Датчик механических колебаний

 

ДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ , содержащий корпус,астатический маятник, включающий инерционную массу и проеобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности, преобразователь выполнен в виде консольного пьезоэлемента, закрепленного одним концом на корпусе, продольная ось которого пересекает ось вращения астатического маятника, а между незакрепленным концом преобразователя и инерционной массой астатического маятника горизонтально установлен плоский упругий элемент.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ()9) (И) 3r5)) G 01 Ч 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3526577/18-25 (22) 24.12.82 (46) 07.06.84. Вюл. Р 21 (72) В.Н.Сотни, A.Â.Æóðàâñêèé, А.И.Шаблий и A.Ë.Âàøêåâè÷ (71) Минскйй опытный завод "Эталон" (53) 550.834 (088.8) (56) 1.Бибер Л.k., Жданова Ю.Е. Ниэкочастотнйе маятниковые виброметры.

М., "Энергия", 1980, с. 18

2.Авторское свидетельство СССР

М 940022, кл. G 01 Р 15/08, 1980 (прототип). (54 ) (57) ДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИИ, содержащий корпус, астатический маятник, включающий инерционную мас" су и проеобраэователь, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности, преобразователь выполнен в виде консольного пьезоэлемента, закрепленного одним концом на корпусе, продольная ось которого пересекает ось вращения астатического маятника, а между незакрепленным концом преобразователя и инерционной массой астатического маятника горизонтально установлен плоский упругий элемент.

1096591

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения горизонтальных составляющих механических колебаний, в частности в сейсмометрии и вибраметрии. 5

Известны низкочастотные маятниковые виброметры, содержащие астатический маятник, т.е. маятник с дополнительными упругими связями, служащий для измерения горизонтальных )0 составляющих вибрации (1

Механоэлектрическим преобразователем датчиков, выполненных по такой конструктивной схеме, обычно являются тензоэлементы, наклеенные на 15 плоскую пружину и воспринимающие ее деформацию.

Недостатком таких датчиков является низкая чувствительность.

Повышение чувствительности достигается с применением механоэлектри ческих преобразователей, содержащих пьезоэлементы, работающие на изгиб.

Недостатком таких пьезоэлементов является их малая прочность. Для устранения этого недостатка преоб25 разователь изготавливают в виде склеенных между собой пьезокерамической и упрочняющей стальной пластин, Однако частота собственных колебаний датчиков с таким преобразователем получается высокой и это служит препятствием для существенного увеличения чувствительности в области более низких частот.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является датчик механических колебаний, содержащий корпус, астатический маятник, включающий инерционную массу и преобразователь (23 10

Известный датчик предназначен для измерения горизонтальных составляющих механических колебаний.

В этом датчике преобразователь выполнен в виде вертикальной консоли, упруго закрепленной на корпусе и соединенной с пьезообразователями, причем эта консоль связана с астатическим маятником посредством кольцевого шарнира. Упругое закрепление консоли. вызывает снижение чувствительности датчика, а кольцевой шарнир не Обеспечивает сохранности датчика при сильных ударах.

Целью изобретения является ïîâûшение чувствительности и надежности датчика механических колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике механических колебаний, содержащем корпус, астатический. маятник, включающий инерцион- 60 ную массу и преобразователь, преобразователь выполнен в виде консольного пьезоэлемента, закрепленного одним концом на корпусе, продольная ось которого пересекает ось вращения астатического маятника, а между незакрепленным концом преобразователя и инерционной массой астатического маятника горизонтально установлен плоский упругий элемент.

На фиг. 1 схематически изображен датчик механических колебаний, в котором консольный пьезоэлемент закреплен в верхней части корпуса; на фиг. 2 — то же, консольный пьезоэлемент закреплен в нижней части корпуса.

Датчик механических колебаний содержит корпус 1, на котором закреплен один конец консольного пьезоэлемента 2, расположенного вертикально с возможностью перемещения вдоль своей продольной оси. Незакрепленный конец пьезоэлемента:2 расположен внутри цилиндрического углубления инерционной массы 3 астатического маятника. Маятник связан с корпусом 1 посредством упругого шарнира 4. Возможно и другое выполнение этой связи, например в виде призматической опоры. Между незакрепленным концом пьезоэлемейта 2 и инерционной массой 3 астатического маятника установлен в ropизонтальной плоскости плоский упругий элемент 5, выполненный, например, в виде резинового кольца. Положение упругого элемента 5 по вертикали может регулироваться, например фиксированно, путем закрепления его на разной высоте в инерционной массе 3 или плавно при установке его на незакрепленном конце пьезоэлемента 2 путем перемещения вдоль гладких стенок цилиндрического углубления инерционной массы 3 совместно с перемещением по вертикали пьезоэлемента 2.

