АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2017 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано в других областях науки и техники, в которых применяются датчики ускорения.

Известен широкий круг устройств, работающих на основе датчиков, преобразующих ускорение в электрический сигнал, которые в зависимости от назначения, условий эксплуатации, технических требований к характеристикам и других показателей называют геофонами, сейсмодатчиками, вибродатчиками, датчиками удара и т.д.

В большинстве этих устройств чувствительный элемент реагирует на ускорение, поэтому они могут быть причислены к классу устройств, называемых акселерометрами [1].

В рамках данной заявки под акселерометрами понимают прежде всего датчики, преобразующие ускорение в пропорциональный ему электрический сигнал, например сейсмодатчики (сейсмоприемники) [2].

Весьма широкое применение в конструкции акселерометров нашли пьезоэлектрические преобразователи, в основном пьезокерамические, работающие на прямом пьезоэффекте [3].

Акселерометры-сейсмодатчики могут быть исполнены в виде одно-, двух- и трехкоординатных вариантах. Иногда их называют одно-, двух- и трехкомпонентными датчиками. В рамках материалов заявки используется термин «координатные».

Известен трехкоординатный сейсмодатчик СД-1 [4] (фиг. 1), состоящий из трех каналов, соответствующих трем координатам, каждый из которых содержит совокупность электронных блоков:

- чувствительный элемент (ЧЭ) 1 - преобразователь ускорения в пропорциональный ему электрический сигнал и ориентированный осью чувствительности по присвоенной ему координате;

- блок обработки электрического сигнала и подачи его на выход акселерометра 2, собранный на одной общей плате с остальными блоками, размещенной и механически закрепленной в пылевлагозащищенном, электрически заземленном металлическом корпусе размером 60×90×90 мм.

Устройство работает следующим образом. При воздействии ускорения на ЧЭ - пьезокерамическую консол - он реагирует на него за счет прямого пьезоэффекта генерацией электрического заряда, пропорционального этому воздействию. Этот сигнал, будучи обработан последующими электронными блоками, подается на выход устройства.

К недостаткам устройства следует отнести:

1. Полная зависимость от электрического напряжения внешнего (первичного) двухполярного источника питания.

2. Большие габариты.

3. Низкая надежность изготовления акселерометра из-за размещения электронных блоков на одной общей для всех координат плате (например, при выходе из строя одного из каналов автоматически бракуются и все остальные).

4. Фиксированный коэффициент преобразования, например, равный 100 B/g.

Наиболее близким к заявляемому устройству является сейсмодатчик СД-1Э [5] уменьшенных габаритов (фиг. 2), состоящий из трех каналов, соответствующих трем координатам, каждый из которых содержит совокупность электронных блоков:

- ЧЭ уменьшенных габаритов - 1;

- блок обработки электрического сигнала и подачи его на выход акселерометра - 2, собранный на одной общей с остальными блоками плате;

- вторичный источник питания, адаптируемый под разные уровни электрического напряжения первичного источника питания, обеспечивающий стабилизированное двухфазное питание ±5 В, при однополярном питании от внешнего источника 6÷24 В.

Основным достоинством такого устройства является уменьшение габаритов ЧЭ путем оптимизации его конструкции, что позволяет уменьшить габариты самого сейсмодатчика, а также введение в его конструкцию вторичного источника питания, преобразующего однополярное питание от реальных, например бортовых, источников 6÷24 В, не пригодное для сейсмодатчика, в двухполярное, стабилизированное ±5 В, пригодное для сейсмодатчика.

Принцип работы СД-1Э не отличается от принципа работы СД-1.

К недостаткам СД-1Э следует отнести:

1. Низкая надежность изготовления СД-1Э из-за размещения электронных блоков на одной общей для всех координат плате.

2. Конструктивное ограничение дальнейшей миниатюризации изделия в силу возможности возникновения паразитных электрических связей между каналами.

3. Требование к завышенной точности выполнения технологических операций при изготовлении СД-1Э, поскольку каждый из каналов по техническим характеристикам должен быть максимально приближен к остальным каналам.

4. Фиксированный коэффициент преобразования, например, равный 100 B/g.

Эти недостатки снижают надежность конструкции, повышают трудоемкость изготовления изделия, повышают цену изделия, снижают возможность уменьшения его габаритов и по совокупности сужают область его применимости.

Задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является достижение технического результата в виде повышения технологичности конструкции и процесса изготовления акселерометра, а также его унификации.

Поставленная задача решается в конструкции акселерометра, состоящего из n каналов, соответствующих n координатам (n=1÷3), каждый из которых содержит совокупность электронных блоков: чувствительный элемент, ориентированный осью чувствительности по присвоенной ему координате; блок обработки электрического сигнала и подачи его на выход акселерометра; вторичный блок питания для каждого из блоков обработки электрического сигнала, механически закрепленных внутри пылевлагозащищенного корпуса и содержащего совокупность электронных блоков для каждого из каналов, которые выполнены на основе заготовки однокоординатного малогабаритного акселерометра в отдельном пылевлагозащищенном корпусе. Кроме того, чувствительный элемент может быть изготовлен на основе пьезокерамики, может быть ориентирован осью чувствительности по присвоенной ему координате в прямоугольной (декартовой) системе координат. Также заготовка акселерометра может быть получена после операции установки в нее вторичного источника питания и может быть размещена в токопроводящем заземленном корпусе.

Эффективность такого решения обусловлена тем, как показала практика, что усовершенствование конструкции отдельного однокоординатного акселерометра как в части его массогабаритных показателей, так и в части его технических характеристик технологичности, более перспективно и результативно, чем для двух- и трехкоординатных его конструкций, и поэтому двух- и трехкоординатный акселерометр может быть эффективно усовершенствован путем использования простой комбинации усовершенствованных однокоординатных датчиков, а чаще их заготовок [4], получаемых на последних операциях изготовления. Такова, например, заготовка малогабаритного сейсмодатчика СД-2Э [6] (фиг. 3), в котором используется ЧЭ, изготовленный на основе пьезокерамики, представляющая собой почти законченную конструкцию в частности, содержащую вторичный источник питания, заключенную в токопроводящий экранирующий корпус, в которой не установлены жесткие выводы, а вместо них установлены гибкие выводы и с целью уменьшения габаритов осуществлены операции, обеспечивающие пылевлагозащищенность заготовки. В ходе разработки СД-2Э предусматривалась возможность такого использования его заготовок. Подобное направление процесса разработки ведет к унификации заготовок и повышению технологичности самих разработок. Возникающая при этом возможность сортировки заготовок по параметрам, определяющим параметры конечного изделия, позволяет упростить операцию идентификации каналов, а наличие проводящих корпусов, выполняющих роль промежуточных заготовок, и их пылевлагозащищенности при их размещении в общем основном проводящем корпусе, с последующей операцией создания общей в нем пылевлагозащищенности существенно повышают надежность изделия.

В то же время уменьшение массогабаритных показателей однокоординатного датчика, а с ним и его заготовки, например, за счет уменьшения при этом толщины стенок корпуса, ведут к росту его чувствительности к паразитным воздействиям на него резких перепадов температуры (пироэффект) и воздушных потоков (например, конвекционных или обычный ветер). Размещение такого датчика или его заготовки в основной корпус существенно снижает этот нежелательный эффект. В конечном итоге это ведет к унификации и технологичности изделия.

На фиг. 1 изображен сейсмодатчик СД-1.

На фиг. 2 изображен сейсмодатчик СД-1Э.

На фиг. 3 показаны заготовки малогабаритного сейсмодатчика СД-2Э.

На фиг. 4 представлена фотография макетного образца предлагаемого акселерометра.

