Пьезоэлектрический преобразователь ускорения

 

Использование: в области контроля параметров движения. Сущность изобретения: пьезоэлектрический преобразователь ускорения содержит корпус, два инерционных элемента, взаимодействующие с ним посредством упругих элементов. Между инерционными элементами размещен пьезозлемент. Величины масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов выбраны из соотношения MiC2 MaCi, где Mi, Ma - массы первого и второго инерционных элементов, соответственно, Ci, Ca - жесткости первого и второго инерционных элементов, соответственно. 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 P 15/09

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4871756/10 (22) 08.10.90 (46) 15.04.93, Бюл. ¹ 14 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт экспериментальной физики (72) В,И.Яровиков, В,В.Смирнов (56) Авторское свидетельство СССР № 1138745, кл. G 01 Р 15/09, 1990, Авторское свидетельство СССР

¹ 737838, кл. G 01 P 15/08, 1983. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ

Изобретение относится к области контроля параметров движения, а именно — к первичным пьезоэлектрическим преобразователям, применяемым в ключевых системах контроля движения различных объектов, оборудования, инженерных сооружений, грунта и т.п, Применение известных пьезоэлектрических преобразователей ускорения в ключевых системах контроля движения ограничивается низкой помехоустойчивостью при действии механических возмущений с уровнем ускорений ниже порогового (несанкционированных механических воз- . мущений). Собственный электрический шум при этом накладывается на сигнал преобразователя, вызванный механическим возмущением, и может вызвать при превышении заданного уровня напряжения непредусмотренное срабатывание системы (включение, выключение и т,п.), Влияние помех особенно, ощутимо в ключевых системах контроля сейсмических колебаний, возникающих при землетрясениях, вибраФ

„„. Щ„„1809392 А1 (57) Использование: в области контроля параметров движения. Сущность изобретения: пьезоэлектрический преобразователь ускорения содержит корпус, два инерционных элемента, взаимодействующие с ним посредством упругих элементов, Между инерционными элементами размещен пьезоэлемент. Величины масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов выбраны из соотношения М С2 = М2С1, где

М1, М2 — массы первого и второго инерционных элементов, соответственно, С1, Сг — жеcTKocTN первого и второго инерционных элементов, соответственно. б ил. ции оборудования и т.п., в результате черезвычайно слабых сигналов от пьезоэлектрических преобразователей (десятки мкВ— мВ).

Известные пьезоакселерометры, обладающие высокой чувствительностью, как правило, имеют относительно низкую прочность, что ограничивает их применение весьма тяжелыми и стационарными обьектами, Для увеличения прочности в пьезоэлектрическом акселерометре, выполненном по схеме с использованием изгиба тонкого пьезокерамического диска, инерционный элемент выполнен в виде диска с равномерно распределенными по его периметру выступами, Тем не менее, при изгибе пьезокерамический диск испытывает напряжения растяжения, что ограничивает амплитудный диапазон в результате меньшей прочности пьезокерамики при растяжении, чем при сжатии. Так, например, предел прочности при. растяжении((ураст) широко применяемой высокоэффективной пьезоке1809392 рамики ЦТС вЂ” 19 более чем в 4 раза меньше предела прочности при сжатии (Ocж), В пьезокерамическом акселерометре, выполненном также по схеме с использованием деформаций изгиба тонкого пьезокерамического диска, для повышения прочности упругую пластину с пьезокерамическим диском при сборке изгибают таким образом, чтобы обеспечить предварительно-напряженное сжатое состояние пьезоэлемента.

Однако и такая конструкция не исключает деформаций растяжения пьезоэлемента при действии ускорения от основания в корпус акселерометра.

B рассмотренных конструкциях отсутствует возможность регулировки порога чувствительности по ускорениям, ниже которого механические возмущения не вызывают появления электрического сигнала.

Выходное напряжение акселерометров прямо пропорционально действующему ускорению во всем амплитудном диапазоне.

Нижний уровень воспринимаемых ускорений очень низок и зависит от способа крепления пьезоэлемента, упругой мембраны и других конструктивно-компоновочных параметров. Отсутствие регулируемого порога чувствительности по ускоренйям ограничивает применение пьезоэлектрических акселерометров в ключевых системах контроля параметров движения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, инерционный элемент, упругий элемент и пьезоэлемент.

