Пьезоэлектрический преобразователь ускорения

 

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ , содержащий чувствительныйэлемент из пьезоматериала , соединительный кабель, электрически связанный с основанием, от. личающийся тем, что, с целью повышения точности измерения , основание выполнено в виде цельного осесимметричного тела, на поверхности которого нанесены слой пьезрматериала и проводящий слой, связанный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основания больше его диаметра.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУЬЛИН

3 (51) 01 Г 15 09.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbITHA (21) 3435950/18-10 (22) 03.05.82 (46) 07 09.83. Бюл. 9 33 (72) Ю.Н.Вильдтгрубе, Н.К.Ерофеев и Э,Д.Молчанов (53) 531.768(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство

СССР 9 129351, кл. H 04 R 17/00, 1959 °

2. Пеллинец В.С. Измерение

Ударных ускорений. Издательство стандартов, М., 1975, с. 186; рис. 56 (прототип).

„„SU„„1 А (54)(57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ, содержащий

-- чувствительный элемент из пьезоматериала, соединительный кабель, электрически связанный с основанием, о т.л и ч а ю шийся тем, что, с-целью повышения точности измерения, основание выполнено в виде цельного осесимметричного тела, на поверхности которого нанесены слой пьезоматериала и проводящий слой, связанный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основания больше его диаметра.

1040423

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности для измерения ударных и вибрационных ускорений в широко% диапазоне частот и амплитуд.

Известен пьезоэлектрический преобразователь ускорения, который состоит из корпуса, инерционного тела и пьезоэлектрического элемента (1) .

Пьезоэлектрический элемент.вы,полнен в виде отдельной детали, несущей механическую нагрузку, создаваемую инерционной силой, обусловленной измеряемым ускорением, и несущей также все другие меха-. нические воздействия, вызванные неизмеряемыми влияющими величинами.

Недостатком данного преобразователя является наличие в.его конструкции стыков пьезоэлемента и деталей датчика, воспринимающих и уравновешивающих действующие при измерении нагрузки, что сопряжено с повышенной чувствительностью таких преобразователей к деформации корпуса преобразователя и объекта измерения, и сопряжено также с повышенной. поперечной и ротационной чувствительностью.

Наиболее близким к предлагаемому является пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий чувствительный элемент иэ пьезоматериала, соединительный кабель, электрически связанный с основанием (2) .

Недостатком известного преобра. зователя является сравнительно низкая точность измерения. Это обусловлено тем, что в конструкциях таких преобразователей имеет место передача механических усилий (нагрузок), возникающих в роцессе измерения через посредство стыков пьезоэлемента и других де.талей преобразователя, вследствие чего картина распределения механических напряжений и степень нагружения пьезоэлемента оказываются в большой мере зависящими не только а от инерционных усилий, возникающих под действием измеряемого ускорения, но и от ряда других механических воздействий, а также технологических факторов. Механические характеристики стыков {волнистость, шероховатость, контактная жесткость и ряд других) полностью определяются технологией и являются случайными. Разброс этих характеристик, изменение распределения давления внутри стыка под действием приложенных нагрузок, изменение температуры, времени воздействия и сочетания этих факторов делают весьма нестабильными характеристики преобразователя, особенно в отношении чувствительности к неиэмеряемым физическим величинам, С целью уменьшения этого влияния прибегают к тщательной шлифовке и полировке контактных поверхностей, однако влияние контактов остается все-таки очень значительным. Поэтому чувствительность такого пьезоакселерометра к деформации исключить практиIO чески невозможно.

Цель изобретения — повышение точности измерения ускорений.

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом

15 преобразователе ускорений, содержа.щем чувствительный элемент из пьезоматериала, соединительный кабель, электрически связанный с основанием, основание выполнено . в виде

20 цельного осесимметричного тела на поверхности которого нанесены слой пьезоматериала и проводящий слой, связанный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основания больше его диаметра.

На чертеже показан предлагаемый преобразователь.

В преобразователе на основании

1 с резьбовым хвостовиком 2, служащим для привинчивания преобразователя на объекте, имеется цилиндрический осесимметричный выступ 3, на котором напылен слой 4 пьезоэлектрического материала, а на слое 4 нанесена проводящая пленка

5. Кабель 6 связи входит в поперечное отверстие, выполненное в основании 1, и закрепляется в нем путем пропайки оплетки этого кабеля по наружной поверхности вокруг

40 отверстия, в которое бн входит.

Кабель использован с фторпластоьой изоляцией, выдерживающей нагревание во время пайки без нарушения механической и электрической проч

4 ности. Проводящая пленка 5, пред варительно. электрически соединенная с тонким проводником 7, имеющим изоляционное покрытие, например проводом марки ПЭВ 0,1, пропущена сквозь отверстие 8 в выступе 3 и электрически связана с центральной жилой кабеля 6, например, пайкбй.

