Пьезоэлектрический датчик давления (его варианты)

 

1. Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий пьезоэлемент, установленный на одном торце волновода , выполненного в виде стержня постоянного сечения, другой конец которого перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилиндра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений импульсных давлений за счет устранения влияния переотражений волн в волноводе на результат измерений, соединение стержня с основным цилиндром выполнено в виде обращенного основанием в сторону пьезоэлемента конуса, по центру при вершине которого имеется коническая выемка, а набор цилиндров размещен по обеим сторонам основного цилиндра с радиальным зазором по отношению к наружной поверхности стержня, причем цилиндЕи жестко соединены друг с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала каждого последующего цилиндра меньше волнового сопротивления соответствующего внутреннего цилиндра. 2.Пьезоэлектрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений , в него введен .дополнительный волновод в в«де двух конусов с общим основанием,вьтолненных за одно целое, один из которых усеченный , и стакан с коническим отражателем , выполненным на наружной стороне дна, охватывающий набор цилиндров снаружи, причем вершина усе ченного конуса контактирует с дном стакана, а вершина другого - с вершиной конической выемки конуса. § 3.Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий пьезоэлемент, установленный на однсм торце волно-. вода,выполненного в виде стержня постояного сечения, другой конед которого перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем вол00 новое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилиндра, отличаю щ и и с я тем, что, с целью повы4 шения точности измерений импульсных 00 давлений за счет устранения влияния переотражений волн в волноводе на результат измерений, соединение стержня с основным цилиндром выполнено в виде обращенного вершиной в сторону пьезоэлемента конуса, по центру основания которого имеется коническая выемка, набор цилиндров размещен по обеим сторонам основного цилиндра, а пьезоэлемент со стержнем .вып.олнены со сквозным осевым каналом, при этом цилиндры жестко Ьоединены друг с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(Я) 0 01 Ь 9/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ((21) 3527990/18-10 (22) 24.12.82 (45) 15.03.84. Бюл. Р 10 (72) Н.И.Пекельный, A.Â.Øåõoâ, Г.Л.Корнилов и В.Н.Сапрыкин (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н.E.Æóêoâñêoão (53) 531.787(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 654866, кл. G 01 L 9/08, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

9 737798, кл. G 01 L 9/08, 1979 (прототип). (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВ.ЛЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ f. (57) 1. Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий пьезоэлемент, установленный на одном торце волновода, выполненного в виде стержня постоянного сечения, другой конец которого перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилиндра, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений импульсных давлений за счет устранения влияния переотражений волн в волноводе на результат измерений, соединение стержня с основным цилиндром выполнено в виде обращенного основанием в сторону пьезоэлемента конуса, по центру при вершине которого имеется коническая выемка, а набор цилиндров размещен по обеим сторонам основного цилиндра с радиальным зазором по отношению к наружной поверхности стержня, причем цилиндры жестко соединены друг с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала . каждого последующего цилиндра мень„„SU„„1080043 А ше волнового сопротивления соответствующего внутреннего цилиндра.

2. Пьезоэлектрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введен дополнительный волновод в виде двух конусов с общим основанием, выполненных за одно целое, один из которых усеченный, и стакан с коническим отражателем, выполненным на наружной стороне дна, охватывающий набор цилиндров снаружи, причем вершина усе ченйого конуса контактирует с дном стакана, а вершина другого — с вершиной конической выемки конуса.

Ф

Ю

3. Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий пьезоэлемент, установленный на одном торце волно-, вода, выполненного в виде стержня постояного сечения, другой конец которого перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем вол-. новое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновым соп-. ротивлением материала стержня и основного цилиндра, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений импульсных давлений за счет устранения влияния переотражений волн s волноводе на результат измерений, соединение стерж ня с основным цилиндром выполнено в виде обращенного вершиной в сторону пьезоэлемента конуса, по центру основания которого имеется коническая выемка, набор цилиндров размещен по обеим сторонам основного цилиндра, а пьезоэлемент со стержнем .выполнены со сквозным осевым каналом, при этом цилиндры жестко соединены друг с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала

1080043

15 каждого последующего цилиндра меньше волнового сопротивления соответИзобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения импульсного давления большой длительности и амплитуды, например, в пресс. пушках при ударе снаряда о жидкость или серии импульсов давлений большой длительности и амплитуды.

