Способ построения измерительной системы

 

Использование: приборостроение, построение измерительных систем для параметров физических процессов. Сущность изобретения:, по исходной резонансной частоте изготавливают первичный пьезоэлектрический дисковый преобразователь диаметром Оэ с электродами диаметром Оэ, емкостью Спэ. предназначенный для работы с формирователем сигнала с известной входной емкостью Сн. Преобразователь закрепляют на упругом элементе с цилиндрической опорой диаметром D0. Дополнительно оптимизируют диаметр электрода Оэ, для чего определяют соотношение А . находят соотношение -пэ Опэ , строят номограмму в виде семеистВ Do ва кривых, удовлетворяющих уравнению х4-2(1-А)( «В)2х2-4А( aB)4lnx+4 1 + . +А(а В)2 х (a Bfln( а (а В)0, неравенству 1 х В, 1,1 ,3 -эмпирический Оэ коэффициент, а х rs. По полученной чоUo мограмме через соотношения А и В определяют область существования значений соотношения х и искомый диаметр электрода Оэ. 2 ил. (Л с

ГОГОВ СОВЕТСКИХ

СОЦИЛ ЛИС ТИЧЕ ГКИХ

PLÃÏÓÁËÈÊ (я)ю Н 01 1 41/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

СO

СО 4

6? (л

Сд (21) 4938769/25 (22) 21.05.91 (46) 30.07.93. Бюл. ¹ 28 (76) В.В. Смирнов, В.А. Степанов, Г.В. Южбабенко и В.И. Яровиков (56) Йориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машгиз, 1963, с. 518.

Заявка PCT NWO 82/00895. кл. G 01 Р 15/09, 1982. (54) СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ (57) Использование: приборостроение, построение измерительных систем для параметров физических процессов. Сущность. изобретения:,по исходной резонансной частоте изготавливают первичный пьезоэлектрический дисковый преобразователь диаметром D> с электродами диаметром D3, емкостью Спэ, предназначенный для работы с формирователем сигнала с известной

Изобретение относится к области контроля параметров физических процессов измерительными системами, а именно — к способам построения системы измерения параметров физических процессов, например. вибрация, движение. удар. давление.

Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности системы при сохранении заданной резонансной частоты, габаритов и массы первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя.

Цель достигается тем, что в известном способе построения измерительной системы. состоящей из первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя и формирователя сигнала с известной вход„„Я „„1831735 АЗ входной емкостью С . Преобразователь закрепляют на упругом элементе с цилиндрической опорой диаметром 0п.

Дополнительно оптимизируют диаметр электрода D>, для чего определяют соотноСн шение А=,-, находят соотношение пэ

Опэ

В=, строят номограмму в виде семейстDo ва кривых, удовлетворяющих уравнению х -2(1-А)(аВ} х -4А(aB) Inx+4(1+.

+A(a В) )х (a В)4In(а В)-2А(а В)=0, нера венству 1 < х < В, 1,1 а <1 3 — эмпирический

Оэ коэффициент, а х = —. По полученной но00

I мограмме через соотношения А и В определяют область существования значений соотношения х и искомый диаметр электрода Оэ. 2 ил. ной емкостью Сп, основанном на изготовлении дискового пьезоэлемента диаметром

Опэ, с электродами диаме оом D>, емкостью

Спэ, который закрепляют на упругом элементе с цилиндрической опорой диаметром

Оп, по исходной резонансной частоте, дополнительно оптимизируют диаметр электрода. D> для чего определяют соотношение

Сп 0 пэ

А= —, находят соотношение В= — —, строСпэ В> ят номограмму в виде семейства кривых, удовлетворяющих уравнению х -2(1-А)(а В) х -4А(а В) Inx+4(1 +

+А(а В) ) (а В) 1п(а В)-2А(а В) =-0 и неравенству 1 < х< В, по которой через соотношения А и В определяют область существования значений соотношения х и

1831735 искомый диаметр электрода 0>, где

1,1 а 1,3 — эмпирический коэффициент, 0 а х=0 о

Повышение чувствительности системы при сохранении резонансной частоты, габаритов v„массы датчика достигается выбором определенного размера электрода 0Э, при котором чувствительность измерительной системы с известной входной емкостью максимальна. При этом размеры пьезоэлемента и упругого элемента не изменяются, а, следовательно, сохраняются резонансная частота, габариты и масса датчика.

В результате оптимизации диаме ра 15 электрода 0> уменьшается собственная емкость пьезоэлемента. При этом, хотя и уменьшается коэффициент преобразования по заряду датчика, но не столь резко, как сумма собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя сигнала.

Уменьшение коэффициента преобразования по заряду происходит медленнее, чем уменьшение суммы (Спэ С ). Чувствительо ть измерительной системы увеличивает- 25 ся с уменьшением диаметра электрода 0э до вышеопределенного значения, достигая в нем максимального значения. При дальнейшем уменьшении диаметра D> чувствительность измерительной системы становится меньше, поскольку коэффициент преобразования по заряду датчика убывает быстрее. чем сумма собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя сигнала, 35

Суть заявляемого технического решения ясна из прилагаемых разьяснений и иллюстраций, где фиг, 1 — конструктивная схема измерительной системы; на фиг. 2— полученная номограмма.

На фиг. 1 показано:

0п — диаметр пьезоэлемента;

О, — диаметр электрода;

Do — диаметр основания;

CH — емкость нагрузки.

Особенность конструктивной схемы акселерометра с дисковым пьезоэлементом, закрепленным на упругом элементе с ци- линдрической опорой заключается в том. что для реализации высокого коэффициента преобразования по заряду диаметр пьезоэлемента Dna должен быть во много раз больше его толщины. Такое соотношение размеров и обуславливает высокие значения собственной емкости пьезоэлемента, достигающих значений единиц — десятков н . В то же время. входные емкости формирователя сигнала измерительных систем достаточно малы (в том числе, B результате ограниченной длины соединительного кабеля), Нерациональное соотношение собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя сигнала приводит к относительно низкой чувствительности системы, