Устройство для измерения ускорения Советский патент 1980 года по МПК G01P15/04 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЯ

Изобретение относится к обла.сти измерительной техники и может быть использовано для измерения ускорений усилий, давлений и других физических величин. Известные устройства для измерения .ускорения содержат корпус и расположенными в нем инерционным телом и пьезоэлементом. В качестве электродов для съема зарядов используются проводящие контактные поверхности инерционного тела и корпуса, которые соединены с помощью экранированного антивибрационного кабеля с высокоомным согласующим усилителем, а выход последнего связан с входом регулирующего устройства 1 и 2. В ряде случаев, например, в случае, когда перемещение изделия а про цессе испытания велико, требуются кабели большой длины. Помимо усложнения и удорожания измерений в связи с большой длиной кабеля, по мере уве личения длины увеличивается емкость подключаемая к пьeзoэлQ eнтy, и,следовательно, уменьшается чувствительность пьезопреобразователя. Кроме . того, в связи с увеличением длины кабеля пропорционально его длине растет уровень помех и наводок на вхойе согласующёгб усилителя. Особенно сильно сказывается так называемый микрофойный эффект, в наибольшей степени ПРОЯВЛЯЮЩИЙСЯ при больших перемещениях и скоростях объекта измерения. В результате, по мере увеличения длины кабеля отношение сигнал/шум падает, и падает точность измерения. В связи , например, попытки измерений ускорения возникающие в грунте при подрыве зарядов, с помощью проводной связи из-за низкой точности измерения пока что не дают достаточно достоверных результатов. Целью изобретения является повышение достоверности результатов измерения предельного ускорения за счет обеспечения возможности сохранения информации об измеряемом ускорении. Эта цель достигается введением в конструкцию устройства диода, анод и катод которого подключены к положительному и отрицательному электродам пьезоэлемента соответственно, и .прерывателя электрической цепи, соединяющего электроды пьезоэлемента и диода, в качестве которого нсполь - эгдёайо подпружиненное инерцйонйое

тело, установленное с возможностью перемещения и жестко связанное с од-Пйй1 йГ э-ЙёйГГр-бЯбт ШгёЭе§Тт1йён--тГГ Йа фиг. 1 изобр ена- ШШ; гШ Цйя предлагаемого устройства; на фиг.2 электрическая схема; на фиг. 3 - времанные диаграммы ускорения (а) и разности потенциалов между поверхностями Пьезоэлемента (б).

.. ,. .;.,„:. ;,-.,.-., . ,.

в предлагаемся устройстве в корпусе Г размещен пъезоэлемент в виде шайбы 2, приклеенной верхней плоскостью к инерционному телу 3, выполняющему одновременно и фуйкцйю гтоло кигельТюго элек родаПЬёзбЭЯёйШта. Инерционеное тело имеет проточку, в исходном состоянии не совпадающую с осями двух фиксирующих устройств, состоящих из фиксатора 4, пружины 5 пробки 6, Детали 3,4,5 и 6 образуют прерыватель электрической цепи. В центральной части инерционное тело имеет выступ 7, проходящий сквозь отверстие пробки 8. Инерционное тело вместе с пьеГ(5эЯеМё{ твйп0д катЬпру жиной $ к вторЬму отрицательному -элёктроду 107 %рйклеенНому к ИЗОЛЯЦИОННОЙ ттрокладке 11. Пройладка 11 также приклеена к корпусу. Усилие пружины выбирается много; меньше максималь; ных инерционных сил, действующих при УЙаре.-К электроду 10 припа ян проводник 12, спаян.ный срё.§рёзнШ1 тйёз.дом 13разъема, гнездо 13 изолирова НООт кЬрггуса с помощью фторопластовых втулок. 14 и 15.: Полупроводниковый диод 16, состоящйййз десяти, прйледовательн о соеди йенHtjk диодов,. размё1аается в-основа-. НИИ 17, в котором уетанОвЛена ответ; часть а зъёШТ ЗШ:Р8тЩ11йПЙ1 EiTferря 18, изоляционных деталей 19, 20 и

гайки 21. В нижнёй чаё 11 йтЩ ь ийеет Шя -«г1

.вода диода. 16; анодный ВывоД Соеди;.,лепестком 22 и винтом 23 с Основанием 17. Катод диода изолирован с помощью втулки 24. Полость втулки, где расположен диод, залига Кбкптаун-, дом и з акрыта снизу крышкой 25.

На наружной гге1Гёрх1Г6Й ГбШ8Гания 17 имеется резьба и лыски под ключ.

Основание 17 соединено с корпусом 1 с помощью рёзьб01вЪ гЪ йй 5С гОВ|Икй на корпусе. По плоскости 26 осуществлено ;же1сткоё механическое крепление деталей 1 и 17 надежный электрический KOHTaltT.; между этими детаЛяШ:у в акже электрическоесоединение гнёзда 13 корпуса со штмрем 8 Основания

Катод диода 16 соединён со штырем 18 и, следовательно, с отрицательным электродом 10 (фиг. 2)Г

До измерения необходимо произвести градуировку преобразователя. Для Vtoro из основания 17 вШйнч Ж& ётс KQpnyc 1, а к деталям ,13 и 1 с по717663

МОЩью разъема подключают прибор для измерения заряда, например, баллистический гальванометр.. Приложив к выступу 7 инерционного тела 3 усилие известной величины ( ), измеряют во зникающий при этом заряд () . Коэффициент преобразования преобразователя определяется по формуле:

V -

пр F,

;.

rp/m

где m - масса инерционного тела.