Известны пьезоэлектрические датчики давления, содержащие размещен.ные в корпусе пьезоэлемент и акустический волновод, выполненный за одно целое с расширителем с развитой рассеивающей поверхностью Г1 3.

Такйе датчики сложны в изготовлении и имеют низкую точность из-эа переотражений волн расширения в вол новоде.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является пьезоэлектрический датчик давления, содержащий пьезоэлемент, установленный на одном торце волновода, выполненного в виде стержня постоянного сечения, другой конец которогО перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласогано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилинд ра (2 3.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения из-за переотражений волн. расширейия от,торцевых поверхностей волноводов.

Цель изобретения — повышение точности измерений импульсных давлений за счет устранения влияния переотражений волн в волноводе на результат измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике давления (по первому варианту), содержащем. пьезоэлемент, установленный на одном торце волновода, выполненного в виде стержня постоянного сечения, другой конец которого пере. мычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьеэо ствующего внутреннего цилиндра. элемента согласовано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилиндра, соединение стержня с основным цилиндром выполнено в виде обращенного основанием в сторону пьезоэлемента конуса, по центру при вершине которого имеется коническая выемка, а набор цилиндров размещен по обеим сторонам основного цилиндра с радиальным зазором по отношению к наружной поверхности стержня, причем цилиндры жестко соединены друг с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала каждого последующего цилиндра меньше волнового сопротивления соответствующего внутреннего цилиндра.

При этом в него может быть ввеО ден дополнительный волновод в виде двух конусов с общим основанием, выполненных за одно целое, один из которых усеченный, и стакан с коническим отражателем, выполненнным на наружной стороне дна, охватывающий набор цилиндров снаружи, причем вершина усеченного конуса контактирует с дном стакана, а вершина другого — с вершиной конической выемки конуса.

Согласно второму варианту в пьезо электрическом датчике давления, содержащем пьезоэлемент, установлен.— ный на одном торце волновода, выполненного в виде стержня постоянного

35 сечения, другой конец которого перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых

40 коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилиндра, соединение стержня с основным цилиндром выполнено в виде обращенного вершиной в сторону пьезоэлемента конуса, по центру основания которого имеется коническая выемка, набор цилиндров размещен

5О по обеим сторонам основного цилиндра, а пьезоэлемент со стержнем выполнены со сквозным осевым каналом, при этом цилиндры жестко соединены друг с другом и с основным цилиндв ром, а волновое сопротивление материала каждого последующего цилиндра меньше волнового сопротивления

1080043

40 соответствующего внутреннего цилиндра.

На фиг. 1 и 2 схематически представлен датчик, первый вариант; на фиг. 3 — то же, второй вариант исполнения.

Датчик давления состоит из пьезоэлемента 1, стержня 2, основного цилиндра 3, конуса 4 с конической выемкой с образующей аЬ, набора пустотелых коаксиальных цилиндров 5, стакана 6 с коническим отражателем

7 и выполненных за одно целое двух конусов 8 с общим основанием, один из которых усеченный.

Устройство работает следующим 15 образом.

При воздействии импульса давления (фиг. 1) на пьезоэлемент 1 возникает упругая волна сжатия (расширения) в стержне 2, дойдя до конца которого она отражается от свободной границы аЬ конической выемки. При этом возникают две волны: волна расширения и волна искажения, которые по конусу 4 попадают в основной цилиндр 5

3, а затем демпфируются в коаксиальных цилиндрах 5. Волна расширения отражается под углом, равным углу падения, а отражение волны искажения подобно преломлению света, причем коэффициент преломления равен отношению скорости волны расширения к скорости волны искажения, т.е.

