Пьезоэлектрический акселерометр Советский патент 1983 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к технике измерения параметров вибраций на различных объектах с малыми вибрационными смещениями, где требуется большой коэффициент преобразования датчика. В этой области приборостроения совершенство пьезоакселерометра в значительной степени определяется коэффициентом преобразования, определяющим его. принципиальную пригодность для измерения параметров движения объекта. Кроме того, к пьезоакселерометру предъявляется ряд других ва1жных тре бований: малые габариты и масса, широкий частотный диапазон, прочность и надежность. Известны конструкции пьезоакселерометров, в которых чувствительный элемент работает На изгиб и выполнен в виде плоского прямоугольного пьезоэлемента, скрепленного с металлической пластиной иустановле ного на четырех опорах перпендикулярно оси измерений Cl3Основным недостатком такой конструкции является срав,нительно маша жесткость при большой массе инерционного элемента, что приводит к зна чительному снижению частоты собстве ных колебаний, вибрационной и ударн прочности. Наиболее близким к предлагаегюму по технической сущности является пьезоакселерометр, содержащий корпу и расположенную в нем пьезопластину с размещенным на ней инерционным эл ментом и стойку, жестко связанную с корпусом и установленную перпендикулярно его оси 2 . При направлении вектора ускорени перпендикулярно плоскости сикмётрии чувствительного элемента пьезоэлемент испытывает деформации неравномерного растяжения - сжатия и,сдвиг Однако такая конструкция не позволяет существенно повйсить коэффиц ент преобразования без увеличения массы преобразователя, так как в ос нову принципа действия положен продольный пьезоэффект, вызываемый дёформацией растяжение - сжатие пьезо пластины. Целью изрбре гения является повышение коэффициента преобразования и собственной частоты колебаний. Поставленна1Я цель достигается тем, что в пьезоакселерометре, содержащем корпус и расположенную в нем пьеэопластину с размещенным на ней инерционным элементом и стойку жестко связанную с корпусом и установленную Перпендикулярно его оси, пьезопластина, скрепленная с металлической пластиной, установлена; параллельно стойке, снабженной опорами, касающимися пластины по двум противоположным краям и по параллельной им средней линии, при этом инерционный элемент имеет выступы, контактирующие с каждой из половин пьезопластины по центру. Поворот инерцио нного элемента при воздействии ускорения приводит к изгибу пьезопластины. Возникающие в результате поперечного пьезоэф- фекта заряды суммируются, На. чертеже изображен пьезоакселерометр. Пьезоакселерометр содержит пьезопластину 1, инерционный элемент 2, стойку 3, предназначенную для крепления акселерометра к изделию, жестко связанную с корпусом 4. -. . Пьезопластина 1 соединена с металлической пластиной S упругого подкрепления и установлена на шести опорах б. Инерционный элемент 2 упруго поджат к пьезоэлементу 1 с помощью стержня 7. Соединение инер-. ционного элемента с пьезоэлементом осуществляется с помощью двух выступов 8. Выступы 8 обеспечивают контакт инерционного элемента с пьезопластиной по линии, делящей каждую. из половины пьезопластины пополам, и перпендикулярно продольной оси пластины. Сила поджатия инерционного элемента регулируется гайкой 9. Пьезоэлектрический акселерометр работает следующим образом.. При воздействии ускорения, направленного перпендикулярно плоскости, проходящей через продольную ось инерционного элемента и две средние опоры пьезопластины, силаинерции создает поворотный момент, вызывгиоптй поворот инерционного элемента. Инерционный элемент выступами воздействует на пьезопластину. Моменты возникающих при этом сил реакции компенсируют поворотный момент инерционного элемента. Отрыв одного из выступов 8 инерционного элемента от пьезопластины исключает ся предварительным поджатием пьезопластины стержнем 7, обеспечивающим ее необходимый прогиб. . Принципиальное отличие предлагаеой конструкции от известной заклюается в там, что пьезопластина аботает на изгиб. Возникающие при том нормальные напряжения имеют знаения, близкие к предельно допустиым. В результате этого имеет место овышение коэффициента преобразова ия пьезоакселерометра. Коэффициент преобразования по заряду в предложенной конструкции опеделяется выражением: S Ч

где dg,- пьезомодуль,

Е - длина половины пьеэопластины,

HC, - расстояние от поверхности пьезопластйны до центра тяжести инерционного элемента, -.

М - масса инерционного элемента,

h и h+h2 -2Zf,, h h + 2; h.hj- толщины пьезопластйны и

пластины упругого подкрепления

7 Ei()+E2h2 т т , Е2. т

h- 2(E,h;+EJ.j 1+ -4 5

4 (hj- Zfl) - (h 2- 2„) h g ;

ОДУ-1И упругости материалов.

Если положить Е,Е 2, h-, h2, что соответствует случаю применения бй-

морфнгой пластины, то отношение коэффициентов преобразования предлагав мой и известной конструкций при равных массах М равно :

(2)

Из выражения (2) видно, что при

h мм, 1 в 10 л, коэффициент

преобразования предлагаемой конструк ции в 100 больше, чем известной.

В то же время при HgyZI коэффя циент преобразования предлагаемой конструкции превосходит коэффициент

преобразования пьезоакселёрометра с чувствительным элементом в виде пьезопластйны, расположенной на опорах, нагруженной массой М и работающей на изгиб. Частота сюбстйен

ных колебаний в. предлагаемой конструкции в четыре раза Biffiie.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус и располой нную в нем пьезопластину с ра мещенньт на ней инерционным элементом и стойку, жестко связанную с корпусом и установленную перпендикулярно его оси, о т л и ч а ю щ и и. с я тем, что, с целью повышения кбэффициента преобрагзования и собственной частоты колебаний, пьезопластина, скрепленная с металлической пластиной/ установлена параллельно стойке, снабжённой опорами, касакяоимися пластины по двум противоположным краям. и по параллельной Ш4 средней линии, при этом инерционный элемент имеет iBucTyhk, контактирующие с каждой из :поповин пьезопластины по центру.