Пьезоэлектрический преобразо-ВАТЕль уСКОРЕНий Советский патент 1981 года по МПК G01P15/09 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано измерения ускорений, усилий, давлений и других физических величин.

Известны пьезоэлектрические преобразователи ускорения, содержащие инерционную массу, пьезоэлементы с электродами и корпус 1.

Наиболее близким по технической сущности является акселерометр, содержащий инерционное тело, пьезоэлемент с электродами, соединенными с усилителем, и корпус 2.

Недостатком известных преобразователей ускорения является неравномерность амплитудно-частотной характеристики - сильно выраженный резонанс механической системы преобразователя. Добротность механнческой системы при резонансе преобразователя лежит в пределах от 10 до 200, в связи с чем при измерении кратковременных ударных ускорений в механической системе возникает неустановивщийся переходный процесс, приводящий к значительным динамическим погрещностям.

С другой стороны, при измерении малых по амплитуде и сравнительно медленно изменяющихся ускорений не требуется столь широкий частотный диапазон, зато требуется высокая чувствительность.

Целью изобретения является повыщение точности преобразователя ускорения.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь введены динамический корректор и дополнительный ньезоэлемент с электродами, жестко связанный с корпусом и инерционной массой, причем электроды дополнительного пьезоэлемента соединены с выходом динамического корректора,

вход которого связан с выходом усилителя. На фиг. 1 изображен предлагаемый преобразователь ускорения, осевое сечение; на фиг. 2 - схема соединения узлов нреобразователя; на фиг. 3 - блок-схема динамического корректора; на фиг. 4 - амплитудно-частотные характеристики первичного преобразователя с естественным демпфированием (,1) и предлагаемого преобразователя с электрическим демпфированием

(,5).

В корпусе 1 преобразователя размещен основной пьезоэлемент 2, выполненный в виде двух шайб, соединенных электрически параллельно, а механически - иоследовательно. Направление поляризации совпадает с осью первичного преобразователя, а на плоских торцах шайб нанесены проводящие обкладки. Одна пара одноименных обкладок шайб 2 соприкасается с электродом 3,

а другая пара - с инерционным телом 4 и

корпусом 1, причем детали 4 и 1 электрически соединены друг с другом проводником с помощью пайки. Между инерционным телом 4 и верхней шайбой пьезоэлемента 2 расположен электрод 5, введенный для подготовки высоты пакета деталей 2, 3 и 5. Детали 2, 3 и 5 склеены между собой, а деталь 5 приклеена, кроме того, к инерционному телу 4. Электрод 3 припаян к центральному проводнику 6 антивибрационного кабеля 7, оплетка которого припаяна к втулке 8, запрессованной в корпус 1 и электрически соединенной таким образом со второй парой электродов пьезоэлемента 2. Для обеспечения жесткости крепления места паек пустоты залиты эпоксидным клеем 9.

Дополнительный пьезоэлемент 10 выполнен в виде кольца, высота которого точно равна высоте пакета из деталей 2, 3 и 5, что обеспечивается совместным шлифованием при изготовлении. Направление поляризации радиальное, обкладки выполнены на наружной и внутренней поверхностях кольца. Наружная обкладка с помощью проводника 11 соединена с корпусом 1, внутренняя обкладка припаяна к центральному проводнику 12 антивибрационного кабеля 13 (фиг. 1). Оплетка кабеля 13 припаяна к втулке 14, запрессованной в корпус 1 и соединенной электрически с корпусом 1, а следовательно, и с наружной обкладкой дополнительного пьезоэлемента 10. Крышка 15 обеспечивает защиту первичного преобразователя от воздействия внешней среды. Кабель 7 (фиг. 2) соединен с согласующим усилителем 16, выход которого связан со входом регистратора и одновременно с входом динамического корректора 17. В состав динамического корректора входят (фиг. 3) электрический дифференциатор 18, инвертирующий усилитель 19, переключатель 20 на два положения и сумматор 21. Вход корректора связан с входами блоков 18 и 19 и с контактом 22 переключателя 20. Вход сумматора связан с перекидным контактом 23 и выходом электрического дифференциатора 18. Выход сумматора- это выход динамического корректора связан с обкладками дополнительного пьезоэлектрического элемента 10 (фиг. 1). Выход инвертирующего усилителя 19 связан с контактом 24 переключателя 20.

Первичный преобразователь при1срепляют с помощью резьбовой шпильки, завинчиваемой в резьбовое отверстие, заранее подготовленное в объекте. Ось отверстия совпадает с направлением измеряемой компоненты ускорения.

Преобразователь работает следующим образом.

При воздействии измеряемого ускорения инерционное тело давит на пьезоэлемент, в результате на обкладках пьезоэлементов 2 возникают заряды (прямой пьезоэффект),

создающие электрическое напряжение на входе усилителя 16. После усиления этот сигнал поступает на вход корректора 17. Напряжение со входа корректора идет на вход электрического дифференциатора 18, в качестве которого использован операционный усилитель, и на вход инвертирующего усилителя 19, осуществляющего изменение фазы сигнала на 180°.

Если перекидной контакт 23 находится в верхнем положении и замкнут с контактом 22, то на вход сумматора подается сигнале выхода усилителя 16 и с дифференциатора

18.Сумматор производит суммирование входных сигналов, так что его выходной сигнал равеналгебраической сумме входных сигналов. Сигнал с выхода сумматора в виде электрического напряжения поступает на обкладки пьезоэлемента 10. Под действием электрического поля, возникающего в пьезоэлементе 10, возникает механическое напряжение, создающее в результате усилие, отталкивающее инерционное тело 4 от корпуса 1 и частично уравновешивающее инерционное усилие, вызванное внешним ускорением. В результате пьезоэлемент 2 разгружается. Такое взаимодействие эквивалентно увеличению жесткости механической системы первичного преобразователя и приводит к увеличению собственной частоты (т. е. расщирению рабочего диапазона частот) при соответствующем снижении коэффициента преобразования. В результате происходит обмен запаса чувствительности на , повышение динамических свойств.

Наличие в составе напряжения, поступающего от сумматора, компоненты, пропорциональной производной сигнала, поступающего с усилителя 16, приводит к тому, что напряжение на пьезоэлементе будет тем больше, чем выще частота измеряемого ускорения и, следовательно, по мере увеличения частоты измеряемого ускорения увеличивается отрицательная обратная связь. Наличие дифференциатора, дополнительного пьезоэлемента и указанных выше соединений эквивалентно введению в механическую систему демпфера, благодаря чему амплитудно-частотная характеристика выравнивается и приобретает вид, показанный на фиг. 4 (при ,5).

Таким образом, происходит коррекция АЧХ первичного преобразователя, расширение рабочего диапазона частот и дополнительное увеличение динамических свойств первичного преобразователя.

Если переходной контакт 23 переключателя 20 находится в нижнем положении, то на входы сумматора 21 подаются сигналы с выхода дифференциатора 18 и с усилителя

19.В результате на выходе сумматора создается напряжение такой полярности, при которой деформация дополнительного элемента 10, происходящая вследствие обрат