Пьезоэлектрический акселерометр Советский патент 1984 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике.

Известны пьезоэлектрические акселерометры, содержащие основание, на котором установлены чувствительный элемент с электродами, вместе составляющие монолит, крыпку и соединительный кабель .

К недостаткам указанных акселерометров следует отнести невысокие сопротивление изоляции и механическую прочность при высоких уровнях вибрации (свыше 1000) и ударных нагрузках большой длительности (cBfcSue 100 мс) .

Недостаточно высокое сопротивление изоляции, являющееся следствием того, что электроды выходят на поверхность чувствительного элемент а, а межэлектродные слои керамики малы, оказывает существенное влияние на качество и технологичность сборки акселерометра.

Невысокая механическая прочность акселерометра заключается в том, что при высоких уровнях вибрации И1 ударных нагрузках большой длительности наблюдаются случаи разрушения чувствительного элемента, а именно расслоение (разрыв) чувствительного элемента по какому-нибудБ из электродов. Одной из причин этого является несовершенство oneрации нанесения металлизирующего покрытия (электрода), сложность которой заключается в том, что на всю поверхность сырой (не спеченной пьезокерамической заготовки практически невозможно нанести равномерный слой платиносодержа11ей пасты, используемой в качестве металлизирующего покрытия, и тем более проконтролировать его толщину. Неравномерность (разнотолщинность) металлизирукщего покрытия приводит к различной степени диффузии платины в пьезокерамическую основу при спекании пакета чувствительного элемента. Это явление в свою оче редь приводит к неоднородной степени адгезии платинового электрода с керамикой и как следствие, к различной механическсП прочности и к разрыву (отслоению) как по площади одного электрода, так и между разньлми электродами.

Цель изобретения - повычение надежности путем повышения сопротивления изоляции и механической прочности пьезоэлектрического акселерометра .

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержшчем основание, на котором установлен чувствительны элемент с электродами, которые вместе составляют монолит, крышку

и соединительный кабель, электроды выполнены с выводами, которые на боковой поверхности чувствительного

.элемента образуют коммутирующие дорожки и размещены внутри объема чувствитепьного элемента на расстоянии от горцовых поверхностей, равном толщине межэлектродного промежутка, а от боковой образуквдей на расстоянии от минимального, равного толщине межэлектродного промежутка до максимального, определяемого из формулы

и:; г

-1

Jh4

где г - радиус электрода;

6р - прочность сцепления материала электрода с керамикой чувствительного элемента;

6. прочность пьеэокерамики при статическом растяжении; П - сила поджатия чувствительного элемента в акселерометре.

На фиг. 1 схематически представлен пьезоэлектрический акселерометр на фиг.2 - поперечное сечение блока чувствительного элемента.

Пьезоэлектрический акселерометр .содержит основание 1 акселерометра с резьбовым штырем для крепления акселерометра к испытуемому объекту, блок 2 чувствительного элемента, крышку 3, соединительный кабель 4, электроды 5 чувствительного элемента, выводы 6, коммутиругадие дороки 7, соелиняюь1ие электроды одинаковой полярности.

Величина заглубления электродов тело блока 2 чувствительного элемента определяется величиной сопротивления изоляции, требованиями, предъляемыми к механической прочности акселерометра и его конструкции.

