Пьезоэлектрический датчик давления и способ его настройки

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения быстропеременных, ударных и акустических давлений. Цель изобретения - уменьшение погрешностей от воздействия вибраций и повышение точности настройки во всем частотном диапазоне вибраций. Датчик давления содержит корпус 1, за одно целое с которым выполнена воспринимающая мембрана 2, подушка 3 и рабочий пьезоэлемент 4. Корпус 1 через основание 5 герметично соединен с помощью сварки с нижним корпусом 6, в котором размещен виброкомпенсирующий узел, который состоит из компенсирующей мембраны 7, виброгруза 8 и компенсирующего пьезоэлемента 9, идентичных соответственно воспринимающей мембране 2, подушке 4 и рабочему пьезоэлементу 4. Компенсирующий пьезоэлемент 9 поджат к компенсирующей мембране 7 с помощью нижнего 2 3 ь , / / (Л С 2 чэ v| OJ со

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„5Q„„1749733 А1 (я)з G 01 1. 9/08

ГОСУДАРСТВЕ HAIA КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф с

Ф

Фю еФ.:. . 2 (21) 4766995/10 .: .;: : измерейия быстропеременных, ударных и (22) 03.12.89 .. -, -: : акустических давлений. Цель изобретения— (46)23;07.,92. Бюл. А&27 .: . .. уменьшение погрешностей от воздействия

p1) Научно-исследовательский инстйтут фи- вибраций и повышение точности настройки зических измерений ::::- .: = .. во всем частотном диапазоне вибраций. (72) Н. H. Мордовин, 8. Н. Марин, 8. Н. Датчикдавлениясодержиткорпус1,заодно

Кузин и И, П. Винокуров .. .; . целое с которйм выполнена воспринимаю. (56) Авторское свидетельство СССР .. щая мембрана 2, подушка 3 и рабочий nbeИ. 317928, кл. G 01 L 9/08, 1971.:.:. зоэлемент 4; Корпус 1 через основание 5 .

Авторское свидетельство СССР...:: .. герметично соединен с помощью сварки с

t4 330363, кл. 60149/00, 1972; нижним корпусом 6, в котором размещен . Заявкавеликобрйтании %2148008, G виброкомпенсирующий узел, который со01 3 9/08, 1986....: . стоит из компенсирующей мембраны 7, вибДатчйкдавления 522 М4,Проспектфир- . рогруза 8 и. компенсирующего мы Endevce, США 1985.: ..:.: . пьезоэлемента 9, идентичных с6ответствен(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК . но воспринимающей мембране 2, подушке

ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО НАСТРОЙКИ . 4 и рабочему пьезоэлементу 4, Компенсиру(57) Изобретение отйосится к измерйтель- ющий пьезозлемент 9 йоджат к компенсиру-; нойтехникеиможетбытьисоользованодля ющей мембране 7 с помощью нижнего (fj зу - . С1749733

25 основания 10 эквивалентно усилию поджатия рабочего пьезоэлемента, Для точного задания усилия на компенсирующий пьезоэлемент 9 введена коническая винтовая пара, состоящая из втулки-шестерни 11 и конического винта 12. Настройка датчика по виброкомпенсации осуществляется в два этапа. На первом этапе в.процессе сборки датчика компенсирующий пьезоэлемент 9 предварительно поджимают к компенсирующей мембране 7 за счет резьбовой втулкиш естерни 11- с усилием, экви вал ентн ы м

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано при конструировании и

- производстве пьезоэлектрических датчиков, предназначенных для измерения быстропеременных, ударных и акустических давлений, а также для измерения параметров вибраций.

Известен пьезоэлектрический датчик давлейия, содержащий корпус с мембраной и установленный внутри корпуса пьезоэлемент, выполненный в виде цилиндра. В данном устройстве с целью повышения точности и уменьвенйя влияния ускорения, : опора пьезоэлемента в корпусе расположена в плоскости, разделяющей цилиндр на две сймметричные части (Ц, Известен пьезоэлектрический датчик давления, в котором с целью снижения влияния вибраций на точность измерения цилиндрический пьезоэлемент разделен кольцевой прорезью на внутреннюю цилиндрическую и внешнюю кольцевую части равной площади, причем на внутренней части пьезоэлемента установлен воспринимающий давление диск.

Недостатком указанных датчиков является то, что они до конца не обеспечивают компенсацию паразитного сигнала от вибрации.

Известен пьезоэлектрический датчик давления, содержащий корпус, в котором выполнены две камеры, в первой из которых размещен рабочий пьезоэлемент, а во второй — компенсирующий. Для повышения виброустойчивости компенсирующий элемент конструктивно изолирован от действия измеряемого давления.

