СПОСОБ НАСТРОЙКИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам настройки пьезоэлектрических вибропреобразователей.

Известен способ компенсации поперечной чувствительности, заключающийся в том, что перед формированием пакета каждый пьезоэлемент маркируется по образующей поверхности, затем подвергается воздействию виброускорения вдоль от центра к каждой метке и на основе этого строится диаграмма поперечной чувствительности, затем определяется центр площади диаграммы, а при формировании пакета пьезоэлементы центрируются относительно оси, проходящей через центр площади диаграммы, с последующим вращением пьезоэлементов вокруг этой оси до положения, при котором суммарная огибающая площадей эпюр аппроксимируется окружностью [1]. Данный метод технологически трудоемок и не применим для вибропреобразователей, содержащих один пьезоэлемент.

Известен также способ компенсации поперечной чувствительности, реализованный в вибропреобразователе, описанном в [2]. Вибропреобразователь содержит размещенную в корпусе инерционную массу с прикрепленным к ней пьезоэлементом, компенсационные электроды, выполненные в виде упругих пластин, закрепленных в держателях и установленных в корпусе с возможностью перемещения в плоскости поперечной чувствительности. После совмещения направления вектора максимальной поперечной чувствительности с направлением расположения компенсационных электродов производят перемещение их до соприкосновения с нерабочей поверхностью пьезоэлемента. Регулируя площадь соприкосновения и сравнивая величину заряда с компенсационных и основных электродов, добиваются взаимной компенсации зарядов электрическим соединением основных и компенсационных электродов, уменьшая тем самым влияние поперечной чувствительности. Недостатком данного способа является то, что для его реализации требуются дополнительные сложные конструктивные элементы. Кроме того, способ не применим при малых толщинах пьезоэлементов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ регулировки пьезоэлектрического вибропреобразователя [3], заключающийся в центрировании пьезоэлемента и инерционной массы, определении величины и направления максимальной поперечной чувствительности и воздействии на это место либо локальным нагревом, либо физическим давлением, либо приложением электрического поля. Данные способы предусматривают наличие сложного технологического оборудования, также являются трудоемкими и не применимы для пьезоэлементов, имеющих малые толщины. Кроме того, деполяризация локальной зоны пьезоэлемента приводит к уменьшению значения суммарного пьезомодуля.

Решаемая задача заключается в создании способа настройки пьезоэлектрического вибропреобразователя, позволяющего повысить точность вибропреобразователя за счет снижения влияния на результат измерения поперечной чувствительности.

Технический результат, достигаемый при реализации способа, состоит в упрощении настройки пьезоэлектрических вибропреобразователей на минимальную поперечную чувствительность.

Это достигается тем, что в способе настройки пьезоэлектрического вибропреобразователя, заключающемся в центрировании пьезоэлемента и инерционного элемента, определении величины и направления максимальной поперечной чувствительности, новым является то, что при положительной максимальной поперечной чувствительности центр тяжести инерционного элемента смещают в направлении, противоположном направлению положительного максимума, а при отрицательной максимальной поперечной чувствительности - в направлении отрицательного максимума. Величина смещения определяется в зависимости от значения максимальной поперечной чувствительности и формы инерционного элемента.

Поперечная чувствительность пьезоэлектрического вибропреобразователя является результатом действия многих факторов. Сюда относятся неточность изготовления деталей, в частности пьезоэлемента, неточности сборки, неоднородности в материале пьезоэлемента, отклонение направления поляризации от рабочей оси и пр. Как показывает практика, в связи с наличием различного рода неоднородностей поперечная чувствительность имеет обычно несимметричную диаграмму направленности, т. е. ярко выраженный один из максимумов - положительный или отрицательный, причем направления от оси симметрии пьезоэлемента к максимумам могут располагаться не на одной прямой. Для объяснения технической сущности изобретения можно условно считать наличие поперечной чувствительности как результат смещения центра тяжести инерционного элемента относительно оси симметрии пьезоэлемента в направлении положительной максимальной поперечной чувствительности (см. фиг. 1а) или в направлении, противоположном направлению отрицательной максимальной поперечной чувствительности (см. фиг. 1б). Для восстановления "симметрии" конструкции, т.е. компенсации поперечной чувствительности необходимо при максимальной положительной поперечной чувствительности сместить центр тяжести инерционного элемента в направлении, противоположном направлению максимума положительной поперечной чувствительности, а при максимальной отрицательной поперечной чувствительности - в направлении максимума отрицательной поперечной чувствительности. За счет изменения расположения центра тяжести инерционного элемента во время действия виброускорения происходит перераспределение действия нагрузки на пьезоэлемент, что вызывает соответствующие изменения в деформации пьезоэлемента и, как следствие, уменьшение чувствительности к поперечным составляющим виброускорения. При этом реализация способа не требует сложного технологического оборудования и введения в конструкцию дополнительных элементов.