Таким образом, внутренняя поверхность пьезоэлектрического слоя соединена электрически с экраном кабеля 6, а наружная — с центральной жилой этого кабеля. Пьезопреобра" зователь защищен от внешних воздействий крышкой 9, которая припаива. ется к основанию 1, а полости в

6О основании 1 заливак -. изоляционной заливочной массой.

При изготовлении пьезоэлектри ческий слой 4 необходимо поляризо"вать, что можно обеспечивать пода 2.

040423

10 чей соответствующего напряжения по кабелю связи.

Перед изменением преобразователь завинчивают в резьбовое отверстие, .предварительно подготовленное в объекте измерения; ось которого, расположена в направлении измеряемого .ускорения. Кабель связи соединяют с согласующим усилителем.

Пьезоэлектрический преобразова-. тель ускорения работает следующим образом.

В первом приближении, достаточном для данного рассмотрения, можно считать, что при ударе все элементы объекта и преобразователя испытывают инерционные усилия, прямо пропорциональные действующему ускорению, и, если ускорение изменяется во времени, то и инерционные усилия изменяются пропорционально усксре-. нию. Пусть для определенности уско-. рение направлено от хвостовика 2 в выступу 3, тогда инерционное усилие, действующее на все участки выступа 3 направлено в сторону хвостовика 2..Под действием этого усилия все сечения выступа 3, преодоле-. вая упругое сопротивление материала, перемещаются вниз, причем величина перемещения будет тем больше, чем ниже располагается сечение. При этом будет деформироваться и пьезо» электрический слой 4, средняя деформация которого будет также про- . порциональна действующему ускорению. На электроде 5 возникнет заряд, прямо пропорциональный действующему ускорению, а заряд, в ,. свою очередь, создает на электроде

5 и центральной жиле кабеля 6 соответствующее электрическое нап- ряжение..

Возникающая при ударе деформация объекта, науример искр .вление поверхности или растяжение ее в поперечном, по отношению к оси чувствительности преобразоватеЛя направлении, не приводит к возникновению сигнала на выходе пре-; образователя, так как выступ 3, выполненный за одно целое с осно- ... ванием 1 и представляющий собой . осесимметричное тело, ось которого совпадает с осью преобразовате-. .. ля, оказывается нечувствительным к неизмеряемым физическим величи» нам в силу следующих причин.

Выступ 3, выполненный за одно целое с основанием 1 и изготовлен-, ный так, что ось его совпадает с осью симметрии основания, пред- ставляет собой однородное симметричное тело, в силу чеro распределе-. ние напряжений, возникающих от влияющих величин, в выступе 3 будет симметричным. По этой лричине мно-, гие влияющие величины, например поперечные инерционные усилия, приводящие к изгибу стержня, будут компенсироваться поскольку, с одной стороны пьезоэлектрический слой будет испытывать растяжение, а с другой стороны выступа 3 — сжатие. Возникающие при это л заряды одинаковы по величине и противоположны по знаку, в силу чего они уничтожаются.

Высота выступа 3 больше, чем его диаметр. Ilo этой причине жесткость выступа по отношению к сжатию-растяжению в поперечном направлении, определяемая площадью диаметрального сечения выступа выше, чем в продольном направлении, так как эта жесткость определяется площадью радиального сечения. По этой причине и чувствительность к продольной деформации, которая воз никает под действием измеряемого

l ускорения, выше чувствительности к поперечной деформации, вызванной параэитной деформацией объекта и основания преобразователя.

Пьезоэлектрический слой, нанесенный на .поверхность выступа 3 методами интегральной технологии, может иметь значительно большую однородность и равномерность по толщине по сравнению с прототипом, где стык пьезоэлемент-основание вносит большую неопределенность в картину распределения напряжений.

По этой причине механические и .

35 электрические свойства слоя также будут значительно более однородными и равномерными, что обеспечивает высокую степень компенсации противоположных зарядов при из4р гибных напряжениях, поэтому чувст- . вительность предлагаемого преоб разователя к неизмеряемым физическим величинам будет существенно ниже.

45 Кроме того, предлагаемый пре"

Образователь может быть изготовлен черезвычайно малых габаритов и весов, ранее не доступных для производства. Габариты преобразователя легко могут быть по край50 ней мере в 2 раза уменьшены по сравнению с.существующими миниатюрными преобразователями, масса при этом уменьшится в 4 ра;за (до 0,9 г).

55 " Ввиду отсутствия переходных контактных жесткостей стыков, а .также благодаря, существенному уменьшению габаритов преобразователя его собственная частота возрастает

Щ примерно в 2 раза по сравнению с известным (резонансная частота увеличится при этом примерно до

400 кГц), а прочность и предел измерения возрастут также примерно в 2 раза (до 2 ° 10 м/с ) .

1040423

Составитель Н.Мараховская

Редактор Н. Ковалева Техред- Т.Маточка Корректор Аа Повх

Заказ 6922/49

Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП ™Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Предлагаемый преобразователь обеспечивает значительно большую ,точность благодаря выполнению основания в виде немного осесимметричного тела, на поверхность которого нанесен слой пьезоматериала и проводящий слой, соединенный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основания больше его диаметра.