Недостаток известной конструкции датчика заключается в том, что рабочий пьезоэлемент находится в предварительно нагруженном состоянии, а компенсирующий - в ненагруженном, Это ведет к разнице собственных частот рабочего и компенсирующего элементов, к различной усилию поджатия рабочего пьезоэлемента

4. На втором этапе датчик устанавливают на вибростенд, подключают к нему измерительную аппаратуру и при воздействии на него вибрации определенной величины, регистрируя характеристики. регулируют собственную частоту компенсирующего пьезоэлемента до совпадения с собственной частотой рабочего пьезоэлемента путем изменения силы поджатия компенсирующего пьезоэлемента. 2 с. и. ф-лы, 2 ил. чувствительности их к воздействию вибрации во всем рабочем диапазоне частот и, как следствие этого, погрешность от вибрации оказывается достаточно велика.

Известен способ настройки пьезоэлектрического датчика давления по виброкомпенсации, заключающийся в том, что пьезоэлемент s конструкции прибора размещают так, что его опора располагается в

10 плоскости, которая разделяет укаэанный пьезоэлемент на две симметричные части;

Вследствие этого, при действии ускорений в направлении оси датчика суммарный выходной сигнал датчика от действия вибрации стремится к нулю, а .при действии поперечных составляющих ускорений параэитного сигнала не возникает из-за симметрии пьезоэлемента относительно его продольной оси f1).

20 Недостаток известного способа заключается в том, что освободить компенсирующую часть пьезоэлемента от рабочего давления практически до конца никогда не удается, а это полностью отражается на точности настройки(снижает ее), кроме того, не удается добиться полной симметрии рабочей и компенсирующей частей условно разделенного при закреплении пьезоэлемента

Известен способ настройки пьезоэлек30 трического датчика быстропеременных давлений; заключающийся в том, что виброкомпенсирующий узел в конструкции прибора размещают отдельно от рабочего пьезоэлемента, -исключая воздействие на

35 компенсирующий пьезоэлемент быстропеременнога давления, а затем поджимают его к опорному основанию с помощью постоянного груза.

Недостатком способа является то, что

40 пьезоэлементы оказываются нагружены различными усилиями, отсюда разница собственных частот, неравномерность частотных характеристик поджатых пьезоэлементов и, как следствие, их разная

45 чувствительность к вибрации, 1749733

Цель изобретения — уменьшение погрешностей от воздействия вибраций и повышение точности настройки во всем частотном дйапазоне вибраций датчика.

Изобретение делает возможным реализацию двух совершенно идентичных чувствительных элементов; один из которых (основной — рабочий) воспринимает кзк давление, так и вибрацию, другой же (дополнительный — компенсирующий) только вибрацию, причем чувствительность к вибрации обоих пьезоэлементов при их оконча тельном закреплении становится равной, а тзк как между собой пьезоэлементы электрически соединены встречно. вследствие чего сигнал с пьезомодулей складывается в противофазе; с выхода измерительной схемы датчика снимается сигнал, пропорциональный только измеряемому давлению.

Идентичность расположения и закрепления чувствительных элементов обеспечивается кзк конструктивными признаками датчика, так и его методом настройки, обеспечивающим одинаковые усилия поджатия рабочего и компенсирующего пьезоэлемейтов.:.

Нз фиг, 1 показан пьезоэлектрический датчик, общий вйд; на фиг. 2 — схема настройки датчика предлагаемым способам.

Пьезоэлектрический датчйк содержит корпус 1. за одно целое с которым выполнена воспринимающая мембрана 2, связанная через подушку 3 с рабочим пьезоэлементом

4. Рабочий пьезоэлемент 4 защемлен между мембраной 2 и основанием 5 с определенным усилием, зависящим от величины воздействующего давления и конструктивных характеристик устройства. Корпус 1 через основание 5 герметично соединен с помощью сварки с нижним корпусом 6, в котором размещен виброкомпенсирующий узел. Виброкомпенсирующий узел состоит из компенсирующей мембраны 7, которая выполнена идентично воспринимающей мембране 2 и за одно целое с нижним кор« пусом 6, виброгруза 8 и компенсирующего пьезоэлемента 9, также идентичных соответственно подушке 3 и рабочему пьезоэлементу 4. Компенсирующий пьезоэлемент 9 поджат к компенсирующей мембране 7 с помощью нижнего основания 10 и резьбовой конической втулки-шестерни 11 с усилием, близким к усилию поджатия рабочего йьеэоэлемента 4, Для более точного задания усилия на компенсирующий пьезоэлемент 9 и создания возможности настройки собранного датчика в датчик введен конический винтшестерня 12, входящий совместно с втулкой

11 в коническую винтовую пару. Для обеспечения ее нормальной работы коническая передача выполнена, исходя иэ условия: отношение шагов резьб равно передаточному числу конической передачи, т.е.

t> Zg

5 tz Zt где 11 и 21 — соответственно шаг резьбы и число зубьев винта-шестерни 12;

tz и Z2 — соответственно шаг резьбы и число зубьев втулки-шестерни 11.

