Пьезоэлектрический акселерометр Советский патент 1992 года по МПК G01P15/09 

Предполагаемое изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к измерению вибрационныхускорений с использованием пьезоэлектрических преобразователей или акселерометров.

Известны пьезоэлектрические акселерометры фирмы Брюль и Кьер (Дания) фабричной марки Delta Sheaz, в которых плоские пьезоэлементы в количестве 3-х штук размещены на гранях треугольной призмы. Пьезоэлементы погружены инерционными массами и поджаты кольцом, охватывающим все три элементы,

Поджатие в виде единого кольца может быть существенно либо металлом, обладающим памятью, либо при повышенной температуре кольца. И в том. и в другом случае температурный диапазон акселерометра ограничен температурой, при которой ещё сохраняется упругое поджэтие элементов.

Кроме того, совместное поджатие трех элементов требует очень высокой точности

и чистоты обработки как металлических деталей, так и пьезокерамики. В Частности, чистота обработки пьезокерамики и сопрягаемых с ней металлических поверхностей должна быть не ниже 8-10 класса.

Собственная электрическая емкость акселерометра ограничена наличием только 3-х пъезоэлементов, что является серьезным недостатком при работе акселерометра на удлиненные линии.

Известны также пьезоэлектрические акселерометры фирмы Endevco (США) конструктивной схемы ИЗОШИР, в которых пакеты плоских пьезоэлементов размещены с двух сторон ножевой опоры и стянуты единой шпилькой. Основной недостаток этой конструкции - сравнительно низкий резонанс (не более 32 кГц) при достаточно высокой емкости, которая набрана из пакета пьезоэлементов, соединенных электрически параллельно. В этом также заключен определенный недостаток конструкции, так

как необходимо обеспечить токосъем с рэз- нознаковых электродов пьезоэлементов, а это требует введения токосъемных шайб. Конструкция становится громоздкой, между пьезоэлементами находятся промежуточные слои, снижающие жесткость, прочность и однородность чувствительных узлов, что и приводит к снижению резонансной частоты и температурного диапазона.

Ближайшим аналогом изобретения является пьезоакселерометр, в котором основание выполнено в виде многогранника в частности, в форме усеченной пирамиды, на боковых гранях которой укреплены пьезоп- реобразователи, а инерционная масса снабжена вырезом по форме многогранника.

Выполнение инерционной массы с вырезом, идеально подогнанным ко всем поверхностям усеченной пирамиды, практически не дает возможность реализо- . вать это техническое решение. Это обусловлено необходимостью высокой точности подгонки металлических поверхностей ко всем пьезоэлементам, расположенным на гранях многогранника, что приданной форме сопрягаемых поверхностей достигнуть не удается. Такая подгонка возможна при конусных поверхностях, цилиндрических, т.е. обладающих осевой симметрией.

Цель изобретения - повышение коэффициента преобразования и увеличение резонансной частоты.

Указанная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем основание, инерционную массу и расположенные между ними пьезопреобра- зователи в основании выполнены осесим- метричные выборки с образованием пересекающихся плоскостей, имеющих перпендикулярные торцевой поверхности основания плоские боковые грани, на каждой из которых закреплены плоские пьезоэлектрические элементы, причем инерционная масса состоит из нескольких частей и каждая по форме повторяет выборки.

Достижение положительного эффекта при использовании заявляемой совокупности существенных признаков обусловлено следующим.

Наличие выборок в верхней части основания позволяет увеличить число поверхностей для размещения пьезоэлементов при тех же габаритных ограничениях, что создает условия для резкого возрастания чувствительности акселерометра по заряду, а нагружения пьезоэлементов инерционной массой в выборках приближает ее к геометрической оси, повышает жесткость ее крепления и конструкции в целом, тем самым повышая резонансную частоту.

На фиг. 1 показан вид сбоку акселерометра; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг.

3 - торцовая поверхность верхней части основания с четырьмя выборками, вид сверху. Акселерометр содержит основание 1, на торцевой поверхности верхней части которого (фиг.З) выполнены осесимметричные

0 выборки, имеющие плоские боковые грани 2, перпендикулярные торцевой поверхности основания. На каждой из боковых граней выборок закреплены (приклеены) плоские пьезоэлектрические элементы 3,

5 попарно, подгруженные инерционными массами 4, размещенными в выборках и имеющими форму повторяющую форму выборки, которая может быть, например, клиновидной, трапецеидальной или

0 прямоугольной.

