одной полярности, которые равноудалены от коммутационных шин противоположной полярности на расстояние, равное толщине пленки [2].

Благодаря тому, что известная конструкция представляет собой монолит, она обладает высокой жесткостью и прочностью, а также позволяет увеличить точность измерения параметров вибрации путем некоторого снижения относительного коэффициента поперечного преобразования.

Однако асимметричная форма электродов, имеющих с одной стороны выступ для соединения с коммутационной шиной, а с противоположной - изолирующий зазор, не позволяет полностью исключить влияние неоднородности структурных зон чувствительного элемента на величину относительного коэффициента поперечного преобразования, а также использовать всю электродную поверхность пьезоактивных слоев для увеличения коэффициента преобразования по заряду, который снижается во столько раз, во сколько полезная площадь пьезоэлементов (площадь металлизации) меньше площади пьезокерамических заготовок.

Заявляемое изобретение позволяет повысить коэффициент преобразования по заряду и точность измерения параметров вибрации за счет снижения относительного коэффициента поперечного преобразования при работе пьезоэлектрического акселерометра в широком диапазоне температур, статических и динамических нагрузок.

Указанный технический эффект достигается тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем корпус, состоящий из основания и крышки, на основании установлен чувствительный элемент, выполненный в виде монолитного многослойного конденсатора из пьезоээлектрических пластин с электродами и коммутационными шинами вдоль монолита, каждая из которых соединена с электродами одной полярности, пьезоэлектрические пластины со стороны одной из своих электродных поверхностей, идентичных относительно основания, выполнены с полностью металлизированными хордовыми канавками, диффузно заполненными металлическими коммутационными шинами.

На фиг. 1 показан пьезоэлектрический акселерометр, общий вид; на фиг. 2 - чувствительный элемент с приведением пространственной ориентации пьезоэлементов.

Пьезоэлектрический акселерометр (фиг. 1) состоит из основания 1, чувствительного элемента 2 с электродами 3, замкнутыми вдоль боковой поверхности разнополярными шинами 4, соединяющими электроды одинаковой полярности, крышки 5 для защиты от внешних воздействий и кабеля 6. Чувствительный элемент 2 прикреплен к основанию 1 гайкой 7 и электрически изолирован от корпуса при помощи изоляционных втулок 8.

Чувствительный элемент 2 (фиг. 2) изготовлен в виде набора отдельных плоских элементов 9, выполненных из пьезокерамического материала, с электродами 3 на торцевых поверхностях. Со стороны одной из электродных поверхностей в пьезоэлементах 9 выполнены хордовые канавки 10.

Глубина и ширина хордовых канавок определяются геометрическими параметрами коммутационной шины и требованиями, предъявляемыми к механической прочности пьезоэлемента, при этом глубина канавки выбирается равной не более 0,3 толщины межэлектродного промежутка (т.е. толщины пьезопластины). Величина заглубления хордовых канавок в тело блока чувствительного элемента, т. е. максимальное расстояние хордовой канавки от боковой образующей, определяется требованиями, предъявляемыми к механической прочности отдельного пьезоэлемента и к прочности механического соединения коммутационной шины к блоку чувствительного элемента в целом, и составляет порядка 0,5 радиуса пьезоэлемента (при выполнении пьезоэлемента в виде шайбы).

Хордовые канавки металлизируются и диффузно заполняются коммутационными шинами 4. Пьезокерамические пластины набираются в пакет с соблюдением одинаковой относительно основания ориентации идентичных электродных поверхностей и поворотом соседних пластин друг относительно друга на 180^o вокруг оси чувствительного элемента (фиг. 2). Собранные в пакет пьезокерамические пластины спекаются в монолит путем термокомпрессионной сварки при температуре 780^oC и давлении 3-5 кг/см² в течение 3 час с последующей поляризацией в оптимальном для конкретного пьезоматериала режиме.

Благодаря тому что предлагаемая конструкция является монолитной, она обладает высокой жесткостью и прочностью, а полная симметрия электродов позволяет практически полностью исключить структурную неоднородность пьезоактивных зон чувствительного элемента и полностью использовать всю электродную поверхность. Таким образом, изобретение позволяет снизить коэффициент поперечного преобразования и повысить коэффициент по заряду при работе пьезоэлектрического акселерометра в широком диапазоне температур (от 25 до 500^oC), статических и динамических нагрузок.

Акселерометр с чувствительным элементом, изготовленным из пьезокерамического материала ТНаВ-1, имел коэффициент преобразования по заряду 130-150 пКл/g и относительный коэффициент поперечного преобразования 4,5-5% (для устройства-прототипа: 80-100 пКл/g и 15-20,0%, соответственно).

Источники информации
1. Патент США N 3569749, кл. 310-84, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР N 1682938, кл. G 01 P 15/09, 1989 - прототип.

Акселерометр может быть использован в средствах измерения и контроля виброускорения различных машин и механизмов. Акселерометр содержит корпус, состоящий из основания и крышки. На основании установлен чувствительный элемент, выполненный в виде монолитного многослойного конденсатора из пьезоэлектрических пластин с электродами и коммутационными шинами, каждая из которых соединена с электродами одной полярности. В пьезоэлектрических пластинах со стороны одной из электродных поверхностей выполнены металлизированные хордовые канавки, диффузно заполненные коммутационными шинами, что позволяет повысить коэффициент преобразования по заряду и точность измерения параметров вибрации за счет снижения относительного коэффициента поперечного преобразования при работе пьезоэлектрического акселерометра в широком диапазоне температур, статических и динамических нагрузок. 2 ил.

Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, состоящий из основания и крышки, на основании установлен чувствительный элемент, выполненный в виде монолитного многослойного конденсатора из пьезоэлектрических пластин с электродами и коммутационными шинами вдоль монолита, каждая из которых соединена с электродами одной полярности, отличающийся тем, что в пьезоэлектрических пластинах со стороны одной из электродных поверхностей, идентичных относительно основания, выполнены металлизированные хордовые канавки, диффузно заполненные металлическими коммутационными шинами.