ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УДАРОПРОЧНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2020 года по МПК G01P15/09 

Описание патента на изобретение RU2716872C1

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения колебательных процессов в сейсмологии, акустике, вибродиагностике, а также в случаях, когда эксплуатация измерительных устройств или их установка связано со значительными боковыми воздействиями.

Известен акселерометр, взятый за прототип, работающий на сжатие-растяжение пьезоэлемента, и состоящий из корпуса, на основании которого посредством клея закреплены пьезоэлемент с инерционной массой (Ю.А. Иориш, «Виброметрия», М., Машиностроение, 1963 стр. 568, фиг. 14.53, а.).

Конструкция характеризуется высокой резонансной частотой, удовлетворительной величиной коэффициента преобразования и достаточной прочностью при осевых воздействиях.

Так как конструкция представляет собой по существу консоль, то самые большие механические напряжения возникают при боковых воздействиях на корпус акселерометра в месте крепления пьезоэлемента к основанию (Г.М. Ицкович, «Сопротивление материалов», М., Высшая школа, 1986, стр. 182). В результате этого происходит разрушение или пьезоэлемента в этом сечении, или его клеевого соединения.

Известна конструкция акселерометра (GB 899235 A, 20.06.1962 г.), состоящая из корпуса и пьезоэлемента, в которой инерционная масса как элемент конструкции отсутствует. Такая конструкции также недостаточно прочна при боковых внешних воздействиях.

Задача настоящего изобретения заключается в создании высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра, лишенного вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в значительном повышении стойкости высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра к боковым воздействиям.

Сущность изобретения состоит в том, что высокочувствительный широкополосной ударопрочный пьезоэлектрический акселерометр содержит корпус, инерционную массу и пьезоэлемент, который приклеивается к основанию корпуса прослойкой мягкого компаунда. Толщина компаунда Δ выбирается из условия:

где Екм - модуль Юнга компаунда;

ƒр - резонансная частота акселерометра;

Мп - масса пьезоэлемента;

М - инерционная масса;

S - площадь плоской поверхности пьезоэлемента.

Между боковой стенкой корпуса и инерционной массой введены упоры, выполненные из мягкого компаунда. Общая длина упоров L и толщина h удовлетворяют соотношению:

где Ек - модуль Юнга пьезокерамики;

hк - высота пьезоэлемента;

Нм - высота инерционной массы.

Первое условие связано с тем, что модуль Юнга мягких компаундов, таких, как каучук, полиуретан, виксинт, ВГО и т.п., находится в пределах 107 Па, в то время как модуль Юнга пьезокерамики составляет порядка 7-1010 Па, поэтому резонансную частоту акселерометра определяет фактически толщина упругой прослойки.

Второе соотношение обусловлено тем, что введение упругих упоров не должно снижать коэффициент преобразования оригинала. Для этого их жесткость Ку в осевом направлении должна удовлетворять соотношению:

Ку<0,1Кк

где Кк - жесткость пьезоэлемента, равная

Жесткость Ку определяется сдвигом упоров в осевом направлении и равна

где

GKM - модуль сдвига компаунда;

μ - коэффициент Пуассона.

Учитывая, что μ для мягких компаундов близок к значению 0,5, получим а отсюда и приведенное соотношение.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема предлагаемого высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра, состоящего из корпуса - 1, инерционной массы - 2, пьезоэлемента - 3, прослойки мягкого компаунда - 4, приклеивающего пьезоэлемент к основанию корпуса и упоров 5.

На фиг. 2 представлена конструктивная схема акселерометра без инерционной массы.

Сочетание упругих прослойки и упоров трансформирует резкий удар пьезоэлемента и инерционной массы о корпус акселерометра в мягкое воздействие, что предохраняет пьезоэлемент от сколов, растрескивания, осыпания.

Введение прослойки мягкого компаунда под пьезоэлемент. Известно, что если две пружины соединены последовательно, то при их нагрузке в большей мере деформируется пружина с малой жесткостью. В предлагаемом высокочувствительном широкополосном ударопрочном пьезоэлектрическом акселерометре жесткость пьезоэлемента Кк и прослойки мягкого компаунда Ккм равны, соответственно,

а их отношение:

Учитывая, что то отношение а в широких пределах изменения вплоть до 10-2. Следовательно, деформация в пьезоэлементе меньше деформации в прослойке мягкого компаунда, как минимум, на порядок.

Введение упоров ограничивает смещение инерционной массы и пьезоэлемента в боковом направлении, а, следовательно, снижает величину возникающих деформаций в пьезоэлементе.

В случае если акселерометр не имеет инерционной массы, упругие упоры вводятся между боковой поверхностью корпуса и пьезоэлементом.

