ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВИБРОАКСЕЛЕРОМЕТР С ОДНИМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Российский патент 2004 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к устройствам для измерения параметров вибрации различных машин и механизмов.

Принцип действия существующих в настоящее время однокомпонентных пьезоэлектрических датчиков основан на измерении проекции вектора виброускорения на измерительную ось датчика. Для того чтобы измерить величину и направление вектора виброускорения в данной измерительной точке в заданной системе координат, используются трехкомпонентные виброакселерометры, которые имеют три чувствительных элемента и, в лучшем случае, общую инерционную массу. Однако, поскольку чувствительные пьезоэлементы конструктивно разнесены в пространстве и не могут быть приведены к единой измерительной точке, то в области крепления пьезоэлементов преобладают различные вибрации, отличающиеся от тех действительных параметров вибрации, которые необходимо измерить. Поэтому данные, полученные по трем осям координат с помощью таких датчиков, не позволяют произвести измерение реальной величины и подлинного направления вектора виброускорения. Однако этого можно избежать, если использовать в датчике лишь один пьезоэлемент, который преобразует данное направление вибрации в электрические заряды на соответствующей паре противоположных граней. Пьезоэлектрические свойства кристаллов описываются тензором третьего ранга, имеющего в общем случае 18 независимых констант. С учетом симметрии кристалла, из которого изготовлен пьезоэлемент, можно одну деформацию, вызванную произвольно ориентированным в пространстве виброускорением, превратить в три электрических заряда на трех противоположных гранях прямоугольного параллелепипеда.

Известен трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом, содержащий пьезоэлемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, который закреплен на подложке, при этом полярная ось пьезоэлемента перпендикулярна плоскости его крепления к подложке, а матрица пьезомодулей выбрана вида

,

где d_ij - пьезомодуль (Кл/Н),

i - индекс пьезоэлектрического поля,

j - индекс деформации.

(Авторское свидетельство СССР №504940, G 01 Р 15/08, опубл. 1976 г.).

В этом устройстве все шесть граней пьезоэлемента покрыты тонким слоем металла, а между собой грани электрически разомкнуты. Пьезоэлемент жестко закреплен на подложке датчика и имеет инерционную массу - пластину, расположенную на верхней грани прямоугольного параллелепипеда. При таком способе крепления пьезоэлемента возможны лишь три вида деформации: растяжение - сжатие вдоль полярной оси Z, сдвиг в плоскости XZ, сдвиг в плоскости YZ, что приводит к возникновению для каждой из них зарядов только на двух противоположных гранях прямоугольного параллелепипеда в соответствии с матрицей пьезомодулей.

Эта матрица описывает пьезоэлектрические свойства кристаллов, относящиеся к кристаллографическим классам C_2v, С_4v, C_6v, C_∞v. Например, к классу С_6v относятся монокристаллы CdS и ZnO, а классу С_∞v - пьезокерамика.

Наиболее близким устройством является трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом, содержащий пьезоэлемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, подложку, на которой закреплено квадратное основание прямоугольного параллелепипеда, электропроводный слой, расположенный на гранях прямоугольного параллелепипеда, ребра прямоугольного параллелепипеда выполнены свободными от этого электропроводного слоя так, что каждая грань прямоугольного параллелепипеда электрически изолирована от других граней, электропроводный слой на каждой грани выполнен в виде прямоугольника, противоположные стороны которого соответственно параллельны противоположным ребрам грани прямоугольного параллелепипеда, при этом полярная ось пьезоэлемента перпендикулярна плоскости его крепления к подложке, отношение высоты h прямоугольного параллелепипеда к длине b стороны квадратного основания выбрано из соотношения 0,3<h/b<1,2, а матрица пьезомодулей пьезоэлемента выбрана вида

,

где d_ij - пьезомодуль (Кл/Н),

i - индекс пьезоэлектрического поля,

j - индекс деформации.

(Патент Российской Федерации №2061242, G 01 Р 15/08, G 01 Н 1/00, опубл. 1996 г.).

В этом устройстве электропроводный слой выполнен посредством металлизации граней, а прямоугольный параллелепипед выполнен из пьезокерамики или монокристалла с диэлектрической проницаемостью ε не менее 500. За счет выбора соответствующего материала и геометрических размеров пьезоэлемента удается повысить верхний предел частотного диапазона и точность измерений, а также уменьшить габариты устройства за счет исключения из конструкции инерционной массы.

Однако ограничением известных устройств является то, что матрица пьезомодулей, описанная выше, обеспечивает отсутствие поперечной чувствительности по всем трем осям X, Y, Z только теоретически, т.е. в случае когда пьезоэлемент находится в механически свободном состоянии, а также в случае когда по всему объему и поверхности пьезоэлемента механические напряжения являются однородными. В реальной конструкции в пьезоэлементе возникают локальные механические напряжения из-за крепления его к подложке, из-за наличия (обычно пайки) элементов съема заряда с поверхности граней, из-за качества электропроводного слоя. Матрица пьезомодулей кристалла, находящегося в механически неоднородном напряженном состоянии, изменяет свой вид - становятся не равными нулю те компоненты тензора (и следовательно матрицы), которые обуславливают наличие поперечной чувствительности. Особенно сильно это проявляется для боковых граней прямоугольного параллелепипеда, т.к. они испытывают сдвиг в плоскостях XZ и YZ. Если локальные напряжения достаточно велики, то поперечная чувствительность может достигать 30-50%, несмотря на то, что пьезоэффект кристалла в свободном состоянии описывается соответствующей идеальной матрицей. Таким образом, требуется создание специальной конструкции, которая обеспечивала бы однородность возникающих в пьезоэлементе механических напряжений, т.е., чтобы они были одинаковыми по всему объему и поверхности кристалла.

Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных характеристик.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение точности за счет уменьшения поперечной чувствительности, улучшение надежности конструкции и достоверности измерений.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном трехкомпонентном пьезоэлектрическом виброакселерометре с одним чувствительным элементом, содержащем пьезоэлемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, подложку, на которой закреплено квадратное основание прямоугольного параллелепипеда, электропроводный слой, расположенный на гранях прямоугольного параллелепипеда, ребра прямоугольного параллелепипеда выполнены свободными от этого электропроводного слоя так, что каждая грань прямоугольного параллелепипеда электрически изолирована от других граней, электропроводный слой на каждой грани выполнен в виде прямоугольника, противоположные стороны которого соответственно параллельны противоположным ребрам грани прямоугольного параллелепипеда, при этом полярная ось пьезоэлемента перпендикулярна плоскости его крепления к подложке, отношение высоты h прямоугольного параллелепипеда к длине b стороны квадратного основания выбрано из соотношения 0,3<h/b<1,2, а матрица пьезомодулей выбрана вида

,

где d_ij - пьезомодуль (Кл/Н),

i - индекс пьезоэлектрического поля,

j - индекс деформации,

согласно изобретению электропроводный слой выполнен из затвердевшего токопроводящего клея, при помощи которого квадратное основание прямоугольного параллелепипеда закреплено на подложке, которая выполнена диэлектрической, при этом для каждой из боковых граней съем заряда пьезоэлемента выполнен в одной из точек, расположенной в области одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя боковой грани.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- для каждой из боковых граней точка, с которой выполнен съем заряда пьезоэлемента, была расположена на расстоянии L от одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя боковой грани, выбранном из условия L<0,25b;

- для каждой из боковых граней точка, с которой выполнен съем заряда пьезоэлемента, была расположена в области одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя боковой грани, ближайшей к подложке;

- для верхней грани съем заряда пьезоэлемента был выполнен в одной из точек, расположенной в области одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя верхней грани;

- для верхней грани точка, с которой выполнен съем заряд пьезоэлемента, была расположена на расстоянии L от одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя верхней грани, выбранном из условия L<0,25b;

- для верхней грани съем заряда пьезоэлемента был выполнен в точке, расположенной в центре прямоугольника электропроводного слоя верхней грани;

- подложка была выполнена выступающей за одну из боковых граней прямоугольного параллелепипеда, выступ подложки снабжен электропроводным слоем, выполненным из токопроводящего клея, при этом съем заряда с квадратного основания пьезоэлемента выполнен в одной точке, расположенной на той поверхности выступа подложки, на которой закреплено квадратное основание пьезоэлемента;

- подложка была выполнена выступающей за одну из боковых граней прямоугольного параллелепипеда на расстояние S не более 0,25b;

- съем заряда пьезоэлемента был выполнен посредством медного провода диаметром не более 0,1 мм;

- конец медного провода был закреплен в точке тем токопроводящим клеем, при помощи которого квадратное основание прямоугольного параллелепипеда закреплено на подложке;

- расстояние М между ближайшими сторонами прямоугольников электропроводного слоя на смежных гранях было выбрано в диапазоне от 0,1 до 0,3 мм;

- был введен герметик, а пьезоэлемент с подложкой охвачен герметиком;

- в качестве подложки была использована пластина, выполненная из кварца;

- была введена пластина, выполненная из меди, которая закреплена на верхней грани прямоугольного параллелепипеда тем токопроводящим клеем, при помощи которого квадратное основание прямоугольного параллелепипеда закреплено на подложке.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи:

фиг.1 изображает заявленное устройство;

фиг.2 - точку съема заряда с боковой грани на фиг.1;

фиг.3 - вид сверху на фиг.1;

фиг.4 - то же, что фиг.1 с проводами и компаундом;

фиг.5 - то же, что фиг.1 с инерционной массой.

Трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом (фиг.1) содержит пьезоэлемент 1, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием. Квадратное основание закреплено на подложке 2 (выполняющей функцию изолирующей пластины для крепления пьезоэлемента 1 к корпусу датчика). Полярная ось Z пьезоэлемента 1 перпендикулярна плоскости его крепления к подложке 2. Отношение высоты h прямоугольного параллелепипеда к длине b стороны квадратного основания выбрано из соотношения 0,3<h/b<1,2. Матрица пьезомодулей пьезоэлемента выбрана вида

,

где d_ij - пьезомодуль (Кл/Н),

i - индекс пьезоэлектрического поля,

j - индекс деформации.

Все грани прямоугольного параллелепипеда пьезоэлемента 1 снабжены электропроводным слоем 3, выполненным из токопроводящего клея. Все ребра прямоугольного параллелепипеда выполнены свободными от этого электропроводного слоя 3. Таким образом, каждая грань прямоугольного параллелепипеда электрически изолирована от смежных с ней граней. Электропроводный слой 3 на каждой боковой грани выполнен в виде прямоугольника, противоположные стороны которого параллельны соответственно противоположным ребрам грани прямоугольного параллелепипеда. Для каждой из боковых граней съем заряда пьезоэлемента 1 выполнен в одной из точек (на фиг.1 показаны точки А и В), расположенной в области одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя 3 боковой грани. Подложка 2 выполнена диэлектрической. Квадратное основание прямоугольного параллелепипеда закреплено на подложке посредством токопроводящего клея 4, из которого выполнен электропроводный слой 3.

Особенностью настоящего изобретения является использование одного и того же материала как для изготовления электропроводного слоя 3, так и для крепления пьезоэлемента 1 к подложке 2. Поскольку основную погрешность в измерения вводят боковые грани, то основное изменение конструкции представлено для них. Однако специалистам понятно, что настоящее изобретение может включать различные другие усовершенствования конструкции, позволяющие в наибольшей степени обеспечить однородность возникающих в кристалле пьезоэлемента 1 механических напряжений.

Для каждой из боковых граней точка (А или В), с которой выполнен съем заряда пьезоэлемента 1, расположена на расстоянии L (фиг.1, 2) от одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя боковой грани, выбранном из условия L<0,25b.

Целесообразно для повышения точности измерений, чтобы точки А и В (фиг.1), с которой выполнен съем заряда пьезоэлемента, также была расположена в области одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя 3 боковой грани, ближайшей к подложке 2. Эти области являются областями наименьшей деформации кристалла.

Электропроводный слой 3 на верхней грани (фиг.1, 3) также выполнен в виде прямоугольника. Для верхней грани съем заряда пьезоэлемента 1 выполнен в одной из точек (например, С), расположенной в области одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя 3 верхней грани.

Для верхней грани точка, с которой выполнен съем заряд пьезоэлемента 1, может быть расположена на расстоянии L (фиг.3) от одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя 3 верхней грани, выбранном из условия L <0,25b.

Кроме того, для верхней грани съем заряда пьезоэлемента может быть выполнен и в точке (фиг.5), расположенной в центре прямоугольника (квадрата, т.к. используется квадратное основание) электропроводного слоя верхней грани.

Подложка 2 (фиг.1, 3-5) выполнена выступающей за одну из боковых граней прямоугольного параллелепипеда. Выступ 5 подложки 2 снабжен электропроводным слоем 3, выполненным из упомянутого токопроводящего клея. Съем заряда с квадратного основания пьезоэлемента 1 выполнен в одной точке (D), расположенной на поверхности выступа 5 подложки, на которой закреплено квадратное основание пьезоэлемента 1. Т.е. точка D расположена на поверхности выступа 5, ближайшей и обращенной к одной из боковых граней прямоугольного параллелепипеда.

Подложка 2 выполнена выступающей за одну из боковых граней прямоугольного параллелепипеда на расстояние S не более 0,25b (фиг.3).

