Пъезоэлектрический датчик колебаний и его вариант Советский патент 1981 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использован для измерения параметров колебаний, например в виброметрии и сейсмометри Известны пьезозлектрические датчи ки колебаний, состоящие из пьезопреобразователя и инертной массы 1. Недостатком этих пьезозлектрических датчиков колебаний.является невозможность измерений при низкочастотных колебаниях. Наиболее близким техническим реше нием к предлагаемому является пьезозлектрический датчик колебаний, в котором пьезопреобразователь возбуждается на резонансной .частоте. Изменение нагрузки на пьезоэлемент за счет колебаний инертной массы модулирует .резонансные колебания пьезопреобразователя. Данный датчик позволяет измерять параметры низкочастотных колебаний вплоть до статических воздействий L 2 Недостатком известного датчика является наличие механического контакта поверхности колеблющегося пьезопреобразователя с поверхностью массы. Свойства контакта изменяются во времени и зависят от параметров окружающей среды. Это приводит к снижению точности и стабильности. Кроме того, при действии усилия непосредственно на пьезопреобразователь он изменяет свои параметры. Цель изобретения - повышение точности и стабильности датчика. Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике колебаний, содержащем основание , закрепленный в нем пьезопреобразователь, к которому подключены, генератор и схема регистрации, инертную массу и упругий элемент,упругий элемент выполнен в виде акустического концентратора переменного сечения, закрепленного-в основании перпендикулярно направлению колебаний и соединенного большим .торцом с пьезопреобразователем, а инерт ная масса сочленена с другим торцом акустического концентратора с возможностью .перемещения вдоль его оси. В устройстве-варианте поставленна цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике колебаний, содержащем основание, закрепленный в нем пьезопреобразователь, к которо му подключены генератор и схема регистрации, инертную массу, упругий элемент, дополнительно введен второй пьезопреобразователь, соединенный с первым через упругий элемент, выполненный в виде волноводной системы ростоящей из двух встречно включеншлх акустических .концентраторов, связанных четвертьволновой пластиной, на которой жестко закреплена инертная масса. На фиг.1 схематически изображен пьезоэлектрический датчик колебаний} на фиг.2 - то же (вариант). Датчик содержит пьезопреобразователь 1, сочлененный с акустическим концентратором 2, например экспон циального типа, закрепленным в полуволновом стакане 3 в узле колебаний, и инертную массу 4, соединенную с выходным сечением концентратора с во можностью перемещения. При этом по луволновой стакан- сочленен крон птейном-захватом 5,снабженным изолированными вводами для подключения пьезоэлемента к генератору 6, схеме регистрации 7 выходного сигнала преобразователя. Датчик работает следующим образом. Включенный в цепь положительной обратной связи генератора (схемы во буждения) 6 преобразователь 1 возбуждается на продольной моде колеба ний и вводится .с помощью концентрат ра 2 в режим бегущей волны. При это инертная масса 4, присоединенная к его.выходному сечению, потребляет максимум ультразвуковой энергии, если его выходное механическое сопротивление акустический импеданс) согласовано с выходом системы 6. пье зоэлемент-концентратор. В отсутствие измеряемых воздейст вий условие согласования.достигаетс подбором материалов .концентратора и инертного элемента с идентичными акустическими характеристиками. Воз никновение и изменение входных воздействий приводит к появлению переменных (с частотой, контролируемых вибраций) механических изгибающих моментов, приложенных-К выходному сечению концентратора.. При этом амплитудным значениям колебаний (|вибраций соответствуют максимумь меха- нических напряжений локализованных в зоне контакта концентратора 2 с инертной массой 4. Изменение механических напряжений -в материале концентратора эквивалентно изменению его акустических свойств, например скорости распространения ультразвука в нем, вблизи границы его раздела с инертной массой 4, что приводит к возникновению- отраженных волн и, следовательно, изменению коэффициента передачи электрической энергии автогенератора пьезопреобразователем 1 в измерительную цепь. Аналогично модулируется и частота автогенератора, по которой можно судить о величине контролируемых ускорений. Перемещение инepfнoй массы 4 по концентратору позволяет изменять чувствительность датчика.и производить его настройку. Устройство-вариант содержит основание 8, в котором .установлены встречно включенные и выполненные как одно целое акустические.концентраторы 9 и 10, например клиновидного типа. К выходным сечениям концентраторов жестко присоединены излучающий 11 и приемный 12 пьезоэлементы, а в центральной части, выполненной в виде четвертьволновой пластины 13, предусмотрено отверстие для крепления гайкой 14 инерционной массы 15. При этом пьезоэлементы закрыты защитными кожухами I6, снабженными изоляционными вводами при присоединении приемного и излучающего пьезоэлементов к схеме регистрации 17 и генератору 18 электрических колебаний соответственно. В верхней и нижней крышке корпуса выполнены коаксиально расположенные отверстия ( направляющее и ре гулировочное соответственно. Устройство-вариант работает следующим образом. Излучающий пьезоэлемент. 11 возбуждается на продольной моде .колебаний от генератора 18-и согласованным образом передает поток ультразвуковой энергии через концентратор 9, четвертьволновую пластину 13, концентратор 10 приемному.пьезоэлементу

12, обеспечивая тем самым устойчивый V по частоте и амплитуде выходной сигнал преобразователя, фиксируемый измерительным прибором. Выходное воздействие (вибрация контролируемого объекта) преобразуется за счет инерционной массы 15. в механические напряжения, локализованные в четвертьволновой пластине-связке 13 и изменяющиеся по тому же закону, что и входные сигналы. Это приводит к модуляции скорости прохождения ультразвука по акустическому тракту преобразователя и соответственно амплитудной модуляции выходного сигнала. По изменению параметров модуляции входного воздействия можно судить об амплитудных значениях и частотном спектре измеряемых вибраций, фикси- руемых измерительным прибором.

Для развязки воспринимающего эл мента ( четвертьволновой пластины 7 от воздействия- боковых ускорений инертная масса 15 выполнена с участком цилиндрической поверхности, скол зящим образом посаженным в направляющее отверстие основания 8. Кроме того, для создания предварительного напряженного состояния четвертьволновой пластины-связки 13 соединение инерционной массы 15 с ней выполнено резьбовым с обеспечением дос тупа к фиксирующей гайке 14 через регулировочное отверстие в нижней крышке корпуса. В предлагаемом датчике инертная масса контактирует (и механически закреплена } с акустическими концентр торами. Пьезопреобразователи не подвержены действию усилий, а выполняют только функцию излучения и приема .ультразвука в волновод, к которому приложено усилие, создаваемое массой при действии вибрации. Это значитель

но повыша:ет стабильность и точность датчика.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический .датчик ко- лебаний, содержащий .основание, закрепленньй в нем пьезопреобразователь, к которому подключены генератор и схема регистрации,.инертную массу и упругий элемент,, отличающийс я тем, что, с целью повьшения точности и стабильности, упругий элемент выполнен, например в виде акустического концентратора переменного сечения, закрепленного в основании перпендикулярно направлению колебаний и соединенного .большим торцом с пьезопреобразователем, а инертная масса сочленена с другим торцом акустического концентратора с возможностью перемещения вдоль его оси.

2. Пьезоэлектрический датчик колебаний, содержащий основание, закрепленный в нем пьезопреобразователь, к которому, подключены генератор и схема регистрации, инертную массу, упругий элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и стабильности, в него дополнительновведен второй пьезопреобразователь, соединенный с первым через упругий элемент, вы- полненньш в виде волноводной системы, состоящей из двух встречно включенных акустических концентраторов связанных четвертьволновой пластиной, на которой жестко закреплена инертная масса. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР W 335638, кл. G01 V 1/16, 1968. 2.Авторское свидетельство СССР № 338868, кл. G01 V 1/16, 1970.

I

у ч ч . ч хх

Я п /