Пьезоэлектрический датчик давления и способ его настройки Советский патент 1992 года по МПК G01L9/08 

основания 10 эквивалентно усилию поджа- тия рабочего пьезоэлемента. Для точного задания усилия на компенсирующий пьезо- элемент 9 введена коническая винтовая пара, состоящая из втулки-шестерни 11 и конического винта 12. Настройка датчика по виброкомпенсации осуществляется в два этапа. На первом этапе в процессе сборки датчика компенсирующий пьезоэлемент 9 предварительно поджимают к компенсирующей мембране 7 за счет резьбовой втулки- шестерни 11с усилием, эквивалентным

усилию поджатия рабочего пьезоэлемента 4. На втором этапе датчик устанавливают на вибростенд, подключают к нему измерительную аппаратуру и при воздействии на него вибрации определенной величины, регистрируя характеристики, регулируют собственную частоту компенсирующего пьезоэлемента до совпадения с собственной частотой рабочего пьезоэлемента путем изменения силы поджатия компенсирующего пьезоэлемента. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения быстропеременных, ударных и акустических давлений. Цель изобретения - уменьшение погрешностей от воздействия вибраций и повышение точности настройки во всем частотном диапазоне вибраций. Датчик давления содержит корпус 1, за одно целое с которым выполнена воспринимающая мембрана 2, подушка 3 и рабочий пье- зоэлемент 4. Корпус 1 через основание 5 герметично соединен с помощью сварки с нижним корпусом 6, в котором размещен виброкомпенсирующий узел, который состоит из компенсирующей мембраны 7, виброгруза 8 и компенсирующего пьезоэлемента 9, идентичных соответственно воспринимающей мембране 2, подушке 4 и рабочему пьезоэлементу 4. Компенсирующий пьезоэлемент 9 поджат к компенсирующей мембране 7 с помощью нижнего 2 3 ь , / / (Л С 2 чэ v| OJ со

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при конструировании и -производстве пьезоэлектрических датчиков, предназначенных для измерения быст- ропеременных, ударных и акустических давлений, а также для измерения параметров вибраций.

Известен пьезоэлектрический датчик давления, содержащий корпус с мембраной и установленный внутри корпуса пьезоэлемент, выполненный в виде цилиндра. В данном устройстве с целью повышения точности и уменьшения влияния ускорения, опора пьезоэлемента в корпусе расположена в плоскости, разделяющей цилиндр на две симметричные части 1.

Известен пьезоэлектрический датчик давления, в котором с целью снижения влияния вибраций на точность измерения цилиндрический пьезоэлемент разделен кольцевой прорезью на внутреннюю цилиндрическую и внешнюю кольцевую части равной площади, причем на внутренней части пьезоэлемента установлен воспринимающий давление диск.

Недостатком указанных датчиков является то, что они до конца не обеспечивают компенсацию паразитного сигнала от вибрации.

Известен пьезоэлектрический датчик давления, содержащий корпус, в котором выполнены две камеры, в первой из которых размещен рабочий пьезоэлемент, а во второй - компенсирующий. Для повышения виброустойчивости компенсирующий элемент конструктивно изолирован от действия измеряемого давления.

Недостаток известной конструкции датчика заключается в том, что рабочий пьезоэлемент находится в предварительно нагруженном состоянии, а компенсирующий - в ненагруженном. Это ведет к разнице собственных частот рабочего и компенсирующего элементов, к различной

чувствительности их к воздействию вибрации во всем рабочем диапазоне частот и, как следствие этого, погрешность от вибрации оказывается достаточно велика.

Известен способ настройки пьезоэлектрического датчика давления по виброкомпенсации заключающийся в том, что пьезоэлемент в конструкции прибора размещают так, что его опора располагается в

плоскости, которая разделяет указанный пьезоэлемент на две симметричные части. Вследствие этого, при действии ускорений в направлении оси датчика суммарный выходной сигнал датчика от действия вибрации стремится к нулю, а .при действии поперечных составляющих ускорений паразитного сигнала не возникает из-за симметрии пьезоэлемента относительно его продольной оси 1.

Недостаток известного способа заключается в том, что освободить компенсирующую часть пьезоэлемента от рабочего давления практически до конца никогда не удается, а это полностью отражается на точности настройки (снижает ее), кроме того, не удается добиться полной симметрии рабочей и компенсирующей частей условно разделенного при закреплении пьезоэлемента. Известен способ настройки пьезоэлектрического датчика быстропеременных дав- лений, заключающийся в том, что виброкомпенсирующий узел в конструкции прибора размещают отдельно от рабочего пьезоэлемента, исключая воздействие на

компенсирующий пьезоэлемент быстропе- ременного давления, а затем поджимают его к опорному основанию с помощью постоянного груза.

Недостатком способа является то, что

пьезозлементы оказываются нагружены различными усилиями, отсюда разница собственных частот, неравномерность частотных характеристик поджатых пьезоэлементов и, как следствие, их разная

чувствительность к вибрации.

Цель изобретения - уменьшение погрешностей от воздействия вибраций и повышение точности настройки во всем частотном диапазоне вибраций датчика.

Изобретение делает возможным реали- зацию двух совершенно идентичных чувствительных элементов, один из которых (основной - рабочий) воспринимает как давление, так и вибрацию, другой же (дополнительный - компенсирующий) только вибрацию, причем чувствительность к вибрации обоих пьезоэлементов при их окончательном закреплении становится равной, а так как между собой пьезоэлементы электрически соединены встречно, вследствие чего сигнал с пьезомодулей складывается в противофазе, с выхода измерительной схемы датчика снимается сигнал, пропорциональный только измеряемому давлению. Идентичность расположения и закрепления чувствительных элементов обеспечивается как конструктивными признаками датчика, так и его методом настройки, обеспечивающим одинаковые усилия поджатия рабочего и компенсирующего пьезоэлементов.;

На фиг, 1 показан пьезоэлектрический датчик, общий вид; на фиг. 2 - схема настройки датчика предлагаемым способам.

