Пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации Российский патент 2022 года по МПК G01H11/08 

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для регистрации сейсмических сигналов и вибрации объектов.

Известен пьезоэлектрический виброприемник по а.с. СССР 304447, G01H 3/06, содержащий консольно прикрепленную к основанию пластину, состоящую из двух пьезоэлементов, причем к основанию симметрично относительно первой пластины жестко прикреплена вторая пластина.

Известен пьезоэлектрический виброприемник по а.с. СССР 487312, G01H 1/04, содержащий две консольные пластины с попарно соединенными и согласно включенными пьезоэлементами, жестко и симметрично закрепленными к противоположным сторонам общего основания.

Общим недостатком обоих виброприемников является то, что при нахождении инерционной массы на конце упругой пластины из-за несимметричности конструкции проявляется влияние ротационной составляющей колебания и неравномерность деформации пластины пьезоэлемента.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является пьезоэлектрический изгибный преобразователь, приведенный в монографии Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры): монография - Ростов н/Д: Изд-во, ЮФУ, 2010, стр. 48-50, рис. 3.4 б) принятый за прототип.

На фиг. 1 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено:

1 – пьезоэлемент (пьезоэлектрический элемент);

2 – основание (опора);

3 – инерционная масса;

4 – упругая пластина;

– направление рабочей оси преобразователя;

+ – центры масс пьезоэлектрического элемента и инерционной массы соответственно;

– центр инерции преобразователя.

Преобразователь-прототип содержит основание 2, на котором консольно закреплена упругая пластина 4 с инерционной массой 3. На упругую пластину 4 наклеен пьезоэлемент 1 в зоне ее максимальных механических напряжений, возникающих при изгибе.

Функционирование устройства происходит следующим образом.

Внешнее механическое воздействие приводит к изгибу упругой пластины 4 и находящегося на ней пьезоэлемента 1, который вырабатывает заряд, регистрируемый соответствующим устройством. Для расширения рабочего диапазона в низкочастотную область необходимо увеличивать инерционную массу 3 и длину упругой пластины 4. Это не всегда представляется возможным, так как ведет к снижению ударопрочности изделия и увеличению доли ротационной составляющей при деформации пластины 4. Кроме того, при такой конструкции изгиб пьезоэлемента 1 неравномерный и часть его объема не участвует в выработке заряда.

При нахождении инерционной массы 3 на конце упругой пластины 4 из-за несимметричности конструкции проявляется влияние ротационной составляющей колебания и неравномерность деформации пластины 4 и изгиба пьезоэлемента 1, а также недостаточная ударопрочность, что является недостатком устройства-прототипа.

Задача предлагаемого технического устройства состоит в расширении рабочего диапазона в низкочастотную область и повышении чувствительности пьезоэлектрического приемника.

Для решения поставленной задачи в пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации, содержащий основание, на котором одним концом жестко закреплена упругая пластина с размещенными на ней пьезоэлектрическим элементом и инерционной массой, согласно изобретению, введены, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент и, по меньшей мере, три инерционные массы, другой конец упругой пластины жестко закреплен на втором основании, при этом упругая пластина выполнена с пазами или с канавками, пьезоэлектрические элементы закреплены на упругой пластине в местах, содержащих направленные навстречу друг другу пазы или канавки; инерционные массы расположены между пьезоэлектрическими элементами напротив друг друга, а также между крайними пьезоэлектрическими элементами и основаниями с двух сторон упругой пластины соответственно, причем пьезоэлектрические элементы соединены или последовательно, или параллельно.

На фиг. 2 а) представлен общий вид предлагаемого устройства;

на фиг. 2 б) – участок приемника с канавками на упругой пластине 4 под пьезоэлементом 1;

на фиг. 3 а) – упругая пластина 4 с канавками;

на фиг. 3 б) – упругая пластина 4 с пазами.

На фигурах 2 а), б) – 3 а), б) приняты следующие обозначения:

1 – пьезоэлектрические элементы (пьезоэлементы);

2 – два основания;

3 – инерционные массы;

4 – упругая пластина.

