Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн Российский патент 2023 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к пьезоэлектрическим датчикам давления, предназначенным для измерения быстропеременных давлений в газообразной среде. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано для определения параметров воздушной ударной волны при взрыве боеприпасов.

В этой области измерений широко применяются различные датчики давления пьезоэлектрического типа.

Известен, например, пьезоэлектрический датчик давления по авторскому свидетельству СССР №1383120, G01L 9/08, опубл. 23.03.1988 г. Датчик содержит корпус с мембраной, основание и расположенный между ними пакет пьезоэлементов (ПЭ) с размещенными между ними токосъемными пластинами. При действии ударной волны на датчик мембрана передает деформацию на ПЭ, в которых возникает электрический заряд, пропорциональный измеряемому давлению, поступающий с токосъемных пластин через выводы на вход регистрирующего устройства. Недостатком данного датчика является искажение формы электрического сигнала из-за виброударных ускорений, возникающих в конструкции датчика при воздействии ударной волны.

Наиболее близким к заявляемому пьезоэлектрическому датчику является датчик давления общего назначения фирмы «РСВ Piezotronics, Inc.», США, модели 111А26, описанный в руководстве по установке и эксплуатации и зарегистрированный в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений №52162-12. Датчик содержит корпус с мембраной, за ней расположены в пакете рабочие ПЭ с токосъемными пластинами. Вплотную к рабочим ПЭ установлена токопроводящая инерционная масса, за которой установлен дополнительный виброкомпенсирующий ПЭ, одинаковый по характеристикам с рабочими ПЭ, поджатый в корпусе в общем пакете основанием. В электрической схеме датчика рабочие и компенсирующий ПЭ соединены параллельно и включены встречно.

Датчик модели 111А26 работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану, которая передает усилие на пакет рабочих ПЭ. Под воздействием измеряемого давления как в рабочих, так и в компенсирующем ПЭ возникает электрический заряд, пропорциональный приложенному усилию. Величина суммарного заряда через электрические цепи датчика измеряется регистрирующим устройством, например, запоминающим осциллографом.

В процессе воздействия ударной волны на конструкцию датчика в ней возникают вибрационные колебания, которые вызывают как в рабочих, так и в компенсирующем ПЭ электрические заряды. Величина этих зарядов прямо пропорциональна ускорению и приведенной массе, воздействующей на каждый из ПЭ. Так как рабочие и компенсирующий ПЭ включены встречно, их сигналы от вибрации в процессе работы вычитаются. В этом случае искажения формы электрического сигнала с датчика давления от вибрационных колебаний конструкции датчика при действии ударной волны уменьшаются. Равенство суммарного электрического заряда от рабочих ПЭ и компенсирующего ПЭ является условием виброкомпенсации. Это достигается варьированием величины инерционной массы.

Однако, так как при изготовлении элементов конструкции датчика, в частности таких, как корпус, мембрана, инерционная масса и ПЭ, имеют место отклонения по размерам, массе, а также по электрофизическим характеристикам, таким как пьезомодуль ПЭ, то полной виброкомпенсации не происходит, а замена инерционной массы в уже изготовленном датчике на другую с оптимальными параметрами не представляется возможной по технологическим причинам. Искажение формы электрического сигнала с датчика давления, хотя и в меньшей степени, но сохраняется. Это является существенным недостатком данного прототипа и вносит погрешность, обусловленную влиянием вибрации.

Целью настоящего изобретения является создание датчика с повышенной точностью регистрации профиля импульсного давления в ударной волне.

Техническим результатом является снижение амплитуды колебаний в электрическом сигнале пьезоэлектрического датчика, вызванных вибрационными ускорениями в конструкции датчика.

