Трёхкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр Российский патент 2024 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к области измерительной техники, а конкретно к трёхкомпонентным пьезоэлектрическим акселерометрам, предназначенным для измерения ускорений в трёх ортогональных направлениях и может быть использовано в области виброметрии, сейсмологии.

Известны трёхкомпонентные акселерометры, например, типа 354 фирмы PCB, США (Трехкомпонентные акселерометры - Альфатех (alphatechgroup.ru) и сейсмоприёмники (см. А.с. СССР 1057910, опубликован в Б.И. № 44, 30.11.1983г.) содержащие корпус с расположенными в нем тремя независимыми чувствительными элементами, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны. Коэффициенты преобразования независимых чувствительных элементов по ортогональным осям пропорциональны массам инерционных элементов. Общий недостаток таких конструкций сравнительно большие габариты и масса вследствие наличия инерционного элемента в каждом чувствительном элементе.

Известен трёхкомпонентный акселерометр с одним чувствительным элементом (см. Патент РФ 2061242, опубликован 27.05.1996г.). Коэффициенты преобразования по ортогональным осям этого акселерометра пропорциональны массе инерционного элемента, а при его отсутствии массе пьезоэлемента, что позволяет уменьшать массу и габаритные размеры акселерометра. Однако, в такой конструкции коэффициент преобразования по одной из осей с деформацией растяжения-сжатия имеет меньшее значение, чем по двум другим осям с деформацией сдвига. Например, для пьезокерамики ЦТС19 пьезомодуль растяжения-сжатия d33 = 400 пК/Н, а сдвига d15 = d24 = 560 пК/Н, следовательно, отличие составляет 40%, что является существенным недостатком. Кроме того, жесткость чувствительного элемента по оси с деформацией растяжения-сжатия также существенно, до двух раз, отличается от жесткости по двум другим осям с деформацией сдвига, из-за чего собственная частота по осям чувствительности также будет иметь различные значения, что также является существенным недостатком.

Известен трёхкомпонентный вибропреобразователь (см. А.с. СССР 1798628, опубликован в Б.И. № 8, 28.02.1993г.) с одним кубическим инерционным элементом с жестко прикреплёнными к его граням пьезоэлементами, расположенными по меньшей мере с трёх взаимно ортогональных сторон кубического инерционного элемента и связанными с корпусом. Плоские пьезоэлементы связаны с корпусом, по меньшей мере через три цилиндрических или шарообразных сегмента. Коэффициенты преобразования по ортогональным осям такого вибропреобразователя пропорциональны массе одного инерционного элемента, что позволяет уменьшать массу и габаритные размеры вибропреобразователя.

Недостатками вышеуказанного устройства являются:

1) введение в последовательную связь пьезоэлементов с корпусом дополнительных деталей, цилиндрических или шарообразных сегментов, приводит к уменьшению жесткости связи, что в свою очередь приводит к уменьшению резонансной частоты устройства;

2) сопряжение цилиндрической поверхности сегмента с цилиндрической поверхностью корпуса в поджатом состоянии происходит по линии соприкосновения, сопряжение шарообразной поверхности сегмента с шарообразной поверхностью корпуса в поджатом состоянии происходит в точке соприкосновения, а это и в том и в другом случае за счёт уменьшения площади контакта приводит к уменьшению контактной жесткости сопряжения, что также приводит к уменьшению резонансной частоты устройства. Изготовление деталей даже с максимально высокой точностью не может исключить технологических погрешностей и, следовательно, не может устранить этого недостатка.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Решаемой технической проблемой является создание трехкомпонентного пьезоэлектрического акселерометра с расширенным частотным диапазоном.

Достигаемым техническим результатом является обеспечение возможности увеличения собственной частоты за счёт увеличения жесткости соединения пьезоэлементов с корпусом.

Для достижения технического результата в трехкомпонентном пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем корпус с установленным в нём кубическим инерционным элементом с жестко прикреплёнными к его граням плоскими пьезоэлементами, состоящими по крайней мере из двух пластин с токосъёмником между ними, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны, в инерционном элементе выполнены три взаимно перпендикулярных отверстия, оси которых не пересекаются между собой и совпадают с осями чувствительности пьезоэлементов, при этом в каждое отверстие инерционного элемента установлен подпружиненный крепёжный элемент для жесткой фиксации пьезоэлементов между корпусом и инерционным элементом.

На чертеже представлено заявляемое устройство.

Трехкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр содержит корпус 1, с установленным в нём кубическим инерционным элементом 2 с жестко прикреплёнными к его граням плоскими пьезоэлементами 3 и 4 с токосъёмником 5 между ними, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны. В инерционном элементе 2 выполнены три взаимно перпендикулярных отверстия 6, оси которых не пересекаются между собой и совпадают с осями чувствительности пьезоэлементов. В каждое отверстие инерционного элемента установлен крепёжный элемент 7, с пружиной 8 для жесткой нормированной фиксации пьезоэлементов 3 и 4 между корпусом 1 и инерционным элементом 2.

Новая совокупность существенных признаков в заявляемом устройстве позволяет увеличить жесткость связи плоских пьезоэлементов с корпусом, за счёт возможности исключения из связи пьезоэлементов с корпусом последовательной жесткости дополнительных элементов и введения параллельной жесткости крепёжного элемента с пружиной, вследствие чего происходит увеличение собственной частоты устройства и расширение частотного диапазона.

Устройство работает следующим образом. Пространственное ускорение, воздействующее на корпус 1 трёхкомпонентного акселерометра, воспринимается инерционным элементом 2. Возникающая при этом сила инерции приводит к смещению инерционного элемента и деформации пьезоэлементов 3 и 4, пропорционально составляющим силы инерции, действующим по осям чувствительности пьезоэлементов. Под действием деформации в пьезоэлементах происходит образование электрического заряда, пропорционального соответствующей составляющей воздействующего ускорения и снимаемого с помощью токосъёмников 5.

Был изготовлен опытный образец, проведённые испытания подтвердили его работоспособность.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области пьезоэлектрических акселерометров. Трехкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр содержит корпус с установленным в нём кубическим инерционным элементом с жестко прикреплёнными к его граням плоскими пьезоэлементами, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны, в инерционном элементе выполнены три взаимно перпендикулярных отверстия, оси которых не пересекаются между собой и совпадают с осями чувствительности пьезоэлементов, при этом в каждое отверстие инерционного элемента установлен подпружиненный крепёжный элемент для жесткой фиксации пьезоэлементов между корпусом и инерционным элементом. Технический результат – расширение частотного диапазона трехкомпонентного пьезоэлектрического акселерометра. 1 ил.

Трехкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус с установленным в нём кубическим инерционным элементом с жестко прикреплёнными к его граням плоскими пьезоэлементами, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны, отличающийся тем, что в инерционном элементе выполнены три взаимно перпендикулярных отверстия, оси которых не пересекаются между собой и совпадают с осями чувствительности пьезоэлементов, при этом в каждое отверстие инерционного элемента установлен подпружиненный крепёжный элемент для жесткой фиксации пьезоэлементов между корпусом и инерционным элементом.