Предварительное поджатие осуществляется за счет затяжки корпуса к основанию акселерометрэ, При действии разнополярных ускорений пьезоэлемент испытывает только деформации сжатия, чем обеспечивается высокая ударная прочность. . При действии ускоренйя в направлении от упругого элемента к инерционному элеМенту уменьшается усилие поджатия и, таким образом, существует возможность отрыва упругого элемента от корпуса {в дальнейшем rto тексту — возможность взаимодействия инерционного элемента с корпусом посредством упругого элемента). При этом образуется зазор между корпусом и упругим элементом. При уменьшении силы предварительного поджатия снижается и уровень ускорений, при котором происходит отрыв упругого элемента от корпуса.

При действии ускорения в обратном направлении существует возможность отрыва пьезоэлемента от основания корпуса, При отрыве упругого элемента от корпуса или пьезоэлемента от основания происходит ис5

20 взаимодействия с корпусом посредством второго упругого элемента, а пьезоэлемент размещен между инерционными элементами, при этом величины масс инерционных элементов и.жесткостей упругих элементов

30 выбраны из соотношения

М1С2 = М2С1, где М1 — масса первого инерционного элемента;

М2 — масса второго инерционного элемента;

С1 — жесткость первого упругого элемента;

С2 — жесткость второго упругого элемента.

Известен пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий корпус, два инерционных элемента, один из которых связан с корпусом посредством упругоro элемента, и два пьезоэлемента, один из которых размещен между инерционными элементами. Введение второго инерционного элемента вызвано наличием второго пьезоэлемента, сигнал от которого сравнивается с показаниями первого пьезоэлемента для нечувствительности к воздействию волн давления, Наличие в устройстве второго инерционного элемента позволяет устранить влияние импульсного давления путем вычитания электрических сигналов от обоих пьезоэлементов. Однако в такой конструкции также. как и в ранее рассмотренных, отсутствует порог срабатывания по ускорениям, что ограничивает применение таких

55 кажение сигнала. Для этой конструкции необходимо выбирать амплитудный диапазон ускорений таким образом, чтобы не происходили укаэанные отрывы.

Кроме того, в рассматриваемом экселерометре также отсутствует регулируемый порог срабатывания по ускорениям.

Таким образом, наличие электрического сигнала при действии несанкционированных механических возмущений (с амплитудой ускорений ниже пороговых) снижает устойчивость пьезоэлектрического преобразователя ускорений. Целью настоящего изобретения является повышение устойчивости к влиянию несанкционированных механических возмущений. Цель достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом преобразователе ускорения, содержащем корпус, первый инерционный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом посредством первого упругого элемента, и пьезоэлемент, дополнительно введен второй инерционйый элемент, установленный с возможностью

1&09392 д1 =82, 15 где д1 — перемещение первого инерционного элемента; дг — перемещение второго инерционного элемента. 20

С другой стороны; перемещение инерционных элементов определяется жесткостями упругих элементов и массами инерционных элементов и не зависит от жесткости пьезоэлемента 25 д = М1А ид,— М2А

С1 Сг где А — величина действующего ускорения, Отсюда

М1А М2А

С1: С2 или М1С2 = М2С1

Приведенное соотношение масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов определяет условие образования порога срабатывания по ускорениям.

Регулировка порога срабатывания обеспе- 40 чивается предварительным поджатием пьезоэлемента и упругих элементов.

Порог срабатывания по ускорениям

Апор определяется по формуле

Fnoae

Апор= М +М где A«p — порог срабатывания по ускорениям;

50 . Р«дж — сила предварительного поджатия.

При действии ускорения выше пороговых инерционные силы превышают силу предварительного поджатия Fnoaж и один

55 из. инерционных элементов в зависимости от направления ускорения отрывается от

ynpyr0r0I элемента, образуя зазор. При этом скачкообразно изменяется чувствительФ датчиков в ключевых системах контроля движения из-за низкой устойчивости к влиянию несанкционированных механических возмущений.

Повышение устойчивости к влиянию не- 5 санкционированных механических возмущений достигается путем образования регулируемого порога срабатывания по ускорениям, ниже которого пьезоэлемент не испытывает деформаций. Отсутствие де- 10 формаций пьезоэлемента достигается при условии равенства перемещений первого и второго инерционных элементов, т.е. ность преобразователя. Дальнейшее увеличение ускорений приводит к появлению электрического сигнала, прямо пропорционального в рабочем частотном диапазоне произведению массы оторвавшегося от упругого элемента инерционного элемента на разность ускорений (А-Anop). Причем, выбирая равными значения масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов, получаем равную чувствительность при действии противоположно направленных (разнополярных). ускорений, что является обязательным условием в ключевых системах контроля движения, направление которого заранее неизвестно.

На фиг. 1, 2 и 3 представлены конструктивные схемы пьезоэлектрического преобразователя ускорения с пьезоэлементом, испытывающим деформации сжатия, сдвига и изгиба, соответственно, где 1 — первый инерционный элемент; 2 — корпус; 3 — первый упругий элемент; 4 — второй инерционный элемент; 5 — второй упругий элемент; 6 — пьезоэлемент; 7 — электрические выводы; & — упругая мембрана.

На фиг, 4, 5, 6 — механические схемы пьезоэлектрического преобразователя ускорения при действии ускорений ниже порога срабатывания, при действии ускорений выше порога срабатывания в направлении от второго инерционного элемента к первому и при действии ускорений выше пороговых в обратном направлении, соответственно, Пьезоэлектрический преобразователь ускорения содержит первый инерционный элемент 1, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом 2 посредством первого упругого элемента 3. Второй инерционный элемент 4 установлен с возможностью взаимодействия с корпусом 2 посредством второго упругого элемента 5. Пьезоэлемент 6 размещен между инерционными элементами 1, 4. Величины масс инерционных элементов и упругих элементов выбраны из соотношения

М1Сг = М2С1.

Электрический сигнал с пьезоэлемента 6 снимается посредством электрических выводов 7.

В конструктивной схеме рис,1 пьезоэлемент испытывает деформации сжатия. При действии ускорений ниже пороговых Алор инерционные элементы 1 и 4 перемещаются, при этом расстояние между ними не изменяется, что обеспечивает отсутствие деформаций пьезоэлемента 6. При превышении ускорений порога срабатывания А ор

1809392 приемлемую ударную стойкость. Дополни- 20 тельное увеличение прочности вносит изменение упругих свойств при отрыве одного иэ инерционных элементов от упругого элемента и срыве механических колебаний с резонансной частотой. Изменение упругих 25 свойств при превышении порога срабатывания вызывает изменение резонансной частоты и уменьшение деформаций пьезоэлемента 6.

На фиг. 2 и 3 показаны варианты конструктивных схем пьезоэлектрического преобразователя ускорения с пьезоэлементом

6, использующим деформации сдвига и изгиба, соответственно;

Пьезоэлемент 6 преобразователя по схеме рис,2 выполнен в виде полого пьезоэлектрического цилиндра, на цилиндрических поверхностях которого образованы электроды. Поляризация пьезоэлемента 6 осуществляется вдоль оси цилиндра. Съем 40 электрического заряда производится посредством электрических выводов 7. При этом инерционные элементы 1 и 4 служат токосьемниками. При действии ускорения выше

50 порогового инерционные элементы 1 и 4 смещаются относительно друг друга и тем самым вызывают сдвиг пьезоэлемента 6.

Пьезоэлемент 6 преобразователя по схеме фиг. 3 выполнен в виде тонкого пьезоэлектрического диска. При смещении относительно друг друга инерционных элементов 1 и 4 происходит изгиб пьезоэлемента 6, Пьезоэлемент 6 опирается на выступ первого инерционного элемента 1.

Второй инерционный элемент 4 шаровой поверхностью опирае ся на пьезоэлемент

6. Выполнение пьезоэлектрического преобразователя ускорений по схеме с использованием деформаций изгиба пьезоэлемента, а также выполнение опоры второго инерциодин,из инерционных элементов отрывается от упругого элемента, образуя зазор между инерционным и упругим элементом.

Инерционная сила оторвавшегося инерционного элемента приводит к деформации 5 пьезоэлемента 6 и, соответственно, к появлению электрического сигнала, пропорционального массе инерционного элемента и разности действующего ускорения (А Atop).

При действии ускорения в направлении от 10 первого инерционного элемента 1 ко второму инерционному элементу 4 образуется за зор между вторым инерционным элементом

4 и вторым упругим элементом 5. При движении в обратном направлении образуется 15 зазор между первым инерционным элементом 1 и первым упругим элементом 3. В обоих случаях пьезоэлемент испытывает напряжения сжатия, что позволяет обеспечить онного элемента 4 в виде шаровой поверхности позволяет реализовать весьма высокую чувствительность для обеспечения возможности регистрации сейсмических колебаний.

Для обеспечения ударной стойкости пьезоэлемент 6 может быть подкреплен упругой мембраной поз.8, опираю цейся на выступ первого инерционного элемента 1.

Тогда при изгибе составного чувствительноr0 элемента пьезоэлемент 6 испытывает деформации сжатия, Последний вариант исполнения пьезоэлектрического преобразователя является предпочтительным, т.к. позволяет реализовать высокую чувствительность при сохранении достаточной прочности.

Во всех вариантах исполнения конструктивных схем инерционные элементы 1 и

4 сопрягаются с упругими элементами 3 и 5 с обеспечением возможности отрыва от них при минимальном усилии, Упругие элементы 3 и 5 могут быть как поджаты к корпусу 2, так и жестко соединены с ним. Последний вариант является более предпочтительным для исключения смещения упругих элементов 3 и 5 при отрыве от них соответствующих инерционных элементов 1 и 4. Пьезоэлемент.6 в процессе сборки зажимается между инерционными элементами 1 и 4, Допускается вариант исполнения конструктивных схем с жестким соединением пьезоэлемента 6 с инерционными элементами 1 и

4. Во всех вариантах инерционные элемен- . ты 1 и 4 служат токосъемниками и должны быть электрически изолированы друг отдруга.

Заявляемое устройство работает следующим образом. При действии ускорений ниже пороговых коэффициент преобразования ускорения заявляемого преобразователя равен нулю. Механическую схему пьезоэлектрического преобразователя ускорения для этого случая следует представить в виде колебательной системы с двумя степенями свободы, включающей два инерционных элемента и три пружины, где С1 — жесткость верхней пружины, моделирующей первь1й упругий элемент 3;

Cz — жесткость нижней пружины, моделирующей второй упругий элемент 5;

Сз — жесткость средней пружины маде1 лирующей пьезоэлемент 6;

М вЂ” масса первого инерционного элемента 1;

Mz — масса второго инерционного элемента 4.

Исходя из известного решения уравнений движения колебательной системы с двумя степенями свободы (5) находим, что

1809392

Аналогичные рассуждения справедливы для преобразователя и при действии ускорения в обратном направлении, Динамическая схема для этого случая приведена на рис.б, Коэффициент преобразования пропорционален

Л у1М1 Сг — Мг С1 (с1+сз ЙРм1) (с1+сз шгмг) сз (2), д —, Мг С 1 или, упрощая, .

Луз = °

М2

Сз

Знак "минус" указывает на то, что при изменении направления ускорения полярность электрического сигнала не изменяется.

При равенстве масс инерционных элементов 1 и 4 и жесткостей упругих элементов 3 и 5 получаем равную чувствительность при действии противоположно направленных ускорений. Следует отметить также, что при действии ускорений, превышающих порог срабатывания, скачкообразно изменяются упругие свойства преобразователя, что обеспечивает дополнительное рассеяние механических колебаний с резонансной частотой.

Порог срабатывания пьезоэлектрического преобразователя ускорения обеспечивается при сборке предварительным поджатием. Величина усилия поджатия рассчитывается по формуле (1). Для ключевых систем контроля ударных процессов следует уменьшать массу инерционных элементов 1 и 4 и увеличивать усилие поджатия.

Для систем же регистрации сейсмических колебаний необходимо применять более тяжелые инерционные элементы и снижать усилие поджатия.

На практике было реализовано следую- щее:

Были изготовлены макетные образцы по . схеме рис,3 и проведены лабораторные испытания, подтвердившие возможность создания пьезоэлектрического преобразователя ускорения, устойчивого к влиянию несанкционированных механических возмущений. Величины масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов были выбраны равными и составляли =45 r и =8 10 Н/м, соответственно. Пьезоэлемент в виде диска 015 х 0,3 мм из пьезокерамики ЦТС вЂ” 19 был наклеен на тонкую упругую мембрану 0 19 х 0,4 мм из стали

36 НХТЮ. Упругие элементы были изготовлены в виде диска Я 25 х 2 мм из резины

М1С2 = М2С1

20 м1 сг

Лу2

М1 С2 М1

ЛУ2 =

Сг Сз Сз

45 коэффициент преобразования пьезоэлектрического преобразователя ускорения пропорционален коэффициенту Лу1 где а> — частота вынужденных колебаний, В рабочей области частот членами уравнения (аРМ1) и (оРМ2) можно пренебречь.

Получим

ЛУ1

М1 Сг — Мг С1

С1С2+ Сг Сз+ С1 Сз

Таким образом, при условии коэффициент преобразования ускорения равен нулю и не зависит от жесткости пье- зоэлемента 6, При действии ускорений выше пороговых в направлении от второго инерционного элемента 4 к первому, первый инерционный элемент 1 отрывается от упругого элемента 3.

Динамическая схема для этого случая представлена на рис. 5, Коэффициент преобразования увеличивается скачкообразно и становится пропорциональным коэффициенту (Сз — OP M1) (Сз + С2 — и M2) Сз (4)

В рабочем диапазоне частот зависимость (4) может быть представлена. в виде

Характерно, что увеличение коэффициента преобразования происходит также в результате уменьшения жесткости чувствительного элемента при отрыве первого 50 инерционного элемента 1 от упругого элемента 3, о чем свидетельствует уменьшение знаменателя зависимости (5). Причем коэффициент преобразования в этом случае не зависит от жесткости упругих we- 55 ментов 3 и 5, что позволяет выбором определенной жесткости упругих элементов 3 и 5 добиваться приемлемого отношения сигнал/помеха при срабатывании преобразователя, (c1 + сз — иР М1 ) . (сз — иР мг ) — С3 (6) 1809392

НО-68-1; Предварительное поджатие при сборке усилием = 10 Н обеспечило порог срабатывания по ускорениям (8 12) g, ниже которого коэффициент преобразования не превышал (16-20) мВ/g, а выше порога сра- 5 батывания 1 В/g. Выбор порога срабатывания исполнительного устройства по напряжению (4 — 5) В позволяет обеспечить контроль ускорений с амплитудой (13 — 18) g.

Изменением предварительного поджатия 10 может быть получен порог срабатывания по ускорениям от 1 до 20 g. Макеты пьезоэлектрического преобразователя ускорений выдерживали однократное ударное возмущение с амплитудой = 200 д, длитель- 15 ностью I мс.

Динамический подъем амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте составлял (7-13) дБ. Характерно, что динамический подъем недемпфированных 20 пьезоэлектрических преобразователей, как правило, не ниже (20-25) дБ.

Заявляемое техническое решение позволяет увеличить. устойчивость к влиянию несанкционированных механических воз- 25 мущений. Кроме того, позволяет упростить в целом систему регистрации механических колебаний, в которую он входит, путем исключения части исполнительного устройства, инвертирующей сигнал от пре- 30 образователя.

Такое упрощение достигается тем, что пьезоэлектрический преобразователь ускорения формирует электрический сигнал одной полярности при действии противопо- 35 ложно направленных ускорений, превышающих заданный порог.

Пьезоэлектрический преобразователь ускорения обладает приемлемой прочностью, что позволяет размещать его на подвижных объектах, подверженных тряске и ударам. Высокочувствительный вариант исполнения может быть использован для контроля колебаний оборудования, инженерных сооружений, грунтов при землетрясениях и т и

Заявляемое техническое решение обладает простотой в конструктивном исполнении, простотой настройки порога срабатывания по ускорениям.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий корпус, первый инерционный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом посредством первого упругого элемента, и пьезоэлемент, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости к влиянию несанкционированных механических возмущений, дополнительно введен второй инерционный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом посредством второго упругого элемента, а пьезоэлемент размещен между инерционными элементами, при этом величины масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов выбраны из соотношения

М1С2 = М2С1, где М и М вЂ” масса первого и второго инерционных элементов;

С и С2 — жесткости первого и второго упругих элементов, I809392

1809392

Составитель Т, Макарова

Техред М.Моргентал

Корректор И Шмакова

Редактор B. Трубченко

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

Заказ 1284 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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