Пьезоэлектрический акселерометр Советский патент 1975 года по МПК G01P15/08 

1

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть применено при измерении виброускорений.

Известные пьезоэлектрические акселерометры, содержащие пьезоэлектрическое тело и два электрода, нанесенные на торцовых поверхностях тела перпендикулярно направлению поляризации, обладают значительной погрешностью от деформации объекта измерения, на котором они установлены.

Для снижения погрешности от деформации объекта измерения в предлагаемом акселерометре пьезоэлектрическое тело выполнено с изолируюш,ей кольцевой канавкой на торцовой поверхности, обращенной к месту крепления на объекте, и с центральной выемкой на противоположной торцовой поверхности и снабжено дополнительной парой электродов, основные электроды расположены на периферийном кольце и верхнем выступе с противоположных торцов пьезоэлектрического тела, а дополнительные электроды расположены на дне выемки и центральной части противоположного торца пьезоэлектрического тела, причем электроды на кольцевом выступе и дне выемки соединены между собой.

Кроме того, в предлагаемом акселерометре площади всех электродов могут быть выполнены равными.

На фиг. 1 показан описываемый акселерометр; на фиг. 2 - схема возникновения зарядов в чувствительном элементе при воздействии ускорения; на фиг. 3 - схема возникновения зарядов в чувствительном элементе при деформации объекта измерения.

Акселерометр состоит из пьезоэлектрического тела 1, выполненного, например, из монокристаллического кварца, и имеющего форму короткого круглого цилиндра 3 с выемкой 2 в центре. Электрическая ось XX кристалла кварца параллельна оси симметрии тела 1. На торцовые поверхности тела 1, перпендикулярные электрической оси, методом вжигания нанесены электроды 4, 5, 6, 7, предназначенные для снятия зарядов. Электроды 4 и 5, находящиеся с одной стороны тела 1, соединены между собой посредством проводящей пленки 8, а электроды 6 и 7, расположенные противоположно электродам 4 и 5, отделены друг от друга канавкой 9. Электроды 6 и 7 электрически соединены с разъемом преобразователя.

Акселерометр устанавливают на жесткую пластину 10, например, из кварцевого стекла с электродами 11 и 12, нанесенными методом вжигания, причем форма, размеры и расположение их повторяют те же характеристики электродов 6 и 7. Пластину 10 устанавливают в углублении основания 13 и закрепляют там посредством развальцовки кромок 14 так, чтобы электроды 6 и 7 соприкасались с электродами 11 и 12. В результате электрод 6 тела 1 соединен электрически с электродом 11 пластины 10 и с основанием 13, а электрод 7 тела 1 соединен электрически с электродом 12 пластины 10. Основание 13 имеет резьбовой хвоетовик 15 и шестигранник иод ключ для завинчивания преобразователя на объекте измерения. Центральный электрод 12 соединен проводником 16 с гнездом 17 разъема, расположенного в резьбовом хвостовике 15. Изоляция осуществляется посредством трубки 18 и втулки 19.

Тело 1 имеет фаску 20 для изменения площади электрода 4, осуществляемого, например, путем шлифовки.

Перед измерением преобразователь завинчивают на объекте измерения, при этом при помощи резьбового хвостовика 15 осуществляются необходимое контактное давление между опорной поверхностью 21 основания 13 и объектом измерения, а также электрическая связь между выходными контактами разъема и входом согласующего усилителя.

Устройство работает следующим образом. При воздействии ускорения а по направлению электрической оси кристалла Х.Х (см. фиг. 2), чувствительный элемент испытывает инерционные усилия, вследствие чего на электродах 4 и 5 возникают заряды одного знака, а на электродах 6 и 7 - заряды противоположного знака. Поскольку инерционные усилия зависят от высоты элементов возникающие заряды также определяются этой высотой. Если расстояние между электродами 4-6. существенно больше расстояния между электродами 5-7, электрический заряд на первой паре значительно больще, чем заряд на второй паре; если при этом электрические емкости между первой парой электродов и между второй парой близки между собой, то электрическое напряжение между парой электродов 4-6 значительно больше, чем электрическое напряжение между парой электродов 5-7. Электрическое напряжение на выходе чувствительного элемента определится разностью напряжений, возникающих на указанных парах электродов, так как однополярные электроды 4 и 5 соединены между собой, а сигнал снимается с электродов 6 и 7. Электрическое напряжение, развиваемое между электродами 6 и 7, в основном, определяется, зарядом, взоникающим на первой паре электродов. Чувствительность акселерометра к ускорению, следовательно, практически не отличается от чувствительности к ускорению обычных элементов, причем различие в величинах чувствительности тем меньше, чем больше разница в высотах пьезоэлемента и дна выемки.

Если чувствительный элемент вследствие деформации объекта измерения деформирован по направлению оси УУ (на фиг. 3 показано направление механического усилия F, действующего в опорном сечении элемента), на электродах 4-6 и 5-7 создаются заряды, определяемые площадью электродов. Если электрические емкости между указанными парами электродов близки, по значению, электрические напряжения между ними, обусловленные деформацией объекта измерения, будут близки друг к другу при близких значениях площадей электродов 4, 5, 6, 7. При этом разность напряжений между электродами и электродами 5-7, поступающая на выход преобразователя, близка к нулю.

Сигнал, вызванный деформацией объекта измерения, значительно ослабляется.

Степень компенсации чувствительности элемента к деформации можно увеличить изменением площади электрода 4 за счет шлифовки фаски 20. Компенсация чувствительности элемента к деформации объекта может осуществляться другими способами, например, регулировкой емкости подстроечного конденсатора, включаемого параллельно электродам 4-6 или 5-7.

При одновременном воздействии на предлагаемый элемент ускорения по направлению электрической оси Х.Х и деформации по направлению механической оси УУ электрическое напряжение между электродами 6 и 7 определяется, в основном, действующим ускорением. Электрические напряжения, обусловленные деформацией объекта измерения и возникающие на соизмеримых по площади электродах 4-6 и 5-7, близки по величине.

Вследствие электрической связи между однополярными электродами (4 и 5) и снятия выходного сигнала с двух других электродов (6 и 7) эти напряжения вычитаются. Благодаря этим отличительным особенностям описываемый акселерометр позволяет устранить па-, разитное влияние зарядов, возникающих вследствие деформации объекта измерения. По этой причине в пьезоэлектрических измерительных преобразователях ускорения в 2-20 раз уменьшается чувствительность преобразователя к деформации объекта, что повышает точность измерения ускорения в ряде случаев на 20--30%.

Предмет изобретения

1. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий пьезоэлектрическое тело и два электрода, нанесенные на торцовых поверхностях тела перпендикулярно направлению поляризации, отличающийся тем, что, с целью снижения погрещности от деформации объекта измерения, пьезоэлектрическое тело выполнено с изолирующей кольцевой канавкой на торцовой поверхности, обращенной к месту крепления на объекте, и с центральной выемкой на противоположной торцовой поверхности и снабжено дополнительной парой .электродов, основные электроды расположены на периферийном кольце и верхнем выступе с противоположных торцов пьезоэлектрического тела, а дополнительные электроды расположены на дне выемки и центральной части противоположного торца пьезоэлектрического тела, причем электроды на кольцевом выступе и дне выемки соединены между собой.

2. Акселерометр по п. 1, отличающийс я тем, что площади всех электродов выполнены равными.

дыхоё