Пьезоэлектрический акселерометр

 

Изобретение относится к измерению низкочастотных малых ускорений пьезоэлектрическим акселерометром. Цель изобретения - повышение чувствительности акселерометра. При наличии ускорений чувствительный элемент, закрепленный по оси на основании, изгибается. Каждый слой двухслойного монолитного чувствительно элемента изгибается относительно плоскости, содержащей внутренние электроды 6, состоящие из нечетного числа отдельных секторов 6, гальванически не соединенных между собой и выведенных контактными дорожками на торцевую поверхность чувствительного элемента. В результате на внешних электродах 10 и 11, конгруэнтных внутренним, благодаря чередующейся поляризации зон чувствительного элемента между внешними и внутренними электродами возникают заряды. съем выходного сигнала осуществляют с контактных дорожек, выведенных на боковую поверхность чувствительного элемента, причем первые электроды на наружных поверхностях чувствительного элемента выведены контактными дорожками,а последующие соединены попарно перемычками 12. 5 ил.

Изобретение относится к измерению параметров движения, в частности к пьезоэлектрическим низкочастотным акселерометрам для измерения малых величин ускорений в условиях воздействия влияющих факторов. Целью изобретения является повышение чувствительности акселерометра. На фиг.1 представлен пьезоэлектрический акселерометр, общий вид; на фиг. 2 конструкция чувствительного элемента акселерометра, разрез; на фиг. 3-5 конструкция его составных частей. Акселерометр состоит из основания 1, на выступе 2 которого с помощью кольцевых пружин 3 закреплен монолитный кольцевой чувствительный элемент 4, работающий на изгиб. Чувствительный элемент состоит из двух пленочных пьезоэлектрических слоев 5, расположенных сверху и снизу относительно плоскости геометрической симметрии, которая при изгибе чувствительного элемента является плоскостью нулевой деформации. В указанной плоскости расположено нечетное (в данном случае 5) число электродов 6 в форме секторов, с выведенными на торцевую поверхность чувствительного элемента контактными дорожками 7. Эти электроды по отношению к внешним плоскостям чувствительного элемента являются внутренними и выполнены гальванически несвязанными между собой. На верхних 8 и нижних 9 плоскостях чувствительного элемента выполнены внешние электроды 10, 11, конгруэнтные внутренним и расположенные как зеркальное отражение внутренних электродов 6, при этом образуется такое же число нечетных зон между внешними электродами 10 и внутренними электродами 6 и аналогичное количество зон между электродами 11 и 6. Любые две зоны верхнего и нижнего слоев 5, имеющие общий электрод 6, образуют адекватную парную зону. Диаметр всех электродов выбран примерно на 10% меньше внешнего диаметра чувствительного элемента, а первый, произвольно выбранный, электрод на верхней поверхности 8 расположен над последним электродом на нижней поверхности 9. Первые электроды на поверхностях 8, 9 выведены контактными дорожками до наружного диаметра чувствительного элемента. При этом последующие внешние электроды 10 или 11 соединены попарно перемычками, кроме первого на каждой внешней поверхности слоя чувствительного элемента. Оба слоя выполнены из сырой пьезокерамической пленки, а электроды из проводящей платиновой пленки. Они набираются кольцом, взаимно ориентируются, опрессовываются и спекаются в монолит. После этого производится зонная, относительно плоскости геометрической симметрии, поляризация, для чего, например, плюс поляризующего слоя подается на внешние нечетные электроды, образующие адекватные парные зоны, а минус на внутренние электроды этих же зон. Затем минус поляризующего поля подается на внешние четные электроды, а плюс на соответствующие внутренние электроды. При этом потенциал подается на внутренние электроды через контактные дорожки, выведенные на торцевую поверхность чувствительного элемента. Такой способ зонной поляризации обеспечивает одинаковое направление вектора поляризации относительно внутренних электродов у всех адекватных парных зон и противоположное значение вектора поляризации у каждой последующей от первой до последней адекватной парной зоны. Пьезоэлектрический акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения инерционные силы изгибают чувствительный элемент 4, при этом в каждом адекватной парной зоне один слой испытывает деформацию растяжения, а другой деформацию сжатия. В результате на внешних электродах адекватных парных зон появляется напряжение, причем на соседних парных зонах эти напряжения разнополярны. При помощи перемычек 12 напряжение, снимаемое с контактных дорожек 13, выведенных до наружного диаметра чувствительного элемента и имеющих гальванический контакт с кольцевыми пружинами, равно сумме напряжений всех адекватных парных зон. При действии на чувствительный элемент влияющих факторов (перепад температур и т. д. ) адекватные парные зоны испытывают деформацию одного знака, и напряжение, снимаемое с чувствительного элемента, равно разности напряжения половин адекватных парных зон. Это обеспечивает существенную компенсацию действия влияющих факторов. Благодаря тому, что описанная конструкция представляет собой сплошной монолит, она обладает чрезвычайно высокой жесткостью и прочностью. При этом обеспечивается относительно высокая чувствительность и компенсация паразитного сигнала от влияющих факторов, позволяющая измерять сверхнизкие уровни ускорения до 10^-5 м/с² в условиях воздействия широкополосной вибрации до 500 м/с² и одиночных ударов до 1500 м/c².

Формула изобретения

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий установленный на основании монолитный кольцевой изгибный чувствительный элемент с электродами, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности акселерометра, чувствительный элемент выполнен из двух одинаковых слоев с расположенным между слоями внутренним электродом, состоящим из нечетного числа отдельных электродов в форме секторов, гальванически не соединенных между собой, и с контактными дорожками, выведенными на торцевую поверхность чувствительного элемента, и наружными верхними и нижними электродами, расположенными симметрично внутренним и конгруэнтным им, причем диаметры электродов меньше наружного диаметра чувствительного элемента, первые электроды на наружных поверхностях чувствительного элемента выведены контактными дорожками до наружного диаметра, а последующие электроды гальванически попарно соединены перемычками, при этом первый электрод верхней поверхности расположен над последним электродом нижней поверхности, а зоны чувствительного элемента между внешними и внутренними электродами относительно внутренних электродов выполнены с одинаково направленным вектором поляризации, причем направление поляризации в каждый последующий от первой до последней зоны выполнено чередующимся.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5