Пьезоэлектрический акселерометр Советский патент 1986 года по МПК G01P15/09 

f

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в акселерометрах, предназна- ченнь Х для исследования ускорений, вызванных однократными или повторяющимися ударными воздействиями.

Известен пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание, металлический упругий элемент в виде консольной пластины или мембраны, инерционное тело и укрепленные на упругом элементе изгибно-чувстви- тельные пьезоэлементы ij .

Акселерометры с изгибаемым упругим элементом имеют большой коэффициент преобразования, но невысокую ударную прочность, позволяющую измерять незначительные ускорения и требующие особо бережного обращения с ними в работе. Кроме того, этот акселерометр имеет малый коэффициент затухания, что способствует проявлению переходных процессов- и увеличивает влияние побочных неизмеряемых колебаний.

Известен также пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание Цилиндрической формы с укрепленным в нем кольцевым пьезоэлементом, чувствительным к сдвиговым деформациям. Внутри пьезоэлемента размещено инерционное тело 2j .

Недостатками данного акселерометра являются невысокая ударная прочность, ограничивающая диапазон измеряемых ускорений, и чувствительность к случайным перегрузкам.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, соединенный с основанием, инерционное тело упругосое- диненное одним концом с корпусом и пьезоэлементом з ,

Пьезоэлементы выполнены в виде пластин и совмещают в себе упругий элемент и преобразователь механической энергии в электрическую. Упругое соединение инерционного тела с корпусом выполнено Б виде продольно- деформируемой упругой металлической связи, деформациями которой определяются деформации продольно-чувствительного пьезоэлектрического элемен(0

15

20

25

2167362

носктельный уровень снимаемого сигнала., т.е. низкий коэффициент преобразования, требуется применение элек тронной усилительной аппаратуры, не- 5 достаточно точное воспроизведение измеряемого процесса, вызванное влиянием собственных высокочастотных и неизмеряемых колебаний и значительной поперечной чувствительностью устройства, технологическая сложность изготовления из-за высокой точности сопряжения упругого и пьезоэлектрического элементов.

Целью изобретения является повышение коэффициента преобразования и точности воспроизведения измеряемого процесса за счет снижения влияния собственных высокочастотных и неизмеряемых колебаний и снижения поперечной чувствительности.

На фиг.1 схематично изображен предлагаемый пьезоэлектрический акселерометр; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Пьезоэлектрический акселерометр содержит корпус 1 и соединенное с ним с помощью пружины 2 инерционное тело 3, основание 4 и укрепленный на нем (пайкой или запрессовыванием) конус 5 из твердого сплава с при его вершине, равным 40-60 Инерционное тело 3 с помощью пружины 2 поджата к конусу 5 и снабжено продольными сквозными прорезями 6 35 на свободном конце, выполненными на части его длины, и центральным отверстием, ось которого совпадает с осью конического элемента 5. Прорези 6 образуют на свободном конце 40 инерционного тела 3 упругие изгибаемые элементы 7. На обработанных боковых поверхностях инерционного тела 3 между прорезями 6, т.е. на упругих изгибаемых элементах 7, прик- 45 реплены (наклеены) изгибно-чувстви- тельные пьезоэлементы 8, выполненные в виде пьезокерамических пластин и соединенные параллельно.

Пьезоэлектрический акселерометр 50 работает следующим образом.

При возникновении инерционной силы, направленной сверху вниз вдоль

30

углом /о

оси пьезоакселерометра, инерционное тело 3 смещается по направле- та. Известный акселерометр имеет дос- 55 этой силы за счет изгибной де- таточно высокие прочностные и динами- формации упругих изгибаемых эле- ческие характеристики, однако он име- ментов 7, раздвигаемых конусом 5, ет следующие недостатки: низкий от- Вместе с упругими изгибаемыми элеПьезоэлектрический акселерометр содержит корпус 1 и соединенное с ним с помощью пружины 2 инерционное тело 3, основание 4 и укрепленный на нем (пайкой или запрессовыванием конус 5 из твердого сплава с при его вершине, равным 40-60 Инерционное тело 3 с помощью пружины 2 поджата к конусу 5 и снабжено продольными сквозными прорезями 6 на свободном конце, выполненными на части его длины, и центральным отверстием, ось которого совпадает с осью конического элемента 5. Прорези 6 образуют на свободном конце инерционного тела 3 упругие изгибае мые элементы 7. На обработанных боковых поверхностях инерционного тела 3 между прорезями 6, т.е. на упругих изгибаемых элементах 7, прик- реплены (наклеены) изгибно-чувстви- тельные пьезоэлементы 8, выполненные в виде пьезокерамических пласти и соединенные параллельно.

