Многокомпонентный пьезоэлектрический тендем-вибродатчик

 

Использование: изобретение отмосится . к виброметрии и сейсмометрии, а именно к многокомпонентном пьезоэлектрическим вйбродатчйкам, функционирующим в режиме ёЦселёрЬмётра. Сущность изобретения: вибродатчик состоит из общего инёрционнрто элемента в виде твердого тела (например , в формэ куба, шара или двух конусов; сложённых основаниймй) и расположенных по разные его стороны, в общем случае трех пар пакетов по несколькр пьезопластин е каждом, в нише корпуса, укрерленного осн6в;ан11ём(ча контролируемой Объекте. В вибродатчйке использована сдвиговая деформация пластйн. поляризованных в Плоскости и расположённых так, чтобы направления векторов поляризации были взаимно перпендикулярны в сбседних пластинах каждого пакета и в одинаковых слоях соседних. 2 з.п;ф-лы, 4 ил.

СОК)3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5|)5 G 01 P 15/09

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

СПИСАНИЕ ИЗОБ к 1АТЕНТу !

- . 1 (21) 4817655/10 (22) 02,03,90, (46) 30.01.93, Бвл. М 4

- (71) Научно- исследовательский институт интро ско пии

- (72) Ю.И; Иориш (73) Ю,И, Иориш (56) Авторское свидетельство СССР

N. 167379, кл. 6 01 Р 15/09, 1963.

Авторское свидетельство СССР йг 1545171; кл. G 01 Р 15/09, 1985. (54) МНОГОКОМПОНЕНТНЪ|Й ПЬЕЗОЭ; ЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕНДЕМ-ВИБРОДАТчи1 (57) Использование . изобретение от осится . к виброметрии и сейсмометрии, а именно к многокомпонентным пьезоэлектрическим

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, испольэующи|йся для контроля и исследования механичесских колебаний в задачах виброметрии и сейсмометрии. Целью изобретения является повыше; ние точности измерения многокомпонентного пьезоэлектрического вибродатчика, преимущественно в режиме акселерометра.

Известны двух- и трехкомпонентные йьезозлектрйческие вибродатчики, состоящие из двух или трех однокомпонентных датчиков, конструктивно обьединеннйх общим корпусом. Сущес пзейное их преимуществб перед однокомпонентными датчиками, . мойтйруемыми на контролируемом объекте самостоятельно, точность взаимной ортогонаЛьности трех измерительных осей, прочность и удобство монтажа, а основной

„„Я „„ 1792537 А3 вибродатчикам, функционирующим в режиме акселерометра. Сущность изобретения . вибродатчик состоит из общего инерционного элемента в аиде твердого тела (напри . мер, в форме куба, шара йли двух конусов; сложенных основаниями) и расположенных по разные его стороны; — в общем случае трех пар пакетов пб несколько пьезопластин в каждом, в нише корпуса, укрепленного oc нованием на кОнтролируемом "обьекте. В вибродатчике йспользована сдвиговая деформация пластин, поляризованных в плоскости и расположенных так, чтобы направления векторов поляризации были взаимйо перпендикулярнь| в сбседних пла- Б стинах каждого пакета и в одинаковых слоях соседних. 2 з,п,ф-лы, 4 ил. еюй недостаток — разобщенность трех инерционных элементов и, следовательно, невозможность фиксации точки, в которой M производится измерение. - (Я

Известен лишенный этого недостатка () трехкомпонентный датчик с общим инерци- с4 онным элементом, конструктивно оформленный по центрированной схеме "тендем", принятый за прототип, Общая точка измерения совпадает здесь с центром инерции подвижной части системы. В этом устройстве и ему аналогичных используется "компрес- сйонная" деформаций пьезопластин и пьеэомодуль бзз. Точностные характеристики датчика могли бы быть существенно улучшейЫ эа счет использования "сдвиговой" деформаци пластин и пьезомодуля б1;, что. однако, до настоящего времени не удавалось из-за отсутствия конструктивных схем, 1792537

Ц =$б150, обеспечивающих одновременность и однородность процесса измерения всех трех ортогональных компонентов ускорения, Указанная задача одновременного совмещения схемы тендем и сдвиговой деформации пластин вместе с условием однородности выполняется благодаря предлагаемому расположению и объединению пластин и пакетов.

На фиг,1,2 и 3 представлен трехкомпонентный вибродатчик; на фиг.4 — двухкомпонентный.

Вибродэтчик соСтоит из общего инерционного элемента 1 в виде твердого тела (например, в форме куба, шара или двух конусов, сложенных основаниями) и расположенных по разные его стороны в общем случае трех пар пакетов 2,3,4 по несколько пьезопластин в каждом, в нише 5 корпуса 6, укрепленного основанием на контролируемом объекте 7. В пакетах для определенности по две пластины, плоские электроды и изоляционные прокладки йе показаны, B вибродатчике использована сдвиговая деформация пластин, поляризованных в плоскости и расположенных так, чтобы направления векторов поляризации были взаимно перпендикулярны в соседних пластинах каждого пакета и в одинаковых слоях соседних пакетов, как поясняется стрелками, При вибрации на каждой пластине возникает заряд где S — площадь пластины с одной стороны;

d15 — ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ПЬЕЗОМОДУЛЬ; . o — упругое напряжение в пластине при сдвиге, образующееся под действием силы, вызванной компонентом, направленным вдоль вектора поляризации.

Из фиг,1-4 видно, что каждый пакет контролирует по два компонента виброускорения вдоль осей ХУ и Z, а каждый из трех компонентов одинаковым образом контролируется четырьмя пакетами двух пар.

Знак заряда на электродах пластины определяется направлением поляризации, Одновременно на электродах пластины может возникнуть помеха — электрическое напряжение от воздействия внешних физических полей, не завися цих от пьезоэффекта, а связанных, например, с условиями эксплуатации.

При надлежащем выборе направлений поляризации для каждой пары, образованной смежными пластинами, находящимися в двух противолежащих пакетах (в одну и ту же или противоположные стороны), и соответствующем включении пластин в общую цепь со второй парой из соседних пакетов, тоже контролирующих данный компонент, заряды этих пар складываются и усредняются, а помехи попарно взаимовычитаются.

Таким образом, вибродатчик действительно приобретает новые свойства, повышающие точность его функционирования: усреднение снимаемого сигнала по четырем пакетам двух пар, различно ориентированных в пространстве, и защищенность от помех через их самокомпенсацию.

С целью дальнейшего повышения точности измерения, в частном случае, когда вибродатчик предназначен для работы в условиях гравитации и желательно устранить неоднородность ее деформирующего действия на пластины, пакеты, перпендикулярные силе тяжести, в систему не включаются, Например, если сила тяжести направлена вдоль оси Z, то отсутствует парэ пакетов 2.

Однако датчик остается трехкомпонентным, так как компоненты вибрации вдоль осей X и Y продолжают контролироваться пакетэми3и4, В частном случае, когда требуется измерение только двух компонентов, достаточно одной пары пакетов (фиг,4). При этом, как это видно из сравнения с фиг,1, допустимо в пределах данного пакета перемещать пластины из слоя в слой без нарушения установленных направлений поляризации и электрических соединений, Датчик остается работоспособным, если в каждом пакете содержится одна пластина, В частном слу1эе двух пакетов по одной пластине в каждом, датчик работает без взаимокомпенсации помех.