Величина заглубления электродов в тело блока чувствительного элемента, т.е. расстояние крайних электродов от торцов чувствительного элмента и краев электродов от боковой образуквдей, принимается равной толщине межэлектродного промежутка. Это расстояние считается оптимальным, так как при менычей его величине может произойти пробой по телу керамики на поверхность в случае ее загрязнения или с крайних электродов на металлоконструкцию дачика, к которой прикреплен чувствительный элемент. Большая величина заглубления электрода также нецелесообразна, так как пробойная толщина диэлектрика определяется межэлектродным промежутком, а масса и габариты чувствительного элемента и, следовательно акселерометра, возрастают. Для того, чтобы механическая пр ность акселерометров на растяжение определялась из механической прочности на растяжение пьезокерамических материалов, а не механиче кой прочностью сцепления электродо с керамикой, добавляется слой керамики вокруг чувствительного элемента с электродами, выходящими на ружу, т.е. площадь поперечного сечения чувствительного элемента уве личивается. Оптимальная величина максимального расстояния электродо от боковой обраэуквдей определяется из следующего расчета. Усилие, необходимое для разрыва чувствительного элемента с электродами, выходящими на поверхность, равно ,s где |, - площадь электрода; 3 - прочность сцепления электрода с керамикой. Усилие, необходимое для разрыва чувствительного элемента с электро дами, выходящими на поверхность, при условии, что его прочность определяется прочностью на растяжение пьез.окерамического материала а не прочностью сцепления электродов с керамикой, будет равно - 5аЧ . где 6 - прочность пьезокерамичес кого материала при стати ческом растяжении. Иэ приведенных данных видно, что . Для того, чтобы производить расчет прочности чувствительного элемента, а следовательно и акселерометра, исходя из прочности мат риала керамики, необходимо увеличи прочность чувствительного элемента на величину 2- s.(V.S). 5 что достигается добавлением слоя керамики вокруг чувствительного эле мента с электродами, выходящими наружу, и соответственно увеличением поперечного сечения чувствительного элемента. Это увеличение определяем по формуле к |с где 5 - площадь, на которую увеличи вается поперечное сечение чувствительного элемента по предлагаемому изобретению. Таким образом, площадь блока чув ствительного элемента равна 5.). 9 - плсхцадь поперечного сечения блока чувствительного элемента. Из (5) получае м -.2-- . (И 5э х. Из этого соотношения и определяя величина максимального заглубия электродов в тело блока от овой образующей. Для простей1чеслучая блока чувствительного элета круглой формы, она имеет вид о - максимальное расстояние от концов электродов до боковой образующей; г- - радиус электрода. В некоторых конструкциях акселероров чувствительные элементы нахося в предварительно поджатом соянии. В этом случае предварительподжатие в зависимости от величичастично или полностью компенсит недостаток механической проч ( . ти чувствительного элемента, . компенсирует силу F и в этом чае формула (3) имеет вид (М-%. ). РЗ - величина силы, на которую необходимо увеличить прочность чувствительного элемента для того, чтобы при расчетах исходить из прочности пьезокерамического материала. Заменив в формуле (4) силу F на ,р5 олучим . и, о„6. V.к Подставив (9) и (5) S.S,S S. 2--г -/63 bv, Ьи к ; J(c Из (10) получаем окончательное ажение для общего случая 5 . . --6-7IV S К ражение (7) для общего случая лет вид

При достаточно больших энаяениях выражение (11) можк-г принимать нулевое или отрицательное значения, а значение выражения (12) соответственно может быть меньше толщины межэлектродного промежутка, равняться нулю или принимать мнимое значение. В этом случае расстояние от концов электродов до образующей выбирается из требований сопротивления изоляции и принимается равным межэлектродному промежутку. тЪлтина

керамического слоя между крайними электродами и торцовыми поверхностями чувствительного элемента при разрывных усилиях не имеет значения и определяется по требованиям сопротивления изоляции.

Таким образом, предлагаемая конструкция пьезоэлектрического акселерометра позволяет повысить его нгщежность путем повышения сопротивления изоляции и механической прочности.

ПЬЕЗСеЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий основание, на котором установлен чувствительный элемент с электродами, которые вместе составляют монолит, крышку и соединительный кабель, о т л ичающийся тем, что, с целью повьваения надежности путем повьюения сопротивления изоляции и механической прочности, в нем электроды выполнены с выводами, которые на боКОБОЙ поверхности Ч5 ствительного элемента образуют кслячутиругадие дорожки и размещены внутри объема чувствительного элемента на расстоянии от торцовых поверхностей, равном толщине межэлектродного промежутка , а от боковой образующей на расстоянии от минимального, равного толщине межэлектродного промежутка, до максимального, определяемого из формулы ««г 2JTr e. i где р - радиус электрода; ij - прочность сцепления материа(Л ла электрода с керамикой чувствительного элемента, 6 - прочность пьезокерамического материала при статическом растяжении; Fpсила поджатия чувствительного элемента в акселерометре. / 5 5 S 5 / / / О) 00 со о: