ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК БЫСТРОПЕРЕМЕННОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01L23/10 

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано для контроля динамических процессов в различных машинах и механизмах.

Известен датчик быстропеременного давления, включающий пьезоэлектрический чувствительный элемент и дополнительный виброкомпенсирующий пьезопреобразователь [1]. Датчик обладает пониженной вибрационной погрешностью при продольном направлении виброускорения.

Однако известное устройство не обладает достаточной эффективностью при виброускорении в поперечном направлении, когда паразитная виброчувствительность датчика равна сумме виброчувствительностей основного и дополнительного пьезопреобразователей.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления, содержащий пьезопреобразователь в виде монолитного блока, включающего соединенные электрически параллельно пьезоактивные рабочие и виброкомпенсирующие слои и расположенный между ними пассивный слой [2]. Известный датчик обладает низкой паразитной виброчувствительностью при действии вибрации в продольном и поперечном направлении.

Однако известный датчик обладает низкой чувствительностью к действию измеряемой величины - быстропеременного давления, так как измеряемое давление воздействует и на виброкомпенсирующие слои, вырабатывающие заряд, знак которого противоположен знаку заряда рабочих слоев.

Заявляемый в качестве изобретения пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления позволяет значительно увеличить чувствительность измерительной системы при сохранении низкой вибрационной погрешности.

Указанный технический эффект достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике быстропеременного давления, включающем пакет из соединенных электрически параллельно пьезокерамических пластин, пакет содержит биморфную пластину, имеющую больший диаметр, чем остальные пластины пакета, слои периферийной части биморфной пластины поляризованы в противоположных направлениях, а слои центральной части биморфной пластины поляризованы в одинаковом направлении.

Создание пьезоэлектрического датчика быстропеременного давления стало возможным благодаря введению в конструкцию устройства нового элемента - биморфной пластины с увеличенным диаметром и новому взаимному расположению зон с различной поляризацией пьезокерамики. Слои биморфной пластины с противоположной поляризацией представляют собой виброкомпенсирующую зону. Расположение этой зоны в периферийной части биморфной пластины позволяет вывести ее из-под действия измеряемого быстропеременного давления и, следовательно, устранить ее влияние на чувствительность датчика.

Таким образом, введением нового элемента с новым взаимным расположением его частей достигается основной технический эффект изобретения - существенное увеличение чувствительности измерительной системы.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом, где изображен общий вид и схема электрических соединений пьезоэлектрического датчика быстропеременного давления.

Устройство содержит основание 1, корпус 2, мембрану 3, изоляторы 4, 5, рабочие пьезокерамические пластины 6, 7, биморфную пластину 8 и разъем 9.

Мембрана 3 жестко закреплена в корпусе 2. Пакет из пластин 6, 7, 8 и изоляторов 4, 5 закреплен между основанием 1 и мембраной 3 путем поджатия. Пластины 6, 7, 8 соединены электрически параллельно и подключены к разъему 9. Полярности пластин 6, 7 и обоих слоев центральной части пластины 8 совпадают. Слои периферийной части пластины 8 поляризованы в противоположных направлениях. На чертеже стрелками указано направление поляризации.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемое пульсирующее или акустическое давление через узел силовведения - мембрану 3 - передается на чувствительный элемент, выполненный в виде многослойного пакета, состоящего из пластин 6, 7 и центральной части пластины 8. Возникающий в результате прямого пьезоэффекта полезный электрический сигнал, равный сумме зарядов пластин 6, 7, 8, передается на выходной разъем 9. Периферийная часть пластины 8 не участвует в преобразовании полезного сигнала.

Под действием вибрации в пьезоэлектрических пластинах возникают паразитные электрические сигналы. При этом периферийная часть биморфной пластины 8 испытывает изгибные деформации и играет роль виброкомпенсирующего элемента, так как возникающие в ней заряды компенсируют заряды, возникающие в центральной части пакета.

Предлагаемый пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления с чувствительными элементами из высокотемпературного пьезокерамического материала ТНВ-1 имеет коэффициент преобразования пульсирующей силы в заряд 30-32 пКл/Н, при этом отношение полезного сигнала к паразитному сигналу от воздействия виброускорения равно 12-15. Таким образом, предлагаемое устройство обладает чувствительностью, вдвое превышающей чувствительность прототипа, который имеет коэффициент преобразования силы в заряд 15 пКл/Н. При этом сохраняется низкая вибрационная погрешность (у прототипа отношение полезного сигнала к паразитному составляет 5-10).

Преимущества предлагаемого пьезоэлектрического датчика быстропеременного давления позволяют существенно повысить чувствительность измерительной системы и применить ее в мощных энергетических и транспортных системах, например в ракетно-космической технике, судовом и промышленном энергетическом оборудовании.

Источники информации
1. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - с. 194-202.

2. Экология, мониторинг и рациональное природопользование // Научные труды. Вып. 288(11). - М.: МГУЛеса, 1997. - с. 90-96.

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для работы в мощных транспортных и промышленных энергетических системах. Датчик включает пакет из соединенных электрически параллельно пьезокерамических пластин, содержащий биморфную пластину с диаметром большим, чем у остальных пластин. Слои периферийной части биморфной пластины поляризованы в противоположных направлениях, а слои ее центральной части поляризованы в одинаковом направлении. Технический результат - высокая чувствительность и низкая вибрационная погрешность. 1 ил.

Пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления, включающий пакет из пьезокерамических пластин, соединенных электрически параллельно, отличающийся тем, что пакет содержит биморфную пластину, имеющую больший диаметр, чем остальные пластины пакета, слои периферийной части биморфной пластины поляризованы в противоположных направлениях, а слои центральной части биморфной пластины поляризованы в одинаковом направлении.