Датчик виброускорений
Изобретение относится к измерению параметров движения, в частности к акселерометрам , и может быть использовано для измерения виброускорений на низких и средних частотах в условиях высокочастотных помех. Целью изобретения является повышение надежности датчика за счет компенсации деформаций в каждой точке биморфной керамической пластины. Поставленная цель достигается тем, что биморфная пьезокерамическая пластина 1 имеет постоянную толщину h. Свободный торец, имеющий размеры Ь0х h, и торец, закрепленный в корпусе 2, параллельны друг другу и перпендикулярны продольной оси х, а ширина боковых граней пластины 1 вдоль продольной ее оси определяется по Л формуле Ьх Ь0 е и ограничиваю2KS щие боковые грани ребра симметричны относительно продольной оси. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 Р 15/10
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
В4ЙЗ
Ql Lil i Фк " !.БИБ) Ж
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4658318/10 (22) 06.03.89 (46) 07,05,91, Бюл. М 17 (71) MQGKQBGKMA iорный HHcTvlpjf (72) Г.С. Алексеев (53) 531.768(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
ЬЬ 779885, кл. G 01 P 15/10, 1980.
Авторское свидетельство СССР
М 900191, кл. 6 01 Р 15/10, 1982. (54) ДАТЧИК ВИБРОУСКОРЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерению парамЕтров движения, в частности к акселерометрам, и может быть использовано для измерения виброускорений на низких и средних частотах в условиях высокочастот5U 164741,0 А1 ных помех. Целью изобретения является повышение надежности датчика за счет компенсации деформаций в каждой точке биморфной керамической пластины. Поставленная цель достигается тем, что биморфная пьезокерамическая пластина 1 имеет постоянную толщину h. Свободный торец, имеющий размеры Ь0х h, и торец, закрепленный в корпусе 2, параллельны друг другу и перпендикулярны продольной оси х,.а ширина боковых граней пластины 1 вдоль продольной ее оси определяется по х2 формуле bx = bo е, и ограничивающие боковые грани ребра симметричны относительно продольной оси. 2 ил.
1647410
Изобретение .относится к измерению параметров движения, в частности к акселерометрам, и может быть использовано для измерений виброускорений на низких и средних частотах в условиях высокочастотных помех.
Целью изобретения является повышение надежности датчика за счет компенсации деформаций в каждой точке биморфной и ьеэокерамической пластины.
На фиг.1 показана конструкция биморфной пьеэокерамической пластины; на фиг.2 — упрощенная функциональная схема датчика виброускорений.
Устройство содержит биморфную пьеэокерамическую пластину 1, закрепленную одним торцом в корпусе 2, преобразователь
3 перемещения свободного конца пластины
1, выход которого соединен с одной обкладкой 4 пластины 1 и входом nonocoeoro фильтра 5, последовательно соединенного с усилителем 6 и инвертором 7, Выход инвертора 7 соединен с другой обкладкой 8 пластины 1.
Биморфная пьезокерамическая пластина1 представляет собой пластину постоянной толщины h. Свободный торец пластины
1, имеющий размеры Ь х h, и торец, закрепленный в корпусе 2, параллельны другдругу и перпендикулярны продольной оси х. LLlvрина боковых граней пластины 1 вдоль продольной ее оси определяется по формуле
bõ= bî е 2к, а ограничивающие боковые грани ребра симметричны относительно продольной
oc»,Ôoðìà боковых граней выбирается из следующих соображений.
Поскольку механические напряжения, возникающие в биморфной пьеэокерамической пластине под действием приложенного электрического напряжения, одинаковы во всех ее точках независимо от формы боковых гpGHGA, для того чтобы была возможность скомпенсировать механические напряжения, возникающие под действием инерционных сил, необходимо найти такую форму боковых граней пластины, чтобы инерционные силы вызывали в ней также равные в каждой точке напряжения.