Устройство опробовано на предприятии. На фиг. 4 приведен собранный в корпусе от СД-1Э макетный образец трехкоординатного модернизированного акселерометра-сейсмодатчика на базе заготовок СД-2Э 1, с установленными в них вторичными источниками питания, в соответствии с технологией изготовления, в количестве 3 шт., ориентированных осью чувствительности по координатам X, Y, Z в прямоугольной системе координат. Было изготовлено 3 экземпляра таких макетов, для чего были отсортированы 3 группы заготовок по 3 шт., максимально близких по параметрам в каждой группе, из 10 шт., изготовленных по документации на СД-2Э. Это позволило избежать операции дополнительной подгонки каждого из трех каналов с целью создания их идентичности по электрофизическим параметрам.

Как было установлено в ходе экспериментальных исследований, при больших уровнях чувствительности датчики СД-2Э, а также их заготовки, имеют источник дополнительной нестабильности выходного сигнала в виде их реакции на конвекционные потоки за счет пироэффекта и механического воздействия воздушного потока на корпус датчика. При прикрытии СД-2Э лоскутом ткани этот эффект практически устраняется. Он также устранялся после установки заготовок в общий корпус от СД-1Э. Последнее обстоятельство позволило рассматривать как вариант конструкцию и однокоординатного акселерометра-сейсмодатчика, создаваемую путем установки одной заготовки СД-2Э в корпусе СД-1Э, т.е. возможность на одной и той же базовой конструкции и технологии создавать n-координатные акселерометры при n=1, 2, 3.

Наличие двойной пылевлагозащищенности (первая - корпус каждой из заготовок, вторая - корпус всего устройства) существенно повышает надежность изделия.

Предварительный анализ технико-экономических показателей, в частности трудоемкости и себестоимости показал явный рост технологичности изделий и уменьшение их себестоимости, при использовании данных технических решений.

Предварительные исследовательские испытания показали, что макетные образцы трехкоординатного сейсмодатчика, собранные на основе данных технических решений, имеют технические показатели не хуже, а по некоторым показателям и лучше, чем изделия СД-1Э и их аналоги, а по технико-экономическим показателям их превосходят.

Литература

1. wikipedia.org//акселерометр.

2. zetlab.ru//сейсмоприемники.

3. B.B. Янчич. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры). Ростов-на-Дону, ЮФУ, 2010 г., 304 с.

4.www.elpapiezo/ru/geofon.shtml.

5. elpapiezo.ru/сейсмодатчик СД-1Э.

6. elpapiezo.ru/сейсмодатчик СД-2Э.

Изобретение относится к устройствам, измеряющим переменное ускорение, а именно к акселерометрам, которые могут быть использованы в качестве сейсмодатчиков, вибродатчиков, датчиков удара и т.д. Акселерометр состоит из n каналов, соответствующих n координатам (n=1÷3), каждый из которых содержит совокупность электронных блоков: чувствительный элемент, ориентированный осью чувствительности по присвоенной ему координате; блок обработки электрического сигнала и подачи его на выход акселерометра; вторичный блок питания для каждого из блоков обработки электрического сигнала, механически закрепленных внутри пылевлагозащищенного корпуса, при этом совокупность электронных блоков для каждого из каналов выполнена на основе заготовки однокоординатного малогабаритного акселерометра в отдельном пылевлагозащищенном корпусе. Технический результат – повышение технологичности конструкции и процесса изготовления акселерометра, а также его унификации. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Акселерометр, состоящий из n каналов, соответствующих n координатам (n=1÷3), каждый из которых содержит совокупность электронных блоков: чувствительный элемент, ориентированный осью чувствительности по присвоенной ему координате; блок обработки электрического сигнала и подачи его на выход акселерометра; вторичный блок питания для каждого из блоков обработки электрического сигнала, механически закрепленных внутри пылевлагозащищенного корпуса, отличающийся тем, что совокупность электронных блоков для каждого из каналов выполнена на основе заготовки однокоординатного малогабаритного акселерометра в отдельном пылевлагозащищенном корпусе.

2. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что чувствительный элемент изготовлен на основе пьезокерамики.

3. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что чувствительный элемент ориентирован осью чувствительности по присвоенной ему координате в прямоугольной системе координат.

4. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что заготовка получена после операций установки в нее вторичного источника питания и герметизации с заменой жестких выводов на гибкие.

5. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что заготовка размещена в токопроводящем заземленном корпусе.