Пьезоэлектрический датчик содержит корпус 1, за одно целое с которым выполне- на воспринимающая мембрана 2, связанная через подушку 3 с рабочим пьезоэлементом 4. Рабочий пьезоэлемент 4 защемлен между мембраной 2 и основанием 5 с определен нум усилием, зависящим от величины воз- действующего давления и конструктивных характеристик устройства. Корпус 1 через основание 5 герметично соединен с помощью сварки с нижним корпусом б, в котором размещен виброкомпенсирующий узел. Виброкомпенсирующий узел состоит из компенсирующей мембраны 7, которая выполнена идентично воспринимающей мембране 2 и за одно целое с нижним корпусом 6, виброгруза 8 и компенсирующего пьезоэлемента 9, также идентичных соответственно подушке 3 и рабочему пьезоэле- менту 4. Компенсирующий пьезоэлемент 9 поджат к компенсирующей мембране 7с помощью нижнего основания 10 и резьбо- вой конической втулки-шестерни 11с усилием, близким к усилию поджатия рабочего пьеэоэлемента 4.

Для более точного задания усилия на компенсирующий пьезоэлемент 9 и созда- ния возможности настройки собранного датчика в датчик введен конический винт- шестерня 12. входящий совместно с втулкой 11 в коническую винтовую пару. Для обеспечения ее нормальной работы коническая

передача выполнена, исходя из условия: отношение шагов резьб равно передаточному числу конической передачи, т.е. tt Za 12 Zi

где ft и Zi - соответственно шаг резьбы и число зубьев винта-шестерни 12:

t2 и Za - соответственно шаг резьбы и число зубьев втулки-шестерни 11.

Настройка датчика по виброкомпенсации проводится в два этапа: первый - этап грубой настройки и второй - этап точной настройки. Грубая настройка осуществляется в процессе сборки датчика и заключается в предварительном поджатии компенсирующего пьезоэлемента 9 к компенсирующей мембране 7, за счет резьбовой втулки-шестерни 11с усилием, Эквивалентным усилию поджатия рабочего льезоэлёмента 4. Данное усилие задаётся определенным моментом затяжки втулки 11, величина которого зависит от усилия поджатия рабочего пьеэоэлемента 4. Второй этап начинается после окончательной сборки датчика. Датчик устанавливают на вибростенд, подключают к нему измерительную аппаратуру и при воздействии на него вибрации определенной величины, регистрируя характеристики с рабочего и компенсирующего пьезоэлементов во всем заданном частотном диапазоне, определяют конкретную частоту, на которой имеется наибольшая амплитудная разница. Точную настройку осуществляют на указанной частоте, меняя за Счет поворота винта 12 усилие поджатия на компенсирующий пьезоэлемент 9 так, чтобы разница между сигналами от вибрации с рабочего и компенсирующего элементов была минимальна, После окончательной настройки винт 12 контрится любым известным способом (сварка, пайка, клейка и т.д.), а рабочий и компенсирующий пьезоэлементы коммутируются с помощью электрических выводов 13 в одну общую измерительную схему.

Датчик давления работает следующим образом.

При действии на приемную полость датчика измеряемого параметра, например бы- стропеременногодавления,

воспринимающая мембрана 2 передает деформацию через подушку 3 на рабочий пьезоэлемент 4, Под действием деформации в указанном пьезоэлементе возникают заряды, которые снимаются с электродов через выводы 13 и подаются на вторичную аппаратуру. При одновременном действии измеряемого параметра и вибрации сигнал, связанный с возникновением зарядов в рабочем пьезозлементе 4 от действия вибрации, компенсируется встречным сигналом от вибраций, возникающим в компенсирующем пьезоэлементе 9, в связи с чем с выхода измерительной системы на вторичную аппаратуру (например, усилитель заряда Девиз) поступает сигнал, пропорциональный только измеряемому быстропеременному давлению.

Технико-экономическими преимуществами изобретения является следующее: погрешность датчиков от вибрации снижена в 2,5 раза; виброэквивалент уменьшен в 2,25 раза; неравномерность частотной характеристики снижена в 2,4 раза.

Формула изобретения Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий полый корпус и основание, разделяющее корпус на верхнюю и нижнюю части, в верхней части корпуса размещены мембрана и рабочий пьезозяемент, поджатый к мембране основанием, а в нижней части корпуса установлен компенсирующий пьезоэлемент, при этом рабочий и компенсирующий пьбзоэлементы включены электрически параллельно, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешностей от воздействия вибраций, он снабжен компенсирующей мембраной, выполненной за одно целое с нижней частью корпуса, и конической винтовой парой, выполненной в виде резьбовой втулки, сопряженной с внутренней поверхностью нижней части корпуса с возможностью перемещения по его оси, и винта, установленного в нижней части корпуса и контактирующего с втулкой, при этом компенсирующий пьезоэлемент зажат между компенсирующей мембраной и резьбовой втулкой.

пьезоэлемента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности настройки во всем частотном диапазоне вибраций, нагружают компенсирующий пьезоэлемент сосредоточенной силой, эквивалентной усилию поджатия рабочего пьезоэлемента, устанавливают датчик на вибростенд и при действии вибраций в заданном частотном диапазоне регулируют собственную частоту компенсирующего пьезоэлемента до совпадения с собственной частотой рабочего пьезоэлемента путем изменения силы поджатия компенсирующего пьезоэлемента.

1

п