Пьезоэлектрический преобразователь ускорения Советский патент 1983 года по МПК G01P15/09 

j

(Л

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности для измерения ударных и вибрационных ускорений в широко диапазоне частот и амплитуд.

Известен пьезоэлектрический преобразователь ускорения, который состоит из корпуса, инерционного тела и пьезоэлектрического элемен М .

Пьезоэлектрический элемент, вы.полнен в вийе отдельной детали, несущей механическую нагрузку, создаваемую инерционной силой, обусловленной измеряемым ускорением, и несущей также все другие механические воздействия, вызванные неизмеряе1 ыми влияющими величинами

Недостатком данного преобразователя является наличие в.его конструкции стыков пьезоэлемента и деталей датчика, воспринимающих и уравновешивающих действующие при измерении нагрузки, что сопряжено с повы1иенной чувствительностью таких преобразователей к деформации корпуса преобразователя- и объекта измерения, и солряжено также с повышенной- поперечной и ротационной чувствительностью.

Наиболее близким к предлагаемому является пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содерл ащий чувствительный элемент из пьезоматериала, соединительный кабеЛь, электрически связанный с основанием 2 .

Недостатком известного преобразователя является сравнительно низкая точность и.змерения. Это обусловлено тем, что в конструкциях таких преобразователей имеет место передача механических усилий (нагруз.ок.) , возникающих в процессе измерения через посредство стыков пъезоэлемента и других де.талей преобразователя, вследствие чего картина распределения механических напряжений и степень нагружения пьезоэлемента оказываются в большой мере зависящими не только от инерционных усилий, возникающих под действием измеряемого ускорения, но и от ряда других механических воздействий,, а также технологических факторов. Механические характеристики стыков (волнистость, шероховатость, контактная жесткость и ряд других) полностью определяются технологией и являются случайными. Разброс этих характеристик, изменение распределения давления внутри стыка под действием приложенных нагрузок, изменение температуры, времени воздействия и сочетания этих факторов делают весьма нестабильными характеристики преобразователя, особенно в отношении чувствительности к неизмеряемым физическим величинам. С целью уменьшения этого влияния прибегают к тщательной шлифовке и полировке контактных поверхностей, однако влияние контактов остается все-таки очень значительным. Поэтому чувствительность такого пьезоакселерометра к деформации исключить практически невозможно.

Цель изобретения .- повышение точности измерения ускорений.

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе ускорений, содержащем чувствительный элемент из пьезоматериала, соединительный кабель, электрически связанный с основанием, основание выполнено в виде цельного осесимметричного тела на поверхности которого нанесены слой пьезоматериала и проводящий слой, связанный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основания больше его диаметра.

На чертеже показан пpeдлaгae iый преобразователь.

В преобразователе на основании 1 с резьбовым хвостовиком,2, служащим для привинчивания преобразователя на объекте, имеется цилиндрический осесимметричный выступ 3, на котором напылен слой 4 пьезоэлектрического материала, а на слое 4 нанесена проводящая пленка 5. Кабель б связи входит Б поперечное отверстие, выполненное- в основании 1, и закрепляется в нем путем пропайки оплетки этого кабеля по наружной поверхности вокруг отверстия, в которое он входит. Кабель использован с фторпластовой изоляцией,- выдерживающей нагревание во время пайки без нарушения , механической и электрической проч ности. Проводящая пленка 5, предварительно электрически соединенная с тонким проводником 7, имеющим изоляционное покрытие, например проводой марк ПЭВ 0,1, пропущена сквозь отверстие 8 в выступе 3 и электрически связана с центральной жилой кабеля 6, например, пайкой. Таким образом, внутренняя поверхность пьезоэлектрического слоя соединена электрически с экраном кабеля б, а наружная - с центральной жилой этого кабеля, Пьезопреобразов&тель защищен от внешних воздействий крышкой 9, которая припаивается к основанию 1, а полости .в основании 1 заливают изоляционной заливоч.ной массой.

При изготовлении пьезоэлектрический слой 4 необходимо поляризовать, что можно обеспечивать подачей соответствующего на11ряжения по кабелю связи.

Перёд изменением преобразователь завинчивают в резьбовое отверстие, . предварительно подготовленное в объекте измерения; ось которого расположена в направлении измеряемого .ускорения. Кабель связи соединяют с согласующим усилителем.

Пьезоэлектрический преобразователь ускорения работает следующим образом.

