Пьезоэлектрический акселерометр Советский патент 1992 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению вибрационных и ударных ускорений.

Пьезоэлектрические акселерометры подвергаются во время эксплуатации различным внешним воздействиям, поэтому их конструкция должна обеспечивать устойчивость (малую дополнительную погрешность измерения) и прочность (способность неразрушения) к этим воздействиям.

Наиболее устойчивы к тепловым и механическим воздействиям акселерометры со сдвиговым пьезопреобразователем 1. В таких акселерометрах измеряемое ускорение вызывает сдвиговую деформацию пье- зопреобразователя, в то время как паразитные воздействия вызывают главным образом растяжение-сжатие, в результате чего ложный сигнал от них (а. следовательно, и дополнительная погрешность) оказывается малым.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является пьезоэлектрический акселерометр, описанный в 2. Он содержит основание со стойкой, перпендикулярной основанию, преобразователь, работающий на сдвиг, и инерционный элемент, расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с ней. Измерительная ось акселерометра совпадает с осью стойки, а осевое сечение д инерционного элемента является прямоугольником. Неизмеряемые механические и тепловые воздействия передаются от основания к пьезопреобразователю через нижнюю часть стойки, вызывая ее симметричное растяжение-сжатие, убывающее с расстоянием до основания. Эта деформация стойки почти не приводит к сдвиговой деформации преобразователя, вследствие чего паразитный сигнал акселерометра почти отсутствует. Поэтому сдвиговые акселерометры этого вида имеют самые малые дополнительные погрешности при воздействии внешних влияющих факторов. Известно несколько конструктивных разновидностей сдвиговых пьезоэлектрических акселерометров, отличающийся числом и формой составных частей преобразователя и инерционного элемента

(Л

С

XI ON О

Јь О

сл

2. Однако высокая помехоустойчивость такого акселерометра сочетается с низкой вибропрочностью, обусловленной относительно малой собственной частотой в направлении,перпендикулярном измерительной оси (поперечная собственная частота). Реальные вибрационные и ударные процессы имеют несколько пространственных составляющих, возбуждающих колебания чувствительного элемента акселерометра во всех направлениях. Для обеспечения надежности иточности акселе- ромера необходимо, чтобы ускорение на частоте любого резонанса не превосходило 1/30 статического значения допустимого и этот резонанс не попадал в рабочий диапазон частот. Поперечная собственная частота тем выше, чем меньше масса инерционного элемента и больше изгибная жесткость стойки. Но уменьшение массы приводит к потере чувствительности, а увеличение жесткости (достигаемое уменьшением, длины или увеличением толщины стойки) - к изменению характера деформации стойки при воздействии на основание, росту паразитной деформации преобразователя и в конечном счете увеличению погрешности акселерометра. Значения жесткости о известных конструкциях соответствуют компромиссу между этими проти- воречивыми требованиями и обеспечивают значения поперечной собственной частоты, R 3-4 раза меньше основной, то есть соответствующие верхней границе частотного диапазона или попадающие в пего. Таким образом, малая поперечная вибропрочность приводит к снижению не только надежности, но и реального диапазона частот.

Целью изобретения является повышение надежности и точности путем увеличения вибропрочности акселерометра,

Эта цель достигается тем, что в известном акселерометре, содержащем основание со стойкой, перпендикулярной основанию, сдвиговый пьезопреобразова- тель и инерционный элемент, расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с пей, торцевая поверхность инерционного элемента и поверхность основания обращенные друг к другу выполнены под наклоном к периферии основания.

На чертеже изображен разрез предлагаемого акселерометра, а создаваемый технический эффект - приводимым ниже расчетом (1 - основание,2 - стойка, 3 - пье- зопреобразователь, А - инерционный элемент, а - угол наклона инерционного элемента к посадочной плоскости). Измерительная ось показана стрелкой.

Как видно из чертежа, при данной конфигурации инерционного элемента его центр инерции лежит ближе к посадочной поверхности, нежели при отсутствии наклона ( а.- 0). Поэтому изгибающий момент при действии поперечного ускорения оказывается меньшим, что при неизменных массе инерционного элемента и размерах стойки эквивалентно увеличению жесткости на изгиб, т.е. увеличению поперечной собственной частоты.

Форма верхней поверхности основания, повторяющая наклон инерционного элемента, выбрана с целью сохранения длины стойки и жесткости основания.

Оценка эффективности заявляемого технического решения произведена на примере конструкции одного из наиболее.совершенных современных акселерометров 7701-1000 фирмы Эндвеко, выполненного по конструктивной схеме, приведенной в 2. Поперечную собственную частоту в этом случае рассчитывают по формуле

у2 Гс ТТ

0)

где I, E, I, m - длина, изгибная жесткость и масса стойки соответственно;

Хо - наименьший корень уравнения

1

- (1+chxcos x)-x(sin x chx -cosx shx)2Ј x2 sinxshx-( 5+ Ј 2)x3(sinx chx+cosx shx) - n д x4 (1-chx cosx) 0(2)

где n - отношение масс инерционного эле- мента и стойки;

д - квадрат отношения радиуса инерции инерционного элемента к длине стойки; Е - отношение расстояния от конца стойки до центра масс инерционного элемента к длине стойки.

Расчет был выполнен для двухсекционного инерционного элемента в форме параллелепипеда с отношением толщины к длине, равном 1/2, и длиной, равной восьми длинам стойки. Эти значения близки к реальной конструкции датчика. Корень уравнения (2) равна 0,142; 0,183; 0,194 для а 0; 30; 45° соответственно. Подстановка этих значений в формулу (1) дает:

fn-30

1,68

fn-45

1,88,

fn-0 uu fn-0 где число в индексе соответствует значе-- ниюугла а в градусах. Таким образом, увеличение поперечной собственной частоты составляет 68-88% с соответственным увеличением вибропрочности, а также сдвигом поперечного резонанса за пределы рабочего диапазона частот.

Положительный эффект настоящего технического решения достигается теоретически при любых значениях угла а из интервала 0-90°. Однако практически при а (15-20°) эффект очень мал (увеличение поперечной собственной частоты не превосходит единиц процентов). С другой стороны, увеличение а сверх (45-50°) приводит к заметному снижению поперечной жесткости основания и увеличению высоты акселерометра. Поэтому оптимальные значения угла а заключены в интервале 15-45°.

Технический эффект изобретения заключается в повышении надежности сдвигового акселерометра, расширении области его применения и уменьшения частотной погрешности при измерении реальных вибрационных и ударных процессов.

0

5

Формула изобретения

1.Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание со стойкой, перпендикулярной основанию, сдвиговый пьезоп- реобразователь и инерционный элемент, расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с ней, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности путем увеличения вибропрочности, торцевая поверхность инерционного элемента и поверхность основания, обращенные одна к другой, выполнены под наклоном к периферии основания.

2.Акселерометр поп. 1,отличающи- й с я тем, что угол наклона составляет 15-45° к посадочной плоскости основания.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении динамических процессов в машинах и механизмах. Сущность изобретения: акселерометр содержит основание со стойкой, перпендикулярной основанию, сдвиговый пьезопреобразова- тель и инерционный элемент, расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с ней. инерционный элемент и обращенная к нему поверхность основания выполнены наклоненными к периферии основания. Оптимальные значения угла наклона к посадочной плоскости акселерометра находятся в интервале 15-45°. 1 э.п. ф-лы. 1 ил.