Указанный технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике давления ударных волн, содержащем токопроводящий корпус, с одной стороны которого закреплена мембрана, с другой - основание, за мембраной расположены два рабочих пьезоэлемента с токосъемной пластиной между ними, токопроводящая инерционная масса и виброкомпенсирующий пьезоэлемент, поляризованный в противоположном направлении относительно рабочих пьезоэлементов. Новым является то, что виброкомпенсирующий пьезоэлемент соединен с одним из рабочих пьезоэлементов электрически последовательно и введен конденсатор, соединенный электрически параллельно виброкомпенсирующему пьезоэлементу одним выводом через основание, а другим выводом через токопроводящую инерционную массу.

Соединение виброкомпенсирующего ПЭ последовательно с одним из рабочих пьезоэлементов дает возможность изменения заряда на выходе датчика с помощью подключения конденсатора, соединенного электрически параллельно виброкомпенсирующему пьезоэлементу.

Наличие у пьезоэлектрического датчика давления ударных волн конденсатора, соединенного электрически параллельно виброкомпенсирующему пьезоэлементу, позволяет осуществлять виброкомпенсацию датчика давления регулировкой электрической емкости конденсатора,

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчик давления

На фиг. 2 показана электрическая схема датчика.

Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн содержит мембрану 1, токопроводящий корпус 2 и основание 3, рабочие ПЭ 4 и 5, токосъемную пластину 6, токопроводящую инерционную массу 7, виброкомпенсирующий ПЭ 8, включенный встречно и соединенный с рабочим ПЭ 5 по электрической схеме последовательно, размещенные в корпусе 2, в центрирующей втулке 9 между мембраной 1 и основанием 3. Токовывод 10 используется для подключения датчика через измерительный кабель к входу регистрирующего устройства. Конденсатор 11, соединен по электрической схеме параллельно ПЭ 8, одним выводом через основание 3, а другим выводом через токовывод 12 и токопроводящую инерционную массу 7.

Пьезоэлектрический датчик давления работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика в рабочих ПЭ 4, 5 и в компенсирующем ПЭ 8 возникают электрические заряды, пропорциональные приложенному усилию. При этом, конденсатор 11 заряжается от ПЭ 8, тем самым уменьшая на нем напряжение, что в соответствии с электрической схемой уменьшает вклад ПЭ 8 в суммарный электрический заряд на выходе 10 датчика, поступающий на регистрирующее устройство.

При воздействии на датчик вибрационных ускорений колебания корпуса датчика вызывают в компенсирующем ПЭ 8 деформации сжатия или растяжения, приводящие к возникновению в нем электрических зарядов соответственно положительной или отрицательной полярности относительно корпуса датчика. На электродах рабочих ПЭ 4 и 5, включенных по электрической схеме встречно с ПЭ 8, возникают заряды противоположного относительно ПЭ 8 знака, что приводит к уменьшению суммарного заряда на выходе датчика от воздействия ускорения. Например, при воздействии ускорения на корпус датчика в направлении ударной волны (фиг. 1) ПЭ 4, 5 и 8 испытывают деформацию растяжения. При этом заряд от ПЭ 8, расположенного между инерционной массой и основанием, должен компенсировать заряды ПЭ 4 и 5 в суммарном заряде на выходе датчика от воздействия ускорения. По причине отклонений размеров и характеристик элементов конструкции датчика полной виброкомпенсации не происходит. Искажение формы электрического сигнала с датчика давления от воздействия виброударных ускорений, хотя и в меньшей степени, но сохраняется. Конденсатор 11 уменьшает напряжение на ПЭ 8, равное отношению заряда ПЭ 8 к сумме емкостей конденсатора 11 и ПЭ 8, и уменьшает вклад ПЭ 8 в суммарный электрический заряд на выходе датчика, обусловленный воздействием вибрационных ускорений. В результате снижаются колебания в электрическом сигнале датчика, вызванные вибрационными ускорениями и повышается точность регистрации профиля импульсного давления в ударной волне.