Смещение центра тяжести инерционного элемента может быть осуществлено различными методами, например: добавлением дополнительной массы к инерционному элементу; выборкой металла в инерционном элементе и заливкой более тяжелого материала; выполнением в инерционном элементе отверстий или пазов.

На фиг. 1 представлены диаграммы поперечной чувствительности с максимальным положительным значением - фиг. 1 (а) и с максимальным отрицательным - фиг. 1(б), а также соответствующее им условное расположение элементов конструкции вибропреобразователя.

На фиг. 2 представлен вариант конструкции пьезоэлектрического вибропреобразователя, в котором можно реализовать предложенный способ, где фиг.2(а) - до настройки на минимальную поперечную чувствительность и фиг.2(б) - после.

Вибропреобразователь состоит из установленного на основании (1) пьезоэлемента (2) и поджатого к нему посредством шпильки (4) и гайки (5) инерционного элемента (3). В инерционном элементе выполнен сквозной паз (6), проходящий через центр тяжести (7) инерционного элемента (3). Съем сигнала с пьезоэлемента производится посредством сигнальных проводов (8).

Способ настройки осуществляется в следующем порядке. Сначала производят центрирование пьезоэлемента (2) и инерционного элемента (3) путем совмещения их осей симметрии (см. фиг.2а). Затем снимают диаграмму направленности поперечной чувствительности и определяют знак и направление максимального значения поперечной чувствительности. После этого производят собственно настройку. Ослабив гайку (5), инерционный элемент (3) поворачивают относительно шпильки (4), совмещая определенное выше направление с продольной осью паза. Смещение центра тяжести (7) инерционного элемента (3) осуществляется перемещением инерционного элемента вдоль паза (6): при положительной максимальной поперечной чувствительности - в направлении, противоположном направлению положительного максимума, а при отрицательной максимальной поперечной чувствительности - в направлении отрицательного максимума.

Источники информации
1. А.С. N1458833 кл. G 01 P 15/09, опубликованное в БИ N6 1989 г.

2. А.С. N993130 кл. G 01 P 15/09, опубликованное в БИ N4 1983 г.

3. А.С. N708234 кл. G 01 P 15/08, опубликованное в БИ N1 1980 г.

Способ предназначен для использования в измерительной технике. Производят центрирование пьезоэлемента и инерционного элемента путем совмещения их осей симметрии. Снимают диаграмму направленности поперечной чувствительности и определяют знак и направление максимального значения поперечной чувствительности. При положительном значении максимальной поперечной чувствительности смещают центр тяжести инерционного элемента в направлении, противоположном направлению положительного максимума, а при отрицательном значении максимальной поперечной чувствительности - в направлении отрицательного максимума. Технический результат, достигаемый при реализации способа, состоит в упрощении настройки пьезоэлектрических вибропреобразователей на минимальную поперечную чувствительность. 2 ил.

Способ настройки пьезоэлектрического вибропреобразователя, заключающийся в центрировании пьезоэлемента и инерционного элемента, определении величины и направления максимальной поперечной чувствительности, отличающийся тем, что при положительной максимальной поперечной чувствительности смещают центр тяжести инерционного элемента в направлении, противоположном направлению максимума положительной поперечной чувствительности, а при отрицательной максимальной поперечной чувствительности - в направлении максимума отрицательной поперечной чувствительности.