Датчик работает следующим образом.

Под действием измеряемых механических колебаний, например сейсмоколебаний грунта, астатический маятник совершает угловые колебания относительно корпуса. Энергия этих колебаний передается через упругий элемент 5 консольному пьезоэлементу 2, вызывая его деформацию (изгиб} и соответственно генерацию электрических зарядов, воспринимаемых электронным усилительным устройством (не показан ). Период собственных.колебаний астатического маятника определяется упругостью консольного пьезоэлемента 2, удерживающего маятник в отвесном положении, моментом инерции маятника относительно оси .вращения, а также опрокидывающим моментом силы тяжести. Как показывают расчеты, эти параметры зависят, в основном от двух величин: длины консольного пьезоэлемента 2, расстояния от оси вращения маятника до места ук:тановки плоского упругого элемента 5

109б591

20 юг. 2 и расстояния от оси вращения маятника до его центра тяжести. Оставляя неизменным расстояние от оси вращения маятника до его центра тяжести, можно регулировать период собственных колебаний маятника путем изме- 5 нения длины консольного пьезоэлемента 2 и отношения расстояния от оси вращения маятника до места установки упругого элемента 5 к длине консольного элемента 2. Причем, чем 10 меньше это отношение, тем больше период собственных колебаний маятника. Это отношение может регулироваться в широких пределах в конструкции датчика, показанной на фиг. 1.

Действительно, при опускании места установки упругого элемента 5 в этой конструкции, длина консольного пьезоэлемента 2 увеличивается, а расстояние от оси вращения маятника до места установки упругого элемента 5 соответственно уменьшается, что приводит к резкому уменьшению отношения этих величин, следовательно, к большому увеличению периода собственных колебаний маятника.

В данной конструкции датчика при этом соответственно увеличивается чувствительность.

В конструкции датчика, показанной на фиг. 2, указанное отношение близко к единице при любой высоте установки упругого элемента 5. Однако при опускании места установки упругого элемента 5 длина консольного пье- 35 зоэлемента 2 уменьшается, что вызывает увеличение его упругости и приводит, в отличие от конструкции датчика, показанной на фиг. 1, к уменьшению периода сббственных колебаний 40 маятника. Возможности регулировки периода в этой конструкции несколько ограничены, однако в ряде случаев она может оказаться более предпочтительной, так как чувствительность 45 датчика, выполненного по фиг. 2, сла бо зависит от периода собственных колебаний маятника.

Высокая ударная прочность датчика объясняется следующим.

В режиме измерения пьезоэлемент 2 статически разгружен, а плоский упругий элемент 5, через который передается энергия механических колебаний на пьезоэлемент 2, испытывает малую деформацию сжатия, обладая при этом достаточно высокой жесткостью. При наличии значительных горизонтальных ускорений, превышающих верхний предел динамического диапазона измерений, вид деформации упругого элемен та 5 изменяется, становится изгибным, что обеспечивает уменьшение жесткости упругого элемента 5 и допускает повороты инерционного элемента до упора в корпус, не вызывая при этом поломки пьезоэлемента 2.

Испытания опытного образца датчика размерами 30 ° 50 и массой 125 r, выполненного по конструктивной схеме (фиг. 1) показали, что он обеспечивает измерение горизонтальных составляющих перемещения с высокой точностью и в диапазоне амплитуд от единиц ангстрем до десятков микрометров на частотах выше О, 1 Гц. Период собственных колебаний маятника при опускании места установки плоского упругого элемента 5 на 10 мм увеличивается в 3 раза. Характеристики сохраняются в пределах 10% при установке корпуса датчика под углом 90+5 к горизонтальной плоскости и после падения датчика на цементный пол с высоты

2 м.

Положительный эффект устройства состоит в высокой надежности и одновременно высокой чувствительности, вызванной использованием высокочувствительного пьезоэлектрического преобразователя связанного с инерционной массой упругим элементом, жесткость которого велика в рабочем режиме и резко снижается в.случае аварийных перегрузок, что обеспечивает защиту преобразователя от ударов.

ВНИИПИ Заказ 3820/34 .Тираж 711 Подписное

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