Съем заряда пьезоэлемента 1 из соответствующих точек осуществляют медным проводом 6 диаметром не более 0,1 мм (фиг.4). Конец медного провода 6 закреплен в точке тем же токопроводящим клеем, которым квадратное основание прямоугольного параллелепипеда закреплено на подложке.

Расстояние М между ближайшими сторонами прямоугольников электропроводного слоя 3 на смежных гранях выбрано в диапазоне от 0,1 до 0,3 мм (фиг.5).

В конструкцию для обеспечения ее жесткости может быть введен герметик 7 (диэлектрический клей, на фиг. 4 показан схематично в виде прозрачного прямоугольного параллелепипеда). Пьезоэлемент 1 с подложкой 2 охвачен герметиком 7.

В качестве подложки 2 может быть использована пластина, выполненная из кварца.

В устройство может быть введена инерционная масса - пластина 8, выполненная, например, из меди. Пластина 8 закреплена на верхней грани прямоугольного параллелепипеда посредством токопроводящего клея, из которого выполнен электропроводный слой 3.

Работает устройство (фиг.1-5) следующим образом.

Вектор поляризации керамики, параллельный оси Z, перпендикулярен плоскости крепления пьезоэлемента 1 к подложке 2. Если вибрация направлена вдоль оси Z, в пьезоэлементе 1 возникает деформация растяжения-сжатия в том же направлении, а поскольку кристалл выбран с представленной матрицей пьезомодулей, то используется пьезомодуль d₃₃, и заряд появляется лишь на нижней и верхней гранях прямоугольного параллелепипеда, перпендикулярных оси Z.

В случае вибрации в направлении оси Х в кристалле возникает деформация сдвига в плоскости XZ, при этом используется пьезомодуль d₁₅, и заряды появляются лишь на гранях, ортогональных оси X. При вибрации в направлении оси Y в кристалле пьезоэлемента 1 возникает деформация сдвига в плоскости YZ, и при использовании пьезомодуля d₂₄ заряды возникают лишь на гранях, ортогональных оси Y. Так как в направлениях осей Х и Y при данной конструкции невозможно создать деформацию растяжения-сжатия, то пьезомодули d₃₁ и d₃₂ не задействованы.

Если вектор виброускорения имеет произвольную ориентацию в пространстве, то одновременное использование трех пьезомодулей d₃₃, d₁₅, d₂₄ одного чувствительного элемента позволяло бы достоверно измерить его проекции на оси X, Y, Z.

Однако, в известных конструкциях, в которых съем заряда производят из центра расположенных на гранях прямоугольников электропроводного слоя 3, а в качестве самого электропроводного слоя 3 используется металлический слой, полученный, например, методом напыления, не удается обеспечить равенство нулю соответствующих пьезомодулей описанной выше матрицы. В результате возникает поперечная чувствительность пьезоэлемента 1 по всем трем осям X, Y, Z. Действительно, если использовать обычный металлический слой в качестве электропроводного слоя 3, а затем припаивать, например, кристалл к металлической подложке, то возникающие в кристалле механические напряжения будут иметь значительную величину, и, самое главное, они будут различными в различных областях кристалла. Даже распайка проводов в соответствующих точках крепления приводит к возникновению локальных механических напряжений, и пьезомодули, имеющие значение 0 для свободного кристалла, после его монтажа приобретают, если принять значения пьезомодулей d₃₃, d₁₅, d₂₄ за 100%, величины, достигающие 50%.

Как показали исследования, величины и неоднородность механических напряжений можно резко снизить, если использовать в качестве электропроводного слоя 3 затвердевший (высохший) слой токопроводящего клея, а в качестве слоя крепления кристалла к подложке тот же токопроводящий клей 4. В качестве токопроводящего клея можно использовать, например клеи: H27D фирмы “Ероху Technology” США или 3465, 3466 фирмы “Loctite” США или Токопроводящий клей “ТОК2” ТУ ШКФЛО 028.002 ТУ-ЛУ Россия или 950, 952 фирмы “Cotronics” США. Кроме того, в центре боковой грани прямоугольного параллелепипеда значение абсолютной деформации кристалла при его работе в качестве виброакселерометра максимально, поэтому, чтобы увеличить точность измерений, необходимо производить съем заряда пьезоэлемента 1 в области одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя 3 для каждой грани, например, в точках А, В, для боковых граней и в точке С для верхней грани. Были проведены исследования группы датчиков при приклеивании проводов в центрах граней и в вершинах прямоугольников электропроводного слоя 3. При приклеивании проводов в центр грани поперечная чувствительность составляла от 13,3 до 30,5%, а в вершинах - от 2 до 6 %, в основном 2%.