Настройка виброкомпенсации датчика осуществляется в процессе его изготовления изменением величины емкости конденсатора при воздействии вибрации, например, на вибростенде. Увеличение емкости конденсатора, подключенного к ПЭ 8, приводит к уменьшению вклада компенсирующего ПЭ 8 в суммарный заряд на выходе датчика. Уменьшение емкости конденсатора, наоборот, увеличивает вклад ПЭ 8 в суммарный заряд. В результате можно подобрать такое значение емкости конденсатора, для которого при воздействии вибрации суммарный заряд будет минимальным, что соответствует оптимальному режиму виброкомпенсации. Подбор емкости конденсатора легко осуществляется конденсатором переменной емкости с последующей установкой в конструкцию датчика давления конденсатора постоянной емкости.

Для реализации режима виброкомпенсации должно быть выполнено условие, согласно которому величина инерционной массы должна превышать значение, указанное в документации на датчик, с учетом допускаемых отклонений характеристик элементов конструкции датчика, например, пьезомодуля ПЭ.

Для снижения частотных и фазовых искажений (составляющие динамической погрешности) рабочий диапазон частот конденсатора должен быть не менее, чем у датчика, с учетом постоянной времени, обусловленной электрическим сопротивлением выводов и емкостью конденсатора. В диапазоне частот до 1 МГц указанную погрешность можно не учитывать.

Предприятием АО «ГосНИИмаш» разработана и проведена экспериментальная проверка заявленной конструкции датчика давления с ПЭ из пьезокерамики ЦТС-19, имеющими собственную емкость (600-700) пФ. Для опытного образца датчика без конденсатора чувствительность к ускорению (виброчувствительность), определенная на вибростенде, составила 15 Па/(м/с²). После подключения конденсатора и подбора его величины С=500 пФ, при закреплении датчика на вибростенде, виброчувствительность датчика снижена до 0,7 Па/(м/с²).

Проверена зависимость виброчувствительности датчика от повторяемости характеристик пьезоэлементов из пьезокерамики ЦТС-19. При замене рабочих ПЭ на другие (произвольным образом, из одной партии) в опытном образце датчика, конструкция которого допускала повторную сборку, виброчувствительность возросла с 0,7 до 3 Па/(м/с²). Изменением емкости конденсатора с 500 до 670 пФ виброчувствительность снижена до значения 0,8 Па/(м/с²).

Таким образом, технический результат (снижение амплитуды колебаний в электрическом сигнале пьезоэлектрического датчика, вызванных вибрационными ускорениями) достигнут, что обеспечивает повышение точности датчика.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим датчикам давления, предназначенным для измерения быстропеременных давлений в газообразной среде. В пьезоэлектрическом датчике давления ударных волн, содержащем токопроводящий корпус, с одной стороны которого закреплена мембрана, с другой - основание, за мембраной расположены два рабочих пьезоэлемента с токосъемной пластиной между ними, токопроводящая инерционная масса и виброкомпенсирующий пьезоэлемент, поляризованный в противоположном направлении относительно рабочих пьезоэлементов. Новым является то, что виброкомпенсирующий пьезоэлемент соединен с одним из рабочих пьезоэлементов электрически последовательно и введен конденсатор, соединенный электрически параллельно виброкомпенсирующему пьезоэлементу одним выводом через основание, а другим выводом через токопроводящую инерционную массу. Технический результат - снижение амплитуды колебаний в электрическом сигнале пьезоэлектрического датчика, вызванных вибрационными ускорениями в конструкции датчика. 2 ил.

Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн, содержащий токопроводящий корпус, с одной стороны которого закреплена мембрана, с другой - основание, за мембраной расположены два рабочих пьезоэлемента с токосъемной пластиной между ними, токопроводящая инерционная масса и виброкомпенсирующий пьезоэлемент, поляризованный в противоположном направлении относительно рабочих пьезоэлементов, отличающийся тем, что виброкомпенсирующий пьезоэлемент соединен с одним из рабочих пьезоэлементов электрически последовательно и введен конденсатор, соединенный электрически параллельно виброкомпенсирующему пьезоэлементу одним выводом через основание, а другим выводом через токопроводящую инерционную массу.