В первом приближении, достаточном для данного рассмотрения, можно считать, что при ударе все элементы объекта и преобразователя испытывают инерционные усилия, прямо . пропорциональные действующему ускорению, и, если ускорение изменяется во времени, то и инерционные усилия изменяются пропорционально усксретнию. Пусть для определенности ускорение направлено от хвостовика 2 в выступу 3, тогда инерционное усилие, действующее на все уЧасткн выступа 3 направлено,в сторону хвостовика 2. .Под действием этого усилия все сечения выступа 3, преодолевая упругое сопротивление материала, перемещаются вниз, причем величина перемещения будет тем больше, чем ниже располагается сечение. При этом будет деформироваться и пьезоэлектрический слой 4-, средняя деформация которого будет также про- . порциональна действующему ускорению. На электроде 5 возникнет заряд, прямо пропорциональный действующему ускорению, а заряд, в свою очередь, создает на электроде .5 и центральной жиле кабеля 6 соответствующее электрическое напряжение..

Возникающая при ударе .деформация объекта, над1ример искривление поверхности или растяжение ее в поперечном, по отношению к оси чувствител-ьносТи преобразователя , направлении, не приводит -к возникновению сигнала на выходе пре- , образователя, так как выступ 3, выполненный за. одно целое с основанием 1 и представлякяций собой . осесимметричное тело, ось которо-, го совпадает с осью преобразовате- ля, оказывается нечувствительным к неизмеряемым физическим величи-нам в силу следующих причин.

Выступ 3, выполненный за одно целое с основанием 1 и изготовленг ный так, что ось его совпадает с осью симметрии основания, представляет собой однородное симметрияное тело, в силу чего распределе-. ние напряжений, возникающих от влияющих величин, в выступе 3 будет симметричным. По этой причине многие влияющие величины, например

поперечные инерционные усилия, приводящие к изгибу стержня, будут компенсироваться поскольку, с одной стороны пьезоэлектрический слой будет испытывать растяжение, а с другой стороны выступа 3 - сжатие. Возникающие при это .1 заряды одинаковы по величине и противоположны по знаку, в силу чего они уничтожаются.

0

Высота выступа 3 больше, чем его диаметр. По этой причине жесткость выступа по отношению к сжатию-растяжению в поперечном направлении, определяемая площадью диаметрального сечения выступа

5 выше, чем в продольном направлении, так как эта жесткость определяется площадью радиального сечения. По этой причине и чувствительность к продольной деформации, которая воз

0 ннкает под действием измеряемого ускорения , выше чувствительности к поперечной деформации, вызванной паразитной деформацией объекта и основания преоб.разователя.

5

Пьезоэлектрический слой, нанесенный на .поверхность выступа 3 мето дами интегральной технологии, может иметь значительно большую однородность и равномерность по

0 толщине по сравнению с прототипом, где стык пьезоэлемент-основание вносит большую неойределенность в картину распределения напряжений. По этой причине механические и .

5 электрические свойс.тва слоя также будут значительно более однородными и равномерными, что обеспечивает высокую степень компенсации противоположных зарядов при изгибных напряжениях,поэтому чувст0 .вительность предлагаемого преобразователя к неизмеряемым физическим величина будет существенно ниже..

Кроме того, предлагаемый пре5образователь может быть изготовлен чрезвьй-айно малых габаритов и весов, ранее не доступных для производства. Габариты преобразователя легко могут быть по край0ней мере в 2 раза уменьшены по сравнению с.существующими миниатюрными преобразователями, масса при этом уменьшится в 4 ра1за (до О,9 г).

5

Ввиду отсутствия переходных контактных жесткостеИ стыков, а .также благодаря, существенному уменьшению габаритов преобразователя его собственная частота возрастает примерно в 2 раз.а по сравнению с

0 известным (резонансная частота увеличится при этом примерно до 400 кГц), а прочность и предел измерения возрастут также примерно в 2 раза (до 2-10 ). Предлагаемый преобразователь обеспечивает значительно большую точность благодаря выполнению основаиия в виде немного осесимметричного тела, на поверхность которого нанесен слой пьезоматериала и проводящий слой, соединенный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основания больше его диаметра.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ , содержащий чувствительный- элемент из пьезоматериала, соединительный кабель, электрически связанный с основанием, от. личающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, основание выполнено в виде цельного осесимметричного тела, на поверхности которого нанесены слой пьезрматериала и проводящий слой, связанный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основания больше его диаметра.