Трехкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр Советский патент 1992 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится, к измерительной технике, к технике измерения параметров вибрации и сейсмических колебаний грунтов.

Рациональная конструкция трехкомпо- нентного сейсмометра типа ТПС известна 1. Сейсмометр состоит из общего для трех каналов инерционного элемента, пьезоэлектрических пакетов, устройств поджима пьезоэлементов. Несмотря на оригинальность компоновки сейсмометра, его чувствительность невысока, так как он не оптимизирован по чувствительности. В частности, отношение высоты пьезоэлектрического пакета h к его диаметру D значительно меньше единицы.

Низкочастотный акселерометр 2 содержит основные элементы, характерные для трехкомпонентного пьезоэлектрического акселерометра с общим инерционным элементом. Достоинством данного акселерометра является высокая чувствительность за счет установки пьезопакетов с отношением , а фактически h/D 3. Недостатком данного акселерометра является невозможность увеличения чувствительности путем дальнейшего увеличения массы инер-0 ционного элемента (например, в 10 раз), так как при данной конструктивной схеме снижается частота крутильных колебаний, что ограничивает рабочий диапазон частот. Кроме того, данная конструктивная схема не позволяет увеличить чувствительность за счет увеличения размеров пьезопакето в при заданных габаритах. Рассмотренный акселерометр Ьудем считать прототипом.

Целью изобретений является увеличение чувствительности путем размещения пьезопакетов еще большей высоты при тех же размерах инерционного элемента при одновременном увеличении частоты крутильных колебаний.

Сущность изобретения состоит в том. что в трехкомпонентном пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем корпус. внутри которого с зазором установлен инер(Л

С

XI

О О

О

Ю

ционный элемент с отверстиями, в которых между корпусом и инерционным элементом установлены пьезоэлектрические пакеты, отверстия в инерционном элементе выполнены попарно-параллельно в трех взаимно перпендикулярных плоскостях равноудаленными от оси инерционного элемента и непересекающимися друг с другом.

Повышение чувствительности (при равной массе инерционного элемента, габаритах и при равной величине электрической емкости предлагаемого акселерометра и прототипа) достигнуто за счет установки пьезоэлектрических пакетов большей высоты, чем в прототипе, что стало возможным благодаря тому, что отверстия в инерционном элементе выполнены попарно-параллельно в трех взаимно перпендикулярных плоскостях равноудаленными от оси инерционного элемента и непересекающимися друг с другом.

Дальнейшее увеличение чувствительности возможно путем увеличения массы инерционного элемента т. но увеличение массы ограничено допустимым снижением резонансной частоты крутильных колебаний.

Можно показать, руководствуясь теорией механических колебаний, что квадрат резонансной частоты- крутильных колеба- -ний заявляемого акселерометра определяется по формуле

& 1

Ek 5Э 1Г

(D

(2 Я)2 2Lim/G где Ек - модуль упругости пьезокерамики;

Зэ площадь поперечного сечения пье- зоэлемента;

b - расстояние между пьезоэлемента- ми;

р - радиус инерции инерционного элемента;

U - длина пьезолакета. а квадрат резонансной частоты крутильных колебаний акселерометра-прототипа - по формуле

1 12 ЕСТ dbn

(2 Я)2

f202

(2)

где Ест - модуль упругости стали;

1шп. dujn длина и диаметр шпильки.

Отношение резонансных частот foi и fo2 в соответствии с приведенными формулами равно

Ек S3 i/ I

шп

fob/

fa 2 Li 1,2 Ест dun

Определим отношение частот при следующих параметрах:

0,7.1011 н/м2, Ест 2,М011 н/м2

83с1шп 0,3-КГ2 м, Li 3, 4..

Ек .,. .,. - 0.69. м2. м, Шп 7.10 2l b

Подставляя данные параметры в форму- лу (3), получим

Ј1 10.

f02

Таким образом, заявляемый акселерометр имеет дополнительное преимущество

0 - в 10 раз более высокую резонансную частоту крутильных колебаний при одинаковой массе т. Тем самым открывается возможность проектировать акселерометры с большей массой инерционного элемента.

5 Возможно отметить, что при увеличении размеров корпуса и инерционного элемента расстояние между пьезопакетами можно пропорционально увеличивать, что вызывает увеличение частоты крутильных колеба0 ний заявляемого акселерометра пропорционально Ь. что подтверждает преимущества предлагаемого устройства.

Пример конструктивного выполнения

5 заявляемого трехкомпонентного акселерометра приведен на чертеже. Акселерометр показан в разрезе в трех проекциях: а) разрез по оси X (канал X), б) разрез по оси Y (канал Y), в) разрез по оси Z (канал Z).

0 В корпусе 1 размещен инерционный элемент 2, сопрягающийся с зазором по внутреннему контуру корпуса. В инерционном элементе в трех взаимно перпендикулярных плоскостях выполнены шесть

5 отверстий (по два отверстия в каждой плоскости). Шесть пьезоэлектрических пакетов 3 размещены между инерционным элементом и корпусом 1 (по два пьезоэлектрических пакета в каждой плоскости).

0 Армирующие шпильки, стягивающие пьезо- элементы, корпус и инерционные элементы между собой, не показаны.

Акселерометр работает следующим образом. Под действием сейсмической волны

5 (или вибрации) возбуждаются колебания корпуса 1 акселерометра. В общем случае колебания происходят одновременно по осям X, Y и2, и каждый канал воспринимает соответствующую проекцию вектора коле0 бательного ускорения на ось X, Y, Z. Инерционный элемент 2 в соответствии с теорией колебаний колеблется с некоторым запаздыванием относительно колебаний корпуса. В связи с разностью по амплитуде

5 и фазе колебательных ускорений инерционного элемента и корпуса возникает механическая деформация пьезоэлементов 3 каналов X, Y , Z и на выходе появляется электрический сигнал.

Формула изобретения Трех компонентны и пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, внутри которого с зазором установлен инерционный элемент с отверстиями, в которых установлены пьезоэлектрические пакеты между корпусом и инерционным элементом, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, отверстия в инерционном элементе выполнены попарно параллельно в трех взаимно перпендикулярных плоскостях равноудаленными от оси инерционного элемента и непересекающимися друг с другом.

Изобретение относится к технике измерения вибрации и сейсмических колебаний. Сущность изобретения: акселерометр содержит корпус, внутри корпуса с зазором установлен инерционный элемент с отверстиями, в которых установлены пьезоэлектрические пакеты между корпусом и инерционным элементом, причем отверстия в инерционном элементе выполнены попарно-параллельно в трех взаимно перпендикулярных плоскостях равноудаленными от оси инерционного элемента и непересекающимися друг с другом. 1 ил.