Многокомпонентный пьезоэлектрический тендем-вибродатчик Советский патент 1993 года по МПК G01P15/09 

.. Изобретение относится к. измерительной технике, а именно к устройствам, использующимся для контроля и исследования механи- чес ких колебаний в задачах виброметрии и сейсмометрии. . ; Целью изобретения является повыше- ниф точности измерения многокомпонентного пьезоэлектрического вибродатчика, преимущественно в режиме акселерометра. Известны двух- и трехкомпонентные пЦзоэлектрйчёскиё вибродатчики, состоящие из Двух или трех однокомпонентных датчиков, конструктивно объединенных общим корпусом. Существенное их преимущество переД однокомпонентными датчиками, монтируемыми на контролируемом объекте самостоятельно, точность взаимной ортогональности трех измерительных осей, прочность и удобство монтажа, а основной

недостаток - разобщённость трех инерционных элементов и, следовательно, невозможность фиксации точки, в которой производится измерение.

Известен лишенный этого недостатка трехкомпонентный датчик с общим инерционным элементом, конструктивно оформленный по центрированной схеме тендем, принятый за прототип. Общая точка измерения совпадает здесь с центром инерции подвижной части системы. В этом устройстве и ему ан ало гичн ы х испол ьзуетея ко м п рес- СйонИая деформация пьезопластин и пье- зомодуль dsa. Точнсстные характеристики датчика могли бы быть существенно улучшены за счет использования сдвиговой де- формаци пластин и пьезомодуля di5, что, однако, до настоящего времени не удавалось из-за отсутствия конструктивных схем,

М

Ю Ю

ся

Сд vj

W

обеспечивающих одновременность и однородность процесса измерения всех трех ортогональных компонентов ускорения.

Указанная задача одновременного совмещения схемы тендем и сдвиговой деформации пластин вместе с условием однородности выполняется благодаря предлагаемому расположению и объединению пластин и пакетов.

На фиг. 1,2 и 3 представлен трехкомпо- нентный вибр одатчик; на фиг.4 - двухком- понентный.

Вйбродатчик состоит из общего инерционного элемента 1 в биде твердого тела (например, в форме куба, шара или двух конусов, сложенных основаниями) и расположенных по разные его стороны в общем случае трех пар пакетов 2,3,4 по несколько пьезопластин в каждом, в нише 5 корпуса 6, укрепленного основанием на контролируемом объекте 7. В пакетах для определенности по две пластины, плоские электроды и изоляционные прокладки не показаны.

В вибродатчике использована сдвиговая деформация пластин, поляризованных в плоскости и расположенных так, чтобы направления векторов поляризации были взаимно перпендикулярны в соседних пластинах каждого пакета и в одинаковых слоях соседних пакетов, как поясняется стрелками. . --.-.

При вибрации на каждой пластине возникает заряд

q Sdi5Cr,

где S - площадь пластины с одной стороны;

di5 - используемый пьез омодуль; . а - упругое напряжение в пластине при сдвиге. образующееся под действием силы, вызванной компонентом, направленным вдоль вектора поляризации.

Из фиг. 1-4 видно, что каждый пакет контролирует по два компонента виброускорения вдоль осей X.Y и Z, а каждый из трех компонентов одинаковым образом контролируется четырьмя пакетами двух пар.

Знак заряда на электродах пластины определяется направлением поляризации, . Одновременно на ялектродах пластины может возникнуть помеха - электрическое напряжение от воздействия внешних физических полей, не зависящих от пьезоэффекта, а связанных, например, с условиями эксплуатации.

При надлежащем выборе направлений поляризации для каждой пары, образованной смежными пластинами, находящимися в двух противолежащих пакетах (в одну и ту

же или противоположные стороны), и соответствующем включении пластин в общую цепь со второй парой из соседних пакетов, тоже контролирующих данный компонент,

заряды этих пар складываются и усредняются, а помехи попарно взаимовычитаются.

Таким образом, вибродатчик действительно приобретает новые свойства, повышающие точность его функционирования:

усреднение снимаемого сигнала по четырем пакетам двух пар, различно ориентированных в пространстве, и защищенность от помех через их самокомпенсацию.

С целью дальнейшего повышения точности измерения, в частном случае, когда вибродатчик предназначен для работы в условиях гравитации и желательно устранить неоднородность ее деформирующего действия на пластины, пакеты, перпендикулярные силе тяжести, в систему не включаются. Например, если сила тяжести направлена вдоль оси Z, то отсутствует пара пакетов 2. Однако датчик остается трехкомпонентным,

так как компоненты вибрации вдоль, осей X и Y продолжают контролироваться пакетами 3 и 4,

В частном случае, когда требуется измерение только двух компонентов, достаточно

одной пары пакетов (фиг.4). При этом, как это видно из сравнения с фиг. 1, допустимо в пределах данного пакета перемещать пластины из слоя в слой без нарушения установленных направлений поляризации и

электрических соединений.

Датчик остается работоспособным, если в каждом пакете содержится одна пластина. В частном случае двух пакетов по одной пластине в каждом, датчик работает

без взаимокомпенсации помех.

Достижение цели создания многокомпонентного .центрированного пьезоэлектрического вибродатчика с высокими техническими характеристиками свелось к

решению задачи органического сочетания трех научно-технических идей, положенных в основу разработки и образующих обобщенные признаки устройства:

а) использована центрирован ная многостепенная колебательная система типа

тендем с общим.инерционным элементом,

расположенным между шестью пакетами

пьезоэлектрических пластин, образующих в

общем случае три пары;

б) применена сдвиговая деформация пьезопластин, поляризованных в своей плоскости;

в) предложена схема расположения и объединения пластин и пакетов.

Сочетание всех признаков а).б)и в) вместе приводит к следующим полезным свойствам, определяющим сверхэффект:

.1) однородность устройства в отношении одновременного измерения всех трех взаимно ортогональных компонентов виброускорения;

2) повышение точности измерения благодаря усреднению выходного сигнала по двум парам, т.е. четырем разнесенным пакетам пластин;

3) повышение точности измерения благодаря защите через взаимокомпенсацию по Четырем пакетам значительной части наводок от внешних физических полей;

4) повышение точности измерения благодаря дополнительной защите через взаимо- компенсацйю от пироэффекта, возникающего при быстром изменении температуры внеш- нейсреды;

5) в частном случае наличия двух пар пакетов датчик остается трёхкомпонент- ным, с некоторым ухудшением усреднения сигнала, но приобретением свойства защиты От деформационного действия силы-тяжести на пластины;.

6) в частном случае наличия одной пары пакетов датчик становится двухкомпонентНЫМ. : ..:... ... . Ч д : ; /:.

Благодаря признаку а) сохраняются следующие известные полезные свойства измерительного устройства;

7) простота принципиальной схемы, обеспечивающая конструктивность реального устройства, четкость функционирования, надежность и удобство эксплуатации,

8) неподверженность растеканию свободных колебаний инерционного элемента по шести степеням свободы;

9) минимизация вынужденных угловых колебаний инерционного элемента.

Благодаря признаку б) сохраняются следующие известные полезные свойства аналогичных измерительных устройств:

10) технологичность изготовления пре- обр зовательных элементов и высокие значения точностных параметров;

11) слабая подверженность внешним физическим полям;

12) слабая подверженность быстрым изменениям температуры (пироэффект);

13) отсутствие органической паразитной чувствительности пьезрпластин к ком- понентам виброускорения, ортогональным к подлежащему измерению;

14) минимизированная деформационная чувствительность основания;

15) минимизированная и симметризи- рованная нелинейность системы..

У прототипа полностью отсутствуют свойства (2-6) и свойства (10-15) хуже на физической основе количественно, поскольку благодаря признаку в) сделалась врзмож- ной замена компрессионной деформации на сдвиговую.

В целом, свойства датчика высокие

Возможно, что предложенное техническое

решение поставленной задачи создания

многокомпонентного центрированного пьезоэлектрического вибродатчика на современном. уровне техники . является

оптимальным.

Ф о р м у л а из о б р е т е н и я

; 1.Многокомпонентный пьезоэлектрический тендем-вибродатчик, содержащий пакеты пьезокерамйческйх гГластйн, расположённые на корпусе с бснованием

парами по разные стороны инерционного элемента, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности, каждая пластина поляризбвана в плоскости ее основания, а направления векторов поляризаций взаимно перпендикулярны в соседних пластинах каждого пакета и в одинаково расположенных пластинах соседних пакетов, ; : -. ..... :..

2.Тендем-вибродатчик по п. 1, о т л и ч а ющ и и с. я тем, что, с целью повышения точности в условиях гравитации, пакеты пьезокерамйческйх пластин расположены в виде двух пар перпендикулярно основанию корпуса,

З.Тендем-вибродатчикпопп.1 и 2, от л и- ч а ю щ и и с я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения двух линейных компонентов виброускорения, пакеты пье- эокерамических пластин расположены в виде одной пары.

Фиг. 2

Редактор З.Ходакова

Составитель Ю.Иорйш Техред М.Моргентал

Корректор Н.Ревская

Использование: изобретение отмосится . к виброметрии и сейсмометрии, а именно к многокомпонентном пьезоэлектрическим вйбродатчйкам, функционирующим в режиме ёЦселёрЬмётра. Сущность изобретения: вибродатчик состоит из общего инёрцион- нрто элемента в виде твердого тела (например, в формэ куба, шара или двух конусов; сложённых основаниймй) и расположенных по разные его стороны, в общем случае трех пар пакетов по несколькр пьезопластин е каждом, в нише корпуса, укрерленного ос- н6в;ан11ём(ча контролируемой Объекте. В вибродатчйке использована сдвиговая де- формация пластйн. поляризованных в Плоскости и расположённых так, чтобы направления векторов поляризации были взаимно перпендикулярны в сбседних пластинах каждого пакета и в одинаковых слоях соседних. 2 з.п;ф-лы, 4 ил.