Предлагаемый пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации содержит два основания (опоры) 2, к которым прикреплена обеими концами упругая пластина 4. На упругой пластине 4 расположены пьезоэлектрические элементы 1 и распределенные по длине упругой пластины инерционные массы 3.

На упругой пластине 4 в местах расположения пьезоэлементов 1 выполнены канавки глубиной до 50% от толщины пластины или пазы, направленные навстречу друг другу и длиной до 40% от ширины пластины 4.

Канавки выполнены глубиной до 50% от её толщины, шириной от 0,1 мм до 0,5 мм.

Пьезоэлектрические элементы 1 в зависимости от решаемой задачи могут быть включены как последовательно, так и параллельно. Для повышения чувствительности по заряду пьезоэлектрические элементы 1 включаются параллельно, если по напряжению, то последовательно.

Функционирование предлагаемого устройства происходит следующим образом.

Внешнее механическое воздействие приводит к деформации упругой пластины 4 и изгибу расположенных на ней пьезоэлементов 1, электрический сигнал от которых регистрируется соответствующим устройством, например, аналого-цифровым преобразователем. Распределенные инерционные массы 3 и расположенные под пьезоэлектрическими элементами 1 пазы или канавки упругой пластины 4 способствуют ее равномерной деформации, повышая тем самым коэффициент электромеханической связи. Изменяя длину упругой пластины 4 и соответственно количество пьезоэлементов 1 и инерционных масс 3 на ней, можно сдвигать рабочую полосу частот в нужную область.

Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение рабочего диапазона в низкочастотную область и повышение чувствительности пьезоэлектрического приемника, а также повышение ударопрочности.

Источники информации

[1] SU 304447 инерционная масса закреплена на конце, неравномерность изгиба.

[2] SU 487312 инерционная масса закреплена на конце, неравномерность изгиба.

[3] RU 84977 низкая ударопрочность из-за отсутствия армирующей упругой пластины, и чувствительность в области низких частот.

[4] RU 2212736 низкая ударопрочность из-за отсутствия армирующей упругой пластины, и низкая чувствительность в области низких частот.

[5] Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры): монография - Ростов н/Д: Изд-во, ЮФУ, 2010 (прототип).

Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам, и предназначено для регистрации сейсмических сигналов и вибрации объектов. Пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации, содержащий основание, на котором одним концом жестко закреплена упругая пластина с размещенными на ней пьезоэлектрическим элементом и инерционной массой. При этом приемник содержит один пьезоэлектрический элемент и по меньшей мере три инерционные массы. Другой конец упругой пластины жестко закреплен на втором основании, при этом упругая пластина выполнена с пазами или с канавками, пьезоэлектрические элементы закреплены на упругой пластине в местах, содержащих направленные навстречу друг другу пазы или канавки; инерционные массы расположены между пьезоэлектрическими элементами напротив друг друга, а также между крайними пьезоэлектрическими элементами и основаниями с двух сторон упругой пластины соответственно. Технический результат – расширение рабочего диапазона в низкочастотную область и одновременное повышение чувствительности пьезоэлектрического приемника и повышение ударопрочности. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации, содержащий основание, на котором одним концом жестко закреплена упругая пластина с размещенными на ней пьезоэлектрическим элементом и инерционной массой, отличающийся тем, что введены по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент и по меньшей мере три инерционные массы, другой конец упругой пластины жестко закреплен на втором основании, при этом упругая пластина выполнена с пазами или с канавками, пьезоэлектрические элементы закреплены на упругой пластине в местах, содержащих направленные навстречу друг другу пазы или канавки; инерционные массы расположены между пьезоэлектрическими элементами напротив друг друга, а также между крайними пьезоэлектрическими элементами и основаниями с двух сторон упругой пластины соответственно, причем пьезоэлектрические элементы соединены или последовательно, или параллельно.

2. Пьезоэлектрический приемник по п. 1, отличающийся тем, что пазы выполнены длиной до 40% от ширины пластины.

3. Пьезоэлектрический приемник по п. 1, отличающийся тем, что канавки выполнены глубиной до 50% от её толщины, шириной от 0,1 до 0,5 мм.