Настройка датчика по виброкомпенса10 ции проводится в два этапа; первый — этап грубой настройки и второй — этап точной настройки. Грубая настройка осуществляется в процессе сборки датчика и заключается в предварительном поджатии компенсирующего пьезоэлемента 9 к компенсирующей мембране 7, за счет резьбовой втулки-шестерни 11 с усилием, эквивалентным усилию поджатия рабочего пьезоэлемента 4. Дан20 ное усилие задается определенным моментом затяжки втулки 11, величина которого зависит от усилия поджатия рабочего пьеэоэлементз 4. Второй этап начинается после окончательной сборки датчика, Датчик уста25 навливают на вибростенд, подключают к не40

45 винт 12 контрится любым известным способом (сварка, пайка, клейка и т.д.), а рабочий и компенсирующий пьезоэлементы коммутируются с помощью электрических выводов 13 в одну общую измерительную схему.

Датчик давления работает следующим образом.

Прй действии на приемную полость датчика измеряемого параметра, например быстропеременного давления, 50 воспринимающая мембрана 2 передает деформацию через подушку 3 на рабочий пьезоэлемент 4. Под-действием деформации в указанном пьезоэлементе возникают заряды, которые снимаются с электродов через выводы 13 и подаются на вторичную аппаратуру. При одновременном действии измеряемого параметра и вибрации сигнал, связанный с возникновением зарядов в раму измерительную аппаратуру и при воздействии нз него вибрации определен.ной величины, регистрируя характеристики с рабочего и компенсирующего пьезоэле30 ментов во всем заданном частотном диапазоне, определяют конкретную частоту, на которой имеется наибольшая амплитудная разница. Точную настройку осуществляют на указанной частоте, меняя за счет поворо35 та винта 12 усилие поджатия на компенсирующий пьезоэлемент 9 так, чтобы разница между сигналзми ot вибрации с рабочего и компенсирующего элементов была мини мальна. После окончательной настройки

1749733 бочем пьезоэлементе 4 от действия вибрэ- пенсирующей мембраной, выполненной за ции, компеисйруется встречййм сигйзлом одно целое с нижней частью корпусэ, и ко от вибрэции, возникэющим в компенсирую- нической винтовой парой; выполненной в щем пьезоэлементе 9, в связи с чем с выхода виде резьбовой втулки; сопряженной с внутизмерительной сйстемы нэ вторйчную эппэ- 6 ренней поверхностью нижней части корпуратуру (нэйример, усйлитель заряде "Де- сэсвозможностьюперемещенияпоегооси, виэ"} поступэет сигнал, пропорциональный и винта, устэновлейньго в нижней чести кортолько измеряемому быстропеременному пуса и.контактирующего с втулкой, поэтом давлению,....:.:; ..:-:.::, компейсирующийпьезоэлемент зэжэтмежТехнико-экономическйми преимущест- 10 ду компенсирующей мембраной и резьбовами изобретения является следующее: по- вой втулкой. грешность датчиков от вибрации снижена в .: 2. Способ настройки пьеаоэлектрйче2,5 рэзэ; виброэквивалейт умеиыиеи в 2,25 ского датчика давления, включающий репураээ; неравномерноСть чэстотной xOp8Kl . лировку компенсирующего вибрэции ристики сниженэ в 2,4 раза.: .: ., 15. пьезоэлементе,-о т л и ч э ю шийся тем, ©фрмула изобрете ни я: что,сцельюповыаейияточностинастройки "

Пьезоэлектрический Датчик ддаления, во всем частотном диапазоне вибраций, нэсодержащий полый корпус и основание, гружэют компенсирующий пьезоэлемент . разделяющее корпус нэ верхнюе ийижяаю сосредоточенной силой, эквивалентной:усичэсти, в верхней части корпуса размещены 20 лию поджэтия рабочего пьезоэлемента, усмембрайв и рабочий пьезоэлемент, nîäæà-: - танавливэют дэтчик нз вибростенд и при тый к мембрана оснОвением, а в нйжней действии вибраций в зэдэнном частотном чэстикорпуевустановленкомпенсируащий диапэзонерегулируютсобственнуючастоту йьеэоэлемент, при этом рабочий и компен- компенсирующего пьезоэлементе до совпа сирующий пызоэлементы включены элект- 25 дения с собственной частотой рабочего пьеричбски параллельно, о т л и:ч э ю шийся эоэлементз путем измейенйя -силы тем, что; с цельюуменьшения погрешностей поджатия компенсирующего пьезоэлеменот возщЮтвия вибраций, он снэбжен ком- тэ.

Составитель H.Ìîðäîåèí

Техред M.Моргемтэл Корректор Н.Король

Редактор Н.Козориз

1акеэ 2688 Тираж --- -;: . - Подписйое

ВНИИХИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-ЗБ, Рэуаская нэб.. 4/Ь

Пройзводственно-издательский комбинэт "Патент", г. Ужгород, ул. Гагэрина, 101