Для упрощения технологии изготовления верхняя часть основания с выборками на ее торцевой поверхности может быть изготовлена в виде отдельной детали, пред5 ставляющей собой, например, крестовину (при упомянутой форме выборки), число которых равно 4/360°, ), которую закреп- ляют на основании (приваривают, приклеивают притягивают винтами) так, что

0 между пьезоэлементами с инерционными массами и основанием имеется зазор. Этим обеспечивается работа пьезоэлементов на сдвиг.

Инерционные элементы 4 электрически

5 закорачиваются и соединяются с центральной жилой измерительного кабеля (на фиг. не показан), а основание замыкают на экран кабеля.

Акселерометр закрепляется на исследу0 емом объекте с помощью шпильки.

В предлагаемой конструкции инерционные массы могут быть выполнены выступающими над торцевой поверхностью верхней части основания (крестовины) в осевом на5 правлении, а чувствительный узел, образованный верхней частью основания с размещенными в его выборках пьезоэлементами и инерционными массами, может быть перевернут и установлен на нижней части

0 основания на инерционные массы. При таком выполнении конструкции инерционные массы становятся опорой и выполняют роль основания акселерометра, а крестовина - инерционным элементом. Этим достигается

5 резкое увеличение коэффициента преобразования акселерометра при некотором снижении резонансной частоты.

Реализация конструкции обеспечивает универсальность применения предлагаемого акселерометра.

Акселерометр работает следующим образом.

При воздействии динамического сигнала вдоль продольной оси акселерометра, инерционные массы 4 установленные с зазором относительно основания 1, вследствие инерции смещаются вверх или вниз, деформируя пьезоэлементы 3 на срез. Пропорционально деформации на электродах пьезоэлементов возникают электрические заряды, которые через измерительный кабель подаются на вход измерительного прибора.

Макетный образец акселерометра массой 6 г и габаритами 016 х 14 мм (без крепежной шпильки) показал коэффициент преобразования той же величины, что и акселерометр типа 4391 (Delta 5пеаг,Брюль и Къер, Дания), при резонансной частоте, вдвое большей (40 кГц - тип 4391, 72-82 кГц - заявляемый акселерометр).

Преимущества заявляемого пьезоаксе- лерометра по сравнению с аналогами заключается в следующем.

Достоинства конструкции ИЗОШИР (Erdevco Corp, США), выраженные в сравнительно высокой емкости, реализуется за счет того, что в конструкции имеется пьезоэлементов вдвое больше числа выборок. При этом сохраняется высокая резонансная

частота, фактически равная резонансной частоте одного чувствительного узла, размещенного в данной выборке. Доступность обработки поверхностей выборок создает неоспоримое предпосылки для реализации конструкции предполагаемого изобретения.

Конструкция имеет и существенные преимущества перед фабричной маркой Delta Sheaz Брюль и Кьер,Дания),так как позволяет в тех же габаритах реализовать, по крайней мере, удвоенную емкость, что дает возможность вдвое увеличить коэффициент преобразования по заряду.

Формула изобретения Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание, инерционную массу и расположенные между ними пьезопреобра- зователи, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента преобразование и увеличение резонансной частоты, в основании выполнены осесимметричные выборки с образованием пересекающихся плоскостей, имеющих перпендикулярные торцевой поверхности основания плоские боковые грани, на каждой из которых закреплены плоские пьезоэлектрические элементы, причем инерционная масса состоит из нескольких частей и каждая по форме повторяет выборки.

Фаг. 2

Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание, инерционную массу и расположенные между ними пьезопреобразователи. В основании выполнены осесимметричные выборки с образованием пересекающихся плоскостей, имеющих перпендикулярные торцевой поверхности основания плоские боковые грани, на каждой из которых закреплены плоские пьезоэлектрические элементы, причем инерционная масса состоит из нескольких частей и каждая по форме повторяет выборку. 3 ил.