углом /о

мептами 7 изгибную деформацию получают и пьезоэлемеиты 8.

Все необходимые параметры акселерометра выбирают из выражений

«0

iTi е /d/.-W

И5

иэ

lI -tQ об

маус

т- е

.3. ,9

Idi

п.э

И.Э

-и.ч

-п.э

(1) (2)

(3)

де cO|j - собственная частота колебаний пьезоакселерометра; количество изгибаемых элементов инерционного тела; модуль упругости материала изгибаемого элемента инерционного тела; момент инерции сечения изгибаемого элемента инерционного тела; масса инерционного тела; . длина изгибаемого элемента инерционного тела (прорези) ;

момент сопротивления сечения изгибаемого элемента инерционного тела; половина угла при вершине конического элемента; максимальное измеряемое ускорение;

допускаемое напряжение при , изгибе материала изгибаемого элемента;

момент сопротивления сечения изгибаемого элемента инерционного тела; максимальное напряжение, возникающее в изгибаемом элементе при действии максимально допустимого ускорения д ;

hf,, - толщина пьезоэлемента; h,.,, - высота сеченид изгибаемого

ifl у

элемента;

И -.

ЕИЭИэ

m

г

иэ06 а,jWaKC иэ

и пд модуль упругости материала изгибаемого элемента и пьезоэлемента соответственно;

5 Формула изобретения

i. Пьезоэлектрический акселерометр содержащий корпус, со единенный с основанием, инерционное тело, упруго

соединенное одним концом с корпусом и пьезоэлсментом, отличаю-., щ и и с я тем, что, с целью повышения коэффициента преобразования и точности воспроизведения измеряемого

процесса, он снабжен закрепленным на внутренней поверхности основания. жестким конусом, инерционное тело со стороны свободного конца выполнено на части длины с продольными сквозными прорезями и центральным отверстием, ось которого совпадает с осью конуса,, а пьезоэлементы размещены на внешней поверхности инерционного тела между прорезями и соединены параллельно, причем толщина пьезоэлемента выбрана по формуле

I L Е,

и 1л ,

П9 ИЭ jMasc

.

где - толщина пьезоэлемента;

-и

Е,-

И9 высота сечения изгибаемого элемента инерционного тела, образованного прорезями; /(//rij - допускаемое напряжение при изгибе материала

пьезоэлемента; J Make

U „ - максимальное напряжение,

возникающее в изгибаемом элементе инерционного тела при действии максимально допустимого ускорения;

Epj - модуль упругости материала

пьезоэлемента; Е,- модуль упругости материала

инерционш го тела.

2. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что угол при вершине конуса равен 40-60.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить коэффициент преобразования и точность воспроизведения измеряемого процесса. Инерционное тепло 3 од - ним концом упруго связано с корпусом 1 акселерометра, на другом его конце вьтолнены продольные сквозные прорези 6 и центральное отверстие, ось которого совпадает с осью конуса 5, закрепленного на основании 4. На внешней поверхности инерционного тела между прорезями, на упругих изгибаемых элементах размешены пье- зоэлементы 8, При возникновении инерционной силы, направленной сверху вниз вдоль оси акселерометра, инерционное тело 3 смещается по направлению этой силы за счет деформации изгибаемых элементов, раздвигаемых конусом. Эту же деформацию испытывают и пьезоэлементы. Уго.п при вершине конуса может быть 40- 60 , з.п.ф-лы, 2 ил. I (Л

вниипи

Тираж 778

Заказ 1010/56 Подписное

фиг,. Z

Филиал П1Ш Патент, г.Ужгород, ул.Проектная, 4