Пьезоэлектрический акселерометр

 

Использование: в измерительной технике . Сущность изобретения: пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание, инерционную массу и расположенные между ними пьезопреобразователи. В основании выполнены осесимметричные выборки с образованием пересекающихся плоскостей, имеющих перпендикулярные торцевой поверхности основания плоские боковые грани, на каждой из которых закреплены плоские пьезоэлектрические элементы, причем инерционная масса состоит из нескольких частей и каждая по форме повторяет выборку. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 Р 15/09

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4881504/10 (22) 11.11.90 (46) 15.12.92. Бюл. N. 46 (71) Особое конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском государственном университете (72) А.М,Лимарев и В.И.Донсков (56) Акселерометр фирмы "Endevco" США серии 7701 — 50, см. Каталог, 1982.

Авторское свидетельство СССР

М 357527, кл. G 01 Р 15/09, 1971. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИИ АКСЕЛЕРОМЕТР

Предполагаемое изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к измерению вибрационныхускорений с использованием пьезоэлектрических преобразователей или акселерометров.

Известны пьезоэлектрические акселерометры фирмы "Брюль и Къер" (Дания) фабричной марки "Delta Sheaz", . в которых плоские пьезоэлементй в количестве 3-х штук размещены на гранях треугольной призмы. Пьезоэлементы погружены инер ционными массами и поджаты кольцом, охватывающим все три элементы.

Поджатие в виде единого кольца может быть существенно либо металлом, обладающим памятью, либо при повышенной температуре кольца. И в том, и в другом случае температурный диапазон акселерометра ограничен температурой, при которой еще сохраняется упругое поджатие элементов.

Кроме того, совместное поджатие трех элементов требует очень высокой точности

„„ Ц„„1781620 А1 (57) Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения; пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание, инерционную массу и расположенные между ними пьезопреобразователи, В основании выполнены осесимметричные выборки с образованием пересекающихся плоскостей, имеющих перпендикулярные торцевой поверхности основания плоские боковые грани, на каждой из которых закреплены плоские пьезоэлектрические элементы, причем инерционная масса состоит иэ нескольких частей и каждая по форме повторяет выборку. 3 ил. и чистоты обработки как металлических деталей, так и пьезокерамики. В частности, чистота обработки пьезокерамики и сопрягаемых с ней металлических поверхностей должна быть не ниже 8 — 10 класса.

Собственная электрическая емкость акселерометра ограничена наличием только

3-х пьезоэлементов, что является серьезным недостатком при работе акселерометра на удлиненные линии, Известны также пьезоэлектрические акселераметры фирмы "Endevco" (США) конструктивной схемы ИЗОШИР, в которых пакеты плоских пьезоэлементов размещены с двух сторон ножевой опоры и стянуты единой шпилькой, Основной недостаток этой конструкции — сравнительно низкий резонанс (не более 32 кГц) при достаточно высокой емкости, которая набрана из пакета пьезоэлементов, соединеннйх электрически параллельно. В этом также заключен определенный недостаток конструкции, так

1781620

35

50

55 как необходимо обеспечить токосъем с разнознаковых электродов пьезоэлементов, а это требует введения токосьемных шайб.

Конструкция становится громоздкой, между пьезоэлементами находятся и ромежуточные слои, снижающие жесткость, прочность и однородность чувствительных узлов, что и приводит к снижению резонансной частоты и температурного диапазона.

Ближайшим аналогом изобретения является пьезоакселерометр, в котором основание выполнено в виде многогранника в частности, в форме усеченной пирамиды, на боковых гранях которой укреплены пьезопреобразователи, а инерционная масса снабжена вырезом по форме многогранника.

Выполнение инерционной массы с вырезом, идеально подогнанным ко всем поверхностям усеченной пирамиды, практически не дает возможность реализо. вать это техническое решение. Это обусловлено необходимостью высокой точности подгонки металлических поверхностей ко всем пьезоэлементам, расположенным на гранях многогранника, что npvi данной форме сопрягаемых поверхностей достигнуть не удается, Такая подгонка возможна при конусных поверхностях, цилиндрических, т.е. обладающих осевой симметрией.

Цель изобретения — повышение коэффициента преобразования и увеличение резонансной частоты.

Указанная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре. содержащем основание, инерционную массу и расположенные между ними пьезопреобразователи в основании выполнены осесимметричные выборки с образованием пересекающихся плоскостей, имеющих перпендикулярные торцевой поверхности основания плоские боковые грани, на каждой из которых закреплены плоские пьезоэлектрические элементы, причем инерционная масса состоит из нескольких частей и каждая по форме повторяет выборки.

Достижение положительного эффекта при использовании заявляемой совокупности существенных признаков обусловлено следующим.

Наличие выборок в верхней части основания позволяет увеличить число поверхностей для размещения пьезоэлементов при тех же габаритных ограничениях, что создает условия для резкого возрастания чувствительности акселерометра по заряду, а нагружения пьезоэлементов инерционной массой в выборках приближает ее к геометрической оси, повышает жесткость ее крепления и конструкции в целом, тем самым повышая резонансную частоту.

На фиг. 1 показан вид сбоку акселерометра; на фиг. 2 — то же, вид сверху; на фиг.

3 — торцовая поверхность верхней части основания с четырьмя выборками, вид сверху.

Акселерометр содержит основание 1, на торцевой поверхности верхней части которого (фиг,3) выполнены осесимметричные выборки, имеющие плоские боковые грани

2, перпендикулярные торцевой поверхности основания. На каждой из боковых граней выборок закреплены (приклеены) плоские пьезоэлектрические элементы 3, попарно, подгруженные инерционными массами 4, размещенными в выборках и имеющими форму повторяющую форму выборки, которая может быть, например. клиновидной, трапецеидальной или и ря моугол ьной, Для упрощения технологии изготовления верхняя часть основания с выборками на ее торцевой поверхности может быть изготовлена в виде отдельной детали, представляющей собой, например, крестовину (при упомянутой форме выборки), число которых равно 4/360, 90 =4), которую закрепляют на основании (приваривают, приклеивают притягивают винтами) так, что между пьезоэлементами с инерционными массами и основанием имеется зазор, Этим обеспечивается работа пьезоэлементов на сдвиг.

Инерционные элементы 4 электрически закорачиваются и соединяются с центральной жилой измерительного кабеля (на фиг, не показан), а основание замыкают на экран кабеля.

Акселерометр закрепляется на исследуемом объекте с помощью шпильки

В предлагаемой конструкции инерционные массы могут быть выполнены выступающими над торцевой поверхностью верхней части основания (крестовины) в осевом направлении, а чувствительный узел, образованный верхней частью основания с размещенными в его выборках пьезоэлементами и инерционными массами, может быть перевернут и установлен на нижней части основания на инерционные массы. При такам выполнении конструкции инерционные массы становятся опорой и выполняют роль основания акселерометра, а крестовина— инерционным элементом. Этим достигается резкое увеличение коэффициента преобразования акселерометра при некотором снижении резонансной частоты.

Реализация конструкции обеспечивает универсальность применения предлагаемого акселерометра, 1781620

Составитель Т. Макарова

Редактор В.Трубченко Техред М.Моргентал: Корректор 3.Лончакова

Заказ 4272 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Акселерометр работает следующим образом, При воздействии динамического сигнала вдоль продольной оси акселерометра, инерционные массы 4 установленные с зазором относительно основания 1, вследствие инерции смещаются вверх или вниз, деформируя пьезоэлементы 3 на срез. Пропорционально деформации на электродах пьезоэлементов возникают электрические заряды, которые через измерительный кабель подаются на вход измерительного прибора.

Макетный образец акселерометра массой 6 r и габаритами ф16 х 14 мм (без крепежной шпильки) показал коэффициент преобразования той >хе величины„что и акселерометр типа 4391(Delta Sheaz",Áðþëü и

Къер, Дания), при резонансной частоте, вдвое большей (40 кГц — тип 4391, 72 — 82 кГц — заявляемый акселерометр), Преимущества заявляемого пьезоакселерометра по сравнению с аналогами заключается в следующем.

Достоинства конструкции ИЗОШИР (Erdevco Corp, CLUA), выраженные в сравнительно высокой емкости, реализуется за счет того, что в конструкции имеется пьезоэлементов вдвое больше числа выборок. частота, фактически равная резонансной частоте одного чувствительного узла, размещенного в данной выборке. Доступность обработки поверхностей выборок создает

5 неоспоримое предпосылки для реализации конструкции предполагаемого изобретения.

Конструкция имеет и существенные преимущества перед фабричной маркой

10 Delta Sheaz Брюль и Kbep,Дания),так как позволяет в тех же габаритах реализовать, I10 крайней мере, удвоенную емкость, что дает возможность вдвое увеличить коэффициент преобразования по заряду.

15 Формула изобретения

Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание, инерционную массу и расположенные между ними пьезопреобра зователи, отличающийся тем, что, с

20 целью повышения коэффициента преобра- зование и увеличение резонансной частоты, в основании выполнены осесимметричные выборки с образованием пересекающихся. плоскостей, имеющих перпендикулярные

25 торцевой поверхности основания плоские боковые грани, на каждой из которых закреплены плоские пьезоэлектрические эле- . менты, причем инерционная масса состоит .из нескольких частей in каждая по форме