Способ построения измерительной системы Советский патент 1993 года по МПК H01L41/22 

Изобретение относится к области контроля параметров физических процессов измерительными системами, а именно - к способам построения системы измерения параметров физических процессов, например, вибрация, движение, удар, давление.

Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности системы при сохранении заданной резонансной частоты, габаритов и массы первичного пьезоэлектрическогоизмерительногопреобразователя.

Цель достигается тем, что в известном способе построения измерительной системы, состоящей из первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя и формирователя сигнала с известной входной емкостью Сн, основанном на изготовлении дискового пьезоэлемента диаметром Опэ. с электродами диаме оом Оэ, емкостью Спэ. который закрепляют на упругом элементе с цилиндрической опорой диаметром Do. по исходной резонансной частоте, дополнительно оптимизируют диаметр элект рода. Оэ для чего определяют соотношение

А , находят соотношение В -,п-, стро- t-пэD

ят номограмму в виде семейства кривых, удовлетворяющих уравнению

х4-2(1-А)( аВ)2х2-4А( aB)4lnx+4 1 + +А(аВ)2 («В)21п(аВ}-2А(аВУЧ)

и неравенству 1 х В, по которой через соотношения А и В определяют область существования-значений соотношения х и

00

со vj

04

ел

со

искомый диаметр электрода Оэ, где 1,1 ,3 эмпирический коэффициент.

D3

а х- и0

Повышение чувствительности системы при сохранении резонансной частоты, габаритов и массы датчика достигается выбором определенного размера электрода Оэ, при котором чувствительность измерительной системы с известной входной емкостью максимальна. При этом размеры пьезоэлемен- та и упругого элемента не изменяются, а, следовательно, сохраняются резонансная частота, габариты и масса датчика.

В результате оптимизации диаметра электрода Оэ уменьшается собственная емкость пьезоэлемента. При этом, хотя и уменьшается коэффициент преобразования по заряду датчика, но не столь резко, как сумма собственной емкости пьезозлемента и входной емкости формирователя сигнала. Уменьшение коэффициента преобразования по заряду происходит медленнее, чем уменьшение суммы (). Чувствительность измерительной системы увеличивается с уменьшением диаметра электрода Оэ до вышеопределенного значения, достигая в нем максимального значения. При дальнейшем уменьшении диаметра Оэ чувствительность измерительной системы становится меньше, поскольку коэффициент преобразования по заряду датчика убывает быстрее, чем сумма собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя сигнала.

Суть заявляемого технического решения ясна из прилагаемых разъяснений и иллюстраций, где Фиг, 1 - конструктивная схема измерительной системы: на фиг. 2 - полученная номограмма. На фиг. 1 показано: Dnn - диаметр пьезоэлемента: Оэ - диаметр электрода: Do диаметр основания: Сн емкость нагрузки. Особенность конструктивной схемы акселерометра с дисковым пьезоэлементом, закрепленным на упругом элементе с цилиндрической опорой заключается в том. что для реализации высокого коэффициента преобразования по заряду диаметр пьезоэлемента Опэ должен быть во много раз боль- ше его толщины. Такое соотношение размеров и обуславливает высокие значения собственной емкости пьезоэлемента, достигающих значений единиц - десятков н. В то же время, входные емкости формирователя сигнала измерительных систем достаточно малы (в том числе, в результате

ограниченной длины соединительного кабеля). Нерациональное соотношение собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя сигнала приводит к

относительно низкой чувствительности системы, несмотря на высокий коэффициент преобразования по заряду датчика. Изменение размеров пьезоэлемента с целью увеличения чувствительности, как ранее

отмечалось приведет либо к изменению резонансной частоты, либо к увеличению габаритов и массы датчика.

Процесс оптимизации диаметра электрода Оэ представляет собой весьма сложкую задачу, поскольку в известных способах построения измерительных систем отсутст- вуют решения, позволяющие воедино связать диаметр электрода, входную емкость формирователя и геометрические размеры

чувствительного элемента датчика. Нахождение диаметра электрода аналитическим способом весьма трудоемко, поскольку уравнения изгиба многослойных элементов достаточно сложны. Тем не менее, задача

нахождения оптимального диаметра электрода Оэ, при котором обеспечивается максимальное значен-ие чувствительности измерительной системы для заданных резонансной частоты датчика и входной емкости

формирователя сигнала, имеет единственное решение. В заявляемом способе решение представлено в виде кривых номограммы, удовлетворяющих уравнению

(1-АҐ a В)2х2-4( a B)4lnx+4 1 +

+А( а В)2 (a B)2ln( а В)-2А( а (1) и неравенству 1 х В. Приведенное уравнение связывает между собой через соотношения А,В и х,

диаметр электрода Оэ, диаметр льезоэле- мента Опэ, диаметр цилиндрической опоры Do. емкость пьезоэлемента Спэ и входную емкость формирователя Сн. Нахождение соотношений, в общем, позволяет перейти к

приведенным характеристикам и, таким образом, охватить все диапазоны изменения перечисленных характеристик системы.