Достижение цели создания многокомпонентного . центрирован ного и ьезоэлектрического вибродатчика с высокими техническими характеристиками свелось к решению задачи органического сочетания трех научно-технических идей, положенных в основу разработки и образующих обобщенные признаки устройства: а) использована центрирован ная многостепенная колебательная система типа

"тендем" с общим инерционным элементом, расположенным между шестью пакетами пьезоэлектрических пластин, образующих s общем случае три пары; б) применена сдвиговая деформация пьезопластин, поляризованных в своей плоскости, в) предложена схема расположения и объединения пластин и пакетов, 1792537

Сочетание всех признаков а),б) и в) вме- 12) слабая подверженность быстрым иэсте приводит к следующим полезным свой- менениям температуры (пироэффект); ствам, определяющим сверхэффект: 13) отсутствие органической паразит1) однородность устройства в отноше- ной чувствительности пьезопластин к комнии одновременного измерения всех трех 5 йонентам виброускорения, ортогональным взаимно ортогональных компонентов виб- к подлежащему измерению; роускорения: 14) минимизированная деформацион2) повышение точности измерения бла- ная чувствительность основания; годаря усреднению выходного сигнала по 15) минимизированная и симметриэидвум парам, т.е. четырем разнесейным па- 10 рованная нелинейность системы. кетам пластин; У прототипа полностью отсутствуют

3) повышение точности изм;рения бла- свойства (2 — 6) и свойства (10 — 15) хуже на годаря защите через взаимокомпенсацию физической основе количественно, поскОль- по четырем пакетам значительной части на- ку благодаря признаку в) сделалась возможводок от внешних физических полей; 15 ной замена компрессионной деформации

4) повышенйе точности измерения бла- на сдвйговую. годвря дополнительной защите через взаимо- В целом, свойства датчика высокие, компенсацию от пироэффекта, возникающего Возможно, что предложенное техническое при быстром изменении температуры внеш- решение поставленной задачи создания ней среды; - — . 20 многокомпонентного центрированного пье5) в частном случае наличия двух пар . зоэлектрического вибродатчика на соврепакетов датчик остается трехкомпонент-, менном уровне" техники является ным, с некоторым ухудшением усреднения оптимальным. сигнала, но приобретением свойства защиты От деформационного действия силь| тя- 25 Ф о р м у л а и.з о б р е т е н и я жести на пластйны; ":, 1.Многокомпонентный пьезоэлектриче6) в частном случае наличия одной пары ский тендем-вибродатчик, содержащий папакетов датчик становится двухкомпонент- кеты пьеэокерамических" пластин, ным. расположенные на корпусе с основанием

Благодаря признаку а) сохраняются 30 парами rio разные стороны инерционного следующие известные полезные свойства элемента, отличающийся тем, что, с измерительного устройства; целью повышения точности, каждая пласти7) простота принципиальной схемы, на пбляризована в плоскости ее осйования, обеСпечивающая конструктивность реаль- а направления векторов поляризации взаногО устройства, четкость функционирова- 35 . имно перпендикулярны в соседних пластиния, надежностьиудобствоэксплуатации; нах каждого пакета и в одинаково

8)неподверженность "растеканию" сво- расположенных пластинах соседних пакебодных колебаний инерционного элемента тов, по всем шести степеням свободы; " 2.Тендем-вибродатчик по п.1, о т л и ч а ю9) минимизация вынужденных угловых 40 шийся тем, что, с целью повышения колебаний инерционного элемента. точности в условиях гравитации, пакеты

Благодаря признаку б) сохраняются пьезокерамических пластин расположены в следующие известные полезные свойства виде двух пар перпендйкулярно основанию аналогичных измерительных устройств: корпуса, 10) технологичность изготовления пре- 45 3.Тендем-вибродатчик попп.1 и 2, отл иобразовательных элементов и высокие эна- . ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения чения точностных параметров; возможности измерения двух линейных

11) слабая подверженность внешним компонентов виброускорения, пакеты пьефизическим полям; эокерамических пластин расположены в ви50 де одной пары.

1792537

1792537

Фиг. 4

Составитель Ю,Иорйш

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н.Ревская -едактор З.Ходакова

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

Заказ 175 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открьг,иям при ГКНТ СССР

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