1т + к77)-, гне В н p. - константы

Ляме. Амплитуда отраженной волны искажения достигает максимума при угле падения около 48 и это максимальное значение больше амплитуды падающей волны. Амплитуда отраженной волны расширения достигает минимума при угле падения около 65 . Поток энергии волны искажения меньше, чем поток энергии волны расширения при .той же амплитуде, поэтому оптимальное значение угла падения волны расширения должно быть близким к 65 т.е. угол при вершине конической выемки должен быть равным 130 . Когда упругая волна любого типа встречает границу раздела двух сред, возникают четыре волны. Две из них преломляются во вторую среду, две упругие отражаются. При. каждом таком отражении и преломлении происходит существенное уменьшение потока энергии волны расширения, которая продолжает распространяться с той же скоростью как и в стержне. Амплитуда такой волны будет постепенно затухать. Другие упругие волны будут распространяться с меньшей скоростью а их амплитуды в результате дробления будут также уменьшаться. Волновые сопротивления материала каждого последующего цилиндра подобраны меньшими предыдущего, чтобы волна сжатия отражалась волной растяжения. 65 и обеспечивался сдвиг по фазе отраженной и набегающей волн, необходимый для их взаимного частичного поглощения при интерференции. Ностепен; ное уменьшение волновых сопротивлений материала при переходе от цилиндра к цилиндру обеспечивает более полное прохождение набегающей волны в последующие цилиндры, где продолжается процесс ее дробления на четыре волны в местах сочления цилиндров. В результате этого все цилиндры включаются в .работу, в каждом .из них идет процесс затухания части первоначальной волны расширения (сжатия) вследствие интерференции и наличия диссипативных сил в материалаМ цилиндров.

Допустимая длина стержня 2 выбирается из условия его устойчивости при действии измеряемого импульса давления. Площадь сечения основного цилиндра 3 выбирается из условия равенства осевых моментов инерции стержня 2 и цилиндра 3, т.е. она будет тем меньше, чем больше будет его диаметр, и ограничивается в пре деле поперечной .жесткостью, необходимой для обеспечения посадки с натягом коаксиальных цилиндров 5. Величину диаметрального натяга подбирают такой, чтобы на границах разделов цилиндров не было бы их взаим. ного отскока при прохождении волны через эти границы, т.е. цилиндры 5 должны работать как одно целое.

Устройство на фиг. 1 может иметь незначительную погрешность измерения импульсов давления вследствие нормального отражения волны расширения (сжатия I от площадки в вершине а конической выемки, обусловленной несовершенством инструмента используемого при выполнении этой выемки.

Для устранения отражения волны расширения (сжатия) от этой площадки в сторону пьезоэлемента 1 и повышения точности измерений импульсов давления в устройстве введен дополнительный волновод (фиг. 2), выпол-. ненный в виде двух конусов 7 с общим основанием, прижатый к площадке в вершине конической выемки. При этом угол при вершине конуса, прижатого к выемке о = 90, а нри вершине усеченного конуса р с 90 . Волновое сопротивление материала стакана 6 такое же как и у стержня 2 и цилиндра 3. Дополнительный волновод в виде двух конусов 7 пропускает прямую волну сжатия со стороны стержня 2 без отражения от границы сочленения, а в обратном направлении волна практически не проходит, так как система углов с(и В образует "запирающий механизм". Если полного гашения измеряемого импульса давления в коаксиальных цилиндрах

1080043 фиФ.!

5 не произошло, то волны иэ этих цилиндров, пройикая через основание при вершине р, в основном попадают на боковую поверхность при вершине конуса oL = 90 и возвращаются в сторону боковой поверхности конуса с вершиной р, которая фокусирует и возвращает их в стакан б. Толщина дна стакана б в месте соединения с усеченным конусом, дополнительного волновода должна быть не меньше диаметра его основания при вершине d и не больше диаметра основания при вершине )», так как опасно нагруженной с точки зрения прочности будет зона под этим основанием, а дальнейшее увеличение толщины к снижению напряжений не приведет.

Во втором варианте датчика(фиг.3) используется другой способ устранения отражения волны расширения от вершины конической выемки. Здесь пьезоэлемент 1 и стержень 2 выполнены со сквозным осевым отверстием, а основной цилиндр 3 с набором коаксиальных цилиндров 5 развернут на

180 . При этом коническая выемка выполнена на основании конуса 4. Длина стержня 2 выбирается как можно меньшей. По сравнению с первым вариантом датчика (фиг. 1 ) упрощается

15 изготовление элементов: стержня 2, конуса 4 и основного цилиндра 3.

1080043

Составитель Н,Кизилов

Редактор М.Дылын Техред Т.Фанта. Коррек rop В. Синицкая

Заказ 1327/44 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4