Пьезоэлектрический акселерометр центростремительного ускорения Российский патент 2023 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения центростремительного ускорения в системах ориентации и навигации подвижных объектов, применяемых в ракетно-космической технике и авиационной промышленности, системах управления для формирования закона управления приводом.

Известен пьезоэлектрический акселерометр (Патент РФ № 2301424 Пьезоэлектрический акселерометр), содержащий многослойный пакет пьезокерамических пластин, состоящий из трех секций. Секции включают группы из трех пластин. Крайние пластины в группе снабжены диаметральными пазами, заполненными коммутационными шинами. Одна из средних пластин поляризована целиком по толщине, две другие средние пластины содержат сегменты, поляризованные по толщине в противоположных направлениях. Секции с сегментированными пластинами повернуты одна относительно другой на 90° вокруг продольной оси пакета. Устройство позволяет измерять виброускорения в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Известен пьезоэлектрический акселерометр (Патент РФ № 2582910 Пьезоакселерометр), состоящий из предусилителя и концентрично расположенных кольцевых инерционной массы, корпуса и пьезочувствительного элемента в виде трех пьезоэлектрических секторов, один из которых выполнен с осевой поляризацией, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов. Кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов. Второй и третий пьезоэлектрические сектора выполнены с радиальной поляризацией. Такой пьезоакселерометр работает на деформации сдвига и позволяет измерять три компоненты вектора ускорения.

Известен пьезоэлектрический акселерометр (Патент РФ № 2627571 Пьезоэлектрический акселерометр), содержащий компенсационный пьезоэлектрический элемент с поперечным радиальным направлением поляризации, установленным на диэлектрической прокладке между рабочим пьезоэлементом и основанием, позволяющий преобразовать механические напряжения, возникающие в основании вследствие его деформации, в пропорциональный электрический сигнал, который используется для компенсации сигнала помехи от деформации.

Перечисленные выше устройства позволяют измерять вибрационные и ударные ускорения, существенным их недостатком является технологическая сложность изготовления.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является акселерометр для измерения линейных ускорений (Патент РФ № 2730423 Акселерометр для измерения линейных ускорений), содержащий генератор, пьезоблок, интегрирующее устройство и контроллер, выполняющий функцию формирования на своем выходе управляющего сигнала. Устройство направлено на повышение точности определения линейных ускорений, но не является средством измерения только центростремительного ускорения.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка пьезоэлектрического акселерометра для измерения центростремительного ускорения.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый акселерометр, так же, как и известный, содержит генератор знакопеременного сигнала, выход которого через проходную емкость соединен с керамическим пьезоэлементом. Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве пьезоэлемент выполнен в виде диска с радиальной поляризацией и с отверстием посередине, цилиндрические поверхности которой покрыты металлизацией, причем по внешней цилиндрической поверхности равномерно распределена пробная масса, толщина которой не превышает радиальный размер преобразователя, внешняя поверхность пьезоэлемента соединена через проходную емкость с выходом генератора знакопеременного сигнала и с входом низкочастотного фильтра.

Достигаемым техническим результатом является расширение номенклатуры пьезоэлектрических акселерометров.

Технический результат достигается за счет того, что под действием напряжения возбуждения в пьезокерамике из-за наличия пьезоэлектрического механического импедансов возникают механические знакопеременные радиально направленные напряжения, которые суммируются с механическим напряжением, вызванным воздействием центростремительного ускорения на пробную массу, расположенную по наружной цилиндрической поверхности. Суммарное напряжение, снимаемое с выхода преобразователя, можно представить в виде: где - напряжение знакопеременного сигнала возбуждения, - напряжение, синфазное с напряжением возбуждения и амплитудой , намного меньше амплитуды напряжения возбуждения , - напряжение смещения средней линии знакопеременного сигнала, вызванное центростремительным ускорением. Таким образом, измеряется только центростремительное ускорение, так как к остальным линейным ускорениям, действующим в плоскости пьезоэлектрического преобразователя, акселерометр не чувствителен: половина преобразователя испытывает влияние линейных составляющих с положительным знаком, а другая – с отрицательным, таким образом они взаимно компенсируются.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема пьезоэлектрического акселерометра центростремительного ускорения, состоящего из генератора 1 знакопеременного сигнала, конденсатора 2, пьезокерамического чувствительного элемента 3 (фиг.2) с металлизацией внешней и внутренней поверхностей 4, пробная масса 5, и фильтра 6 нижних частот. Генератор 1 создает знакопеременный сигнал, частота которого выше верхней частоты спектра центростремительного ускорения и близка к частоте собственных колебаний пьезоэлемента. Практический опыт работы с пьезоэлектрическими преобразователями показывает, что наименьшие искажения имеет знакопеременный сигнал возбуждения гармонической формы.

Пьезокерамический чувствительный элемент 3 выполнен в виде диска с металлизацией внешней и внутренней цилиндрических поверхностей 4 и радиальной поляризацией. Металлизация цилиндрических поверхностей с пробной массой 5 создает цилиндрический конденсатор 2 емкостью: где - толщина шайбы (высота цилиндра), - радиусы цилиндрических поверхностей (), - диэлектрическая проницаемость, - электрическая постоянная. Пробная масса 5 располагается равномерно по всей поверхности металлизации и может быть получена различными технологическими способами нанесения покрытия на поверхность пьезокерамического элемента (гальванический способ, напыление, вжигание и т.п.). Для снижения температурных деформаций пробная масса выполняется не сплошной, а в виде секторов.

Фильтр нижних частот 6 служит для выделения полезного сигнала, содержащего информацию о действующем центростремительном ускорении. Верхняя частота фильтра равна верхней частоте полосы пропускания действующего ускорения и составляет не более нескольких кГц.

Таким образом, описание устройства доказывает возможность создания нового акселерометра для измерения центростремительного ускорения на базе новой конструкции пьезоэлемента.

Изобретение относится к области измерительной техники. Пьезоэлектрический акселерометр центростремительного ускорения содержит генератор знакопеременного сигнала, выход которого через емкость соединен с керамическим пьезоэлементом, при этом пьезоэлемент выполнен в виде диска с радиальной поляризацией и с отверстием посередине, цилиндрические поверхности которого покрыты металлизацией, причем по внешней цилиндрической поверхности равномерно распределена пробная масса, толщина которой не превышает радиальный размер преобразователя, внешняя поверхность пьезоэлемента соединена через проходную емкость с выходом генератора знакопеременного сигнала и с входом низкочастотного фильтра. Технический результат – возможность измерения акселерометром центростремительного ускорения. 2 ил.

Пьезоэлектрический акселерометр центростремительного ускорения, содержащий генератор знакопеременного сигнала, выход которого через емкость соединен с керамическим пьезоэлементом, отличающийся тем, что в предлагаемом устройстве пьезоэлемент выполнен в виде диска с радиальной поляризацией и с отверстием посередине, цилиндрические поверхности которого покрыты металлизацией, причем по внешней цилиндрической поверхности равномерно распределена пробная масса, толщина которой не превышает радиальный размер преобразователя, внешняя поверхность пьезоэлемента соединена через проходную емкость с выходом генератора знакопеременного сигнала и с входом низкочастотного фильтра.