С нижней же грани пьезоэлемента 1, поскольку она приклеена тем же токопроводящим клеем 4, образуя однородный слой со всеми остальными гранями, заряд можно снимать в точке D, для чего необходимо сформировать выступ 5 подложки 2, например подложки, выполненной из плавленого кварца по ГОСТ 15130-86, и покрыть его поверхность тем же токопроводящим клеем 4. При этом достигается необходимая жесткость крепления пьезоэлемента 1 к подложке 2. Токопроводящий клей 4 выходит из-под пьезоэлемента 1 на выступ 5, образуя контактную площадку.

В случае использования инерционной массы - пластины 8 (фиг.5), которая повышает чувствительность устройства, но уменьшает верхний предел частотного диапазона, пластину 8 также целесообразно приклеивать к верхней грани тем же токопроводящим клеем 4, из которого выполнен электропроводный слой 3.

Изготавливают устройство следующим образом.

Вся поверхность пьезоэлемента 1 покрывается токопроводящим клеем толщиной не более 0,1 мм. После его высыхания ошлифовывают ребра прямоугольного параллелепипеда на величину М от 0,1 до 0,3 мм, получая на гранях прямоугольники электропроводного слоя 3, электрически разомкнутые между собой. Затем наносят токопроводящий клей на подложку 2 и, если она используется, на пластину 8. Прижимают верхнюю и нижнюю грани прямоугольного параллелепипеда к этим элементам и выдерживают до высыхания токопроводящего клея. Затем приклеивают концы проводов к указанным точкам съема заряда пьезоэлемента 1. Указанные величины расстояний для L и S получены экспериментально и позволяют достигнуть наилучших результатов. В качестве проводов используют медные провода без изоляции диаметром до 0,1 мм, обладающие небольшой жесткостью. Затем, после приклеивания проводов заливают конструкцию герметиком 7. В качестве герметика 7 используют, например изолирующий клей “Эпоксил” РВИЦ 460 077.044 ТУ. Устройство помещают в титановый корпус, а свободные концы проводов распаивают на разъем.

Наиболее успешно трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом промышленно применим в технике стендовых и эксплуатационных измерений в различных областях машиностроения, преимущественно ракетного, авиационного и вертолетного, а также в научных целях.

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к устройствам для измерения параметров вибрации различных машин и механизмов. Сущность: устройство содержит пьезоэлемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, которое закреплено на подложке. Матрица пьезомодулей имеет вид , где d_ij – пьезомодуль (Кл/Н), i – индекс пьезоэлектрического поля, j – индекс деформации. Электропроводный слой выполнен из токопроводящего клея. Ребра прямоугольного параллелепипеда выполнены свободными от этого электропроводного слоя. Электропроводный слой на каждой боковой грани выполнен в виде прямоугольника. Для каждой из боковых граней съем заряда пьезоэлемента выполнен в одной из точек, расположенной в области одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя боковой грани. Подложка выполнена диэлектрической. Квадратное основание закреплено на подложке посредством токопроводящего клея, из которого выполнен электропроводный слой. Технический результат: повышение точности. 13 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом, содержащий пьезоэлемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, подложку, на которой закреплено квадратное основание прямоугольного параллелепипеда, электропроводный слой, расположенный на гранях прямоугольного параллелепипеда, причем ребра прямоугольного параллелепипеда выполнены свободными от этого электропроводного слоя так, что каждая грань прямоугольного параллелепипеда электрически изолирована от других граней, электропроводный слой на каждой грани выполнен в виде прямоугольника, противоположные стороны которого соответственно параллельны противоположным ребрам грани прямоугольного параллелепипеда, при этом полярная ось пьезоэлемента перпендикулярна плоскости его крепления к подложке, отношение высоты h прямоугольного параллелепипеда к длине b стороны квадратного основания выбрано из соотношения 0,3<h/b<1,2, а матрица пьезомодулей выбрана вида

где d_ij – пьезомодуль (Кл/Н);

i – индекс пьезоэлектрического поля;

j – индекс деформации,

отличающийся тем, что электропроводный слой выполнен из затвердевшего токопроводящего клея, при помощи которого квадратное основание прямоугольного параллелепипеда закреплено на подложке, которая выполнена диэлектрической, при этом для каждой из боковых граней съем заряда пьезоэлемента выполнен в одной из точек, расположенной в области одной из вершин прямоугольника электропроводного слоя боковой грани.