Для оценки защищенности акселерометров от боковых воздействий изготовлены и испытаны опытные образцы, отличающиеся толщиной упругого подслоя от (0,3-1) мм, количеством упоров от 3-4 до сплошного кольцевого, с инерционной массой ≈2 г и без нее. Коэффициент преобразования при использовании инерционной массы был в пределах 60-70 мВ/мс-2, а без нее - 40 мВ/мс-2. Резонансная частота в зависимости от толщины подслоя варьировалась в пределах от (3,5-4) кГц при Δ=1 мм и ≈7 кГц при Δ≈0,4 мм. Акселерометры сохраняли свои параметры при падении с высоты 1,5 м на бетонное основание.

Похожие патенты RU2716872C1

название год авторы номер документа
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР 1992
  • Иванов В.Е.
  • Панайот М.Д.
  • Попруга М.Г.
RU2026556C1
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СТЕНД 2020
  • Иванов Виктор Евгеньевич
  • Селищев Анатолий Алексеевич
RU2749873C1
Трехкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр 1990
  • Барихин Адольф Александрович
  • Кочедыков Виктор Николаевич
SU1760462A1
УДАРОПРОЧНЫЙ МАЛОГАБАРИТНЫЙ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР 2016
  • Иванов Виктор Евгеньевич
  • Селищев Анатолий Алексеевич
RU2615600C1
ГРАДИЕНТОМЕТР 2019
  • Зюзин Владимир Николаевич
  • Максимов Юрий Александрович
  • Некрасов Виталий Николаевич
  • Точилин Алексей Сергеевич
  • Фатеев Вячеслав Филиппович
RU2724461C1
Способ реализации и устройство чувствительного элемента для контроля параметров движения в составе многоуровневого многокристального модуля 2019
  • Захаров Павел Сергеевич
  • Итальянцев Александр Георгиевич
  • Кульков Дмитрий Сергеевич
  • Сапегин Александр Андреевич
RU2702401C1
ПРИЕМНИК ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ 1993
  • Галутин Виталий Зиновьевич
  • Волк Галина Михайловна
RU2057400C1
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР 1996
  • Вишневский И.Б.
  • Зюзин В.Н.
  • Некрасов В.Н.
  • Краснописцев Н.В.
RU2106642C1
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 1997
  • Вусевкер Ю.А.
  • Гориш А.В.
  • Доля В.К.
  • Ефремов О.И.
  • Каспин А.И.
  • Ладакин Г.К.
  • Новиков Ю.А.
  • Панич А.Е.
RU2121241C1
Пьезоэлектрический акселерометр 1980
  • Закс Полина Львовна
  • Зархин Валерий Иосифович
SU918857A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 716 872 C1

Реферат патента 2020 года ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УДАРОПРОЧНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Изобретение относится к измерительной технике. Высокочувствительный широкополосный ударопрочный пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, инерционную массу, пьезоэлемент, при этом пьезоэлемент приклеен к основанию корпуса прослойкой мягкого компаунда толщиной Δ, выбираемой из условия

где Екм - модуль Юнга компаунда, ƒp - резонансная частота акселерометра, Мп - масса пьезоэлемента, М - инерционная масса, S - площадь плоской поверхности пьезоэлемента, кроме того, между боковой поверхностью корпуса и инерционной массой введены упоры, выполненные из мягкого компаунда, при этом общая длина L и толщина h упоров удовлетворяют соотношению

где Ек - модуль Юнга пьезокерамики, hк - высота пьезоэлемента, Нм - высота инерционной массы. Технический результат – повышение стойкости высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра к боковым воздействиям. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 716 872 C1

Высокочувствительный широкополосный ударопрочный пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, инерционную массу, пьезоэлемент, отличающийся тем, что пьезоэлемент приклеен к основанию корпуса прослойкой мягкого компаунда толщиной Δ, выбираемой из условия

где Екм - модуль Юнга компаунда,

ƒp - резонансная частота акселерометра,

Мп - масса пьезоэлемента,

М - инерционная масса,

S - площадь плоской поверхности пьезоэлемента,

кроме того, между боковой поверхностью корпуса и инерционной массой введены упоры, выполненные из мягкого компаунда, при этом общая длина L и толщина h упоров удовлетворяют соотношению

где Ек - модуль Юнга пьезокерамики,

hк - высота пьезоэлемента,

Нм - высота инерционной массы.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2020 года RU2716872C1

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР 1992
  • Иванов В.Е.
  • Панайот М.Д.
  • Попруга М.Г.
RU2026556C1
0
  • Г. Л. Шерешевский, А. В. Пашков, М. Ф. Караваев С. Л. Перелыман
SU180726A1
Чувствительный элемент пьезоэлектрического акселерометра 1984
  • Гартель Лев Александрович
  • Проценко Евгений Викторович
SU1250956A1
US 5126980 A1, 30.06.1992.

RU 2 716 872 C1

Авторы

Иванов Виктор Евгеньевич

Селищев Анатолий Алексеевич

Даты

2020-03-17Публикация

2019-08-13Подача