Преобразователь завинчивают в резьбовое отверстие, заранее подготовленное; в объекте.. Ось отверстия совпадает с направлением измеряемой компоненты ускорения.

Преобразователь крепят так, чтобы измеряемое ускорение было направлено от детали 25 к детали 8 (см.фиг. 1). В этом случае электроды п|1езоэлемен та 3 и 10 являются положительным и отрицательным .соответственно.

При воздействии измеряемого ускорения инерционное тело давит на пьезоэлемент с усилием, равным произведению ускоренияна массу инерционного тела. Под воздействием этого усилия на поверхностях пьезоэлемента возникают заряды, снимаемые электродами 3 и 10, причем на электроде 3 возникает положительный, а на электроде 10 отрицательные заряды. При этом диод открыт и заряды сразу же стекают через малое прямоесопротивление диода. Заряд на электродах (Qf, по этой причине равен нулю (фиг. 3).

В момент t, когда ускорение достигает максимума, заряд Q по прежнему равен-нулю, но в следующий момент времени t t начинается разгрузка пьезоэлемента, при этом на электро-. дах пьезоэлемента возникают заряды противоположного знака. Диод запирается. Скорость, разряда определяется обратнвй сопротивлением диода и емкостью пьезоэлемента Необходимо, тобы обратное сопротивление диода было по возможности большим, в этом случае заряд практически не стекает и сохраняется. без изменений в течение времени порядка десятков секунд. Помере спада ускорения, а сле1доватёльно, и усилия, приложенного к пьезоэлементу, заряд на его контакт-., ных поверхностях (электродах) растет, достигая величины, пропорциональной максимальному ускорению в момент времени tj, и возрастает далее. Начиная с этого момента, на инерционное действует сила, стремящаяся отбросить его вместе с Пьезоэлёмёнтом вверх. Когда эта инерционна,я сила превысит Q незначительное по величине усилие пОджётия.пружины 9, пьезоэлемент отойдетот электрода 10 (момент t на фиг. 3) . При -этом., во-первых, разомкнется электрическая цепь, со5 едйНявшая прежде контактные поверхНОСТИ пьезоэлемента с диодом, вследствие чего прекратится ток утечки :заряда через обратное сопротивление диодов, и, во-вторых, давление на пьезоэлемент станет равньм нулЮ, .. После нескольких циклов колебаний, .вызванных переходными процессами, йа контактных поверхностях пь.езоэлейента установится заряд („, сс ответствующий разности двух состояний пьеэоэлемента; состояния максимально го сжатия, вызванного минимальн.ым . действующим- ускорением (момент t на фиг. 3), и состояния, когда на пЬезоэлемент не действуют какие-либо силы (момент t). Если в преобразователе не было бы предусмотрено отодвигание инерционного тела после смены полярности возде ствующего ускорения (включатель),то конечное состояние пьезоэлемента .буд соответствовать исходному состоянию пьезоэлемента (до начала измерения), в этом случае на контактных поверхностях остается заряд 0,, точно соответствующий максимальному ускорению.. Разность зарядов Qp-Q, определяет с я усилием предварительного поджатия, осущесвтляемого пружиной 9. Инерционное тело, перемещается вверх, в момент, когда проточка ,тёла расположится напро гив фиксатора,.4, фиксаторы под действием сжатых пружин 5 выходят изполости корпуса и входят в проточку инерционного тела, з.афиксировав последнее в отведенном положении. Время хранения заряда йа KOHTatKTных поверхностях пьезоэлемента, определяется постоянной времени разряда, равной произведению емкости пьезоэлемента на его сопротивление изоляции. Для пьезокерамики эта величина составляет порядка нескольких Часов, для кварца -несколько суток и более. После испытания преобразователь от винчивается от объекта, отвинчивают корпус 1 от основания 17 и соединяют разъем корпуса с баллистическим галь ванометром. После выведения фиксйторов из зацепления с инерционным те-; лом и осторожного опускания последнего в исходное состояние, вследствие нагружения пьезоэлемента усилием, равным усилию предварительного поджатия, Чысть заряда, равная разности. Qp-0,, компенсируется. На пьезоэлементе остается заряд Q-, точно соответствующий максимальному измеряемому ускорению. Этот звряд передается на вход баллистического гальванометра или другого прибора для измерения заряда. . После измерения заряда производят контроль коэффициента преобразования, для чезго к выступу 7 инерционного тела 3 прикладывают известное усилие, например, с помощью гири или гидравлического пресса с образцовым манометром. Максимальное ускорение, действовавшее во время измерения, равно ; -.- Qrp Формула изобретения 1.Устройство для измерения ускорения, содержащее корпус с расположенными в нем инерционным телом и пьезоэлементом с электродами, о т л а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности результатов измерения предельного ускорения за счет обеспечения возможности сохранения информации об измеряемом ускорении, в устройство введены диод, анод и катод которого подключены к положительному и отрицательному электродам соответственно, и прерыватель электрической цепи, соединяющий электроды пьезоэлемента и диода. 2.Устройство по п.1, от л и чающее с я: тем,что в качестве прерывателя использовано подпружиненное инерционное тело, установлейное с возможностью перемещения, а жёстко связанное с одним из электродов пьезоэлемента.. Источники информации, ; принятые во внимание при экспертизе . 1. Авторское свидетельство СССР № 201790, кл. G 01 Р 1/06, 2. Иориш Ю.И. Виброметрия, Машгнз, 1963, с.515 (прототип).

:п±1Т1

L-.lu