Дифференциальное уравнение упругой линии, характеризующее механические напряжения и деформации в каждой точке биморфной пьезокерамической пластины вдоль оси х, записывается в виде
Мх
Уо (1)
Е lx где Yu — деформация под действием инерционных сил;
Y =3da>U ()
h и, следовательно, II
Уэ. = 6дз1
h2 (5) где Y> — деформация под действием элект30 рического напряжения; бз1 — и ьезомодуль;
U — электрическое напряжение, условия компенсации усилий и деформаций в каждой точке биморфной пьеэокерамиче35 ской пластины запишем следующим образом;
Уи =Уэ или с учетом (4) и (5), после введения обозЬх Ебз) 0
40 начений fx = —, К = — и S =—
Ьо 2р а х
J f(x)xdx=KSf(x), (6) о
Решив полученное уравнение относи45 тельно f(x), получим:
2 х
f(х)=е 2кз, Зная, что f(x)=bx/Ьо, получим выражение для определения изменяющейся вдоль продольной оси ширины боковых граней биморфной пьезокерамичевкой пластины
2 х
Ьх=Ьое . (7)
При отсутствии виброускорений деформаций биморфной пьезокерамической пластины 1 не происходит и электрическое напряжение на выходе преобразователя 3 перемещения равно нулю. При возникновении виброускорений на биморфную пьезоMx — изгибающий момент в точке х, Š— модуль упругости пьеэокерамики, ЬЗЬ
Ух — момент инерции прямо- угольного сечения в точке х, (2)
Выражение для определения Мх найдем с помощью выражения для приращения момента dMx в точке х
10 бМх=а p hbxxdx где a — измеряемое ускорение;
p — плотность пьезокерамики, х
Мх=а ph ) Ьххс1х. (3) о
15 Таким образом, уравнение упругой линии для биморфной пьеэокерамической пластины с учетом (1), (2) и (3) запишется в виде х
12ар J Ь, xdx
Уи = . (4)
Eh2Ь„
Зная, что для биморфной пьезокерамической пластины
1647410 керамическую пластину 1 действуют инерционные силы, пытающиеся деформировать ее, Начало перемещения свободного конца пластины 1 регистрируется преобразователем 3 перемещения и на его выходе 5 поя вляется электрическое напряжение. При отсутствии в анализируемом спектре виброускорений с частотой, равной частоте 1ф настройки полосового фильтра 5, сигнал с преобразователя 3 не проходит через поло- 10 совой фильтр 5 и поступает только на обкладку 4, B результате чего биморфная пьезокерамическая пластина 1 возвращает свой свободный конец в исходное состояние, т.е. имеет место отрицательная обрат- 15 ная связь. При этом описанная конструкция биморфной пьезокерамической пластины 1 позволяет компенсировать не только деформации (усилия) в точке, контролируемой преобразователем 3, но и механические на- 20 пряжения и деформации во всем теле пластины 1. Выходной сигнал преобразователя
3 несет в себе информацию о текущем суммарном значении виброускорений.
При появлении в анализируемом спект- 25 ре вибрации с частотой, равной частоте ф настройки полосового фильтра 5, сигнал с этой частотой проходит по цепочке; полосовой фильтр 5, усилитель 6, инвертор 7 и поступает на другую обкладку 8, в результа- 30 те чего биморфная пьезокерамическая пластина 1 стермится сдвинуть свой свободный торец в ту же пластину, что и виброускорение на частоте 1ф.
Таким образом в устройстве появляется 35 положительная обратная связь на частоте
1ф. Это приводит к резкому увеличению амплитуды напряжения с частотой 1ф на выходе преобразователя 3, что аналогично увеличению выходного сигнала датчика с 40 резонансным элементом при совпадении его собственной частоты с частотой вибраций.
Увеличение амплитуды электрического напряжения на выходе преобразователя 3 45 зависит от соотношения глубин положительной и отрицательной обратных связей, причем коэффициент усиления усилителя 6 подбирается так, чтобы глубина отрицательной обратной связи была большей, т.е. ко- 50 эффициент усиления усилителя 6 К < 1. Это необходимо для обеспечения компенсационного режима работы датчика, когда биморфная пьезокерамическая пластина 1 остается практически неподвижной. Селективная чувствительность датчика на частоте
1ф при этом повышается в 1/1-К раз. Выходным сигналом датчика служит амплитуда напряжения на выходе инвертора 7, функционально связанная с амплитудой виброускорений на частоте 1ф, Формула изобретения
Датчик виброускорений, содержащий биморфную пьезокерамическую пластину, закрепленную одним торцом в корпусе, преобразователь перемещения другого торца биморфной пьезокерамической пластины, при это выход преобразователя перемещения соединен непосредственно с одной обкладкой биморфной пьезокерамической пластины, а с другой — через последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель и инвертор, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности датчика за счет компенсации деформаций в каждой точке биморфной пьеэокерамической пластины, ширина боковых граней биморфной пьезокерамической пластины вдоль продольной оси, перпендикулярной торцам, определяется по формуле г х
l3x= bî B где Ьх — ширина пластины в точке, м;
l3o — ширина свободного торца (при x=0), м;
x — расстояние от свободного торца по оси, м;
К—
Ed3) гр коэффициент, учитывающий свойство пьезокерамики;
$ = — — коэффициент преобразоваU а ния датчика;
Š— модуль упругости, тН/м; г, d3> — пьезомодуль, м/В; р — плотность, кг/м; з, U — электрическое напряжение„В; а — измеряемое ускорение,м/с, а ограничивающие боковые грани ребра симметричны относительно продольной оси.
Составитель Г,Ермолаев
Редактор А.Шандор Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М.Максимишинец
Заказ 1395 Тираж 350 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5 .Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, l01