Решение приведенного уравнения может быть представлено в виде множества

корней. Однако, необходимость учета при проектировании технологических допусков изготовления пьезоэлемента и упругого элемента, допуска на длину соединительных кабелей, и как следствие допускаемого разброса входной емкости и т.п.. не позволяет процесс оптимизации свести к численному расчету диаметра Оэ. Для обеспечения выбора диаметра Оэ с учетом допускаемых изменений характеристик системы требуется

знание области существования соотношения х и диаметра Оэ. При одновременном изменении соотношений А и В искомый диаметр электрода Оэ может изменяться как в сторону уменьшения, так и в сторону увели- чения. В этой связи, целесообразно множество корней приведенного уравнения представить в виде кривых номограммы, позволяющих определить область существования диаметра электрода Оэ для конкретного соотношения В и, при необходимости, учесть технологический разброс характеристик системы. В этом случае процесс нахождения диаметра Оэ сводится к графическому определению соотношения х через соотношения А и В, расчету диаметра Оэ по формуле . Неравенство 1 х В ограничивает область существования диаметра электрода, с одной стороны, диаметром цилиндрической опоры , а с дру- гой - диаметром пьезоэлемента. Область пьезоэлемента, размещенная непосредственно на цилиндрической опоре, не испытывает деформаций изгиба, и поэтому чувствительность системы с датчиком, пье- зоэлемент которого имеет электрод , во всех случаях равна нулю, что вызывает необходимость ограничения х 1.

Неравенство 1 х В представляет собой множество решений, охватывающих область всевозможных сочетаний собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя. Следует отметить, что условиех В (сплошного нанесения электрода на торцевую поверхность пьезоэлемен- та), в большинстве случаев нежелательно в результате реализации более высокого значения собственной емкости пьезоэлемента по сравнению с входной емкостью формирователя сигнала. Такое соотношение емко- стей вытекает вследствие особенности конструкции пьезоэлемента ( соотношения диаметра и толщины пьезоэлемента) и ограниченной размерами автомобиля длины соединительного кабеля. В то же время, работа системы наиболее эффективна в слу- чае сравнимых собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя, т.к. с увеличением собственной емкости пьезоэлемента уменьшается чувствительность системы. Эта особенность датчика системы, проектирование которой осуществлено заявляемым способом, предопределяет отличие от конструкции по схеме в связи с существенным различием диаметров электрода Оэ и пьезо- элемента Опэ.

Уравнение получено путем нахождения локального максимума функции чувствительности системы от переменных: диаметра электрода Оэ, диаметра пьезоэлемента Опэ, диаметра опоры О0, собственной емкости пьезоэлемента Спэ- входной емкости формирователя сигнала Сн.

Пределы эмпирического коэффициента а обуславливаются соотношениями размера скругления (или фаски) и диаметра ци- линдрической опоры для различных соотношений В.

Для соотношений В, близких и сравнимых с единицей, характерны относительно толстые цилиндрические опоры, диаметр которых не превышает единиц-десятков миллиметров, а для соотношений В, значительно превышающих единицу - наиболее тонкие опоры, размер которых не меньше долей единиц миллиметров. Таким образом, нижний предел эмпирического коэффициента « 1.1 показывает, во сколько раз увеличивается диаметр наиболее толстых цилиндрических опор, а верхний ( а 1,3) - наиболее тонких опор.

По номограмме, построенной по точкам, удовлетворяющим уравнению (1) в диапазоне 1 х В через соотношения А и В определяется отношение х и диаметр электрода Оэ, при котором обеспечивается наибольшая чувствительность измерительной системы.

Формула изобретения Способ построения измерительной системы, состоящей из первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя и формирователя сигнала с известной входной емкостью Сн, основанный на изготовлении дискового пьезоэлемента диаметром ОПэ с электродами диаметром D3 , емкостью Спэ, который закрепляют на упругом элементе с цилиндрической опорой диаметром 00. по исходной резонансной частоте, отличающийся тем, что.с целью повышения чувствительности измерительной систгмы при сохранении заданной резонансной частоты, габаритов и массы первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя, дополнительно оптимизируют диаметр электрода Оэ, для чего определяют соотно- С„

шение А D

находят соотношение

, строят номограмму в виде еемейстLJo

ва кривых, удовлетворяющих уравнению

x4-2(1-AXQrBfx2-4(« B)lnx+4 1 + А(аВ)2 ф B)2ln(aB)-2A(2B)

и неравенству , где1,1 ,3-торой через соотношения Аи В определяют

. , Оэобласть существования значений соотношезмпирическии коэффициент; х - т , по ко-..

Doния х и диаметр электрода Оч.

Использование: приборостроение, построение измерительных систем для параметров физических процессов. Сущность изобретения:, по исходной резонансной частоте изготавливают первичный пьезоэлектрический дисковый преобразователь диаметром Оэ с электродами диаметром Оэ, емкостью Спэ. предназначенный для работы с формирователем сигнала с известной входной емкостью Сн. Преобразователь закрепляют на упругом элементе с цилиндрической опорой диаметром D0. Дополнительно оптимизируют диаметр электрода Оэ, для чего определяют соотношение А . находят соотношение -пэ Опэ, строят номограмму в виде семеистВ Do ва кривых, удовлетворяющих уравнению х4-2(1-А)( «В)2х2-4А( aB)4lnx+4 1 + . +А(а В)2 х (a Bfln( а (а В)0, неравенству 1 х В, 1,1 ,3 -эмпирический Оэ коэффициент, а х rs. По полученной чоUo мограмме через соотношения А и В определяют область существования значений соотношения х и искомый диаметр электрода Оэ. 2 ил. (Л с

в

foz LФиг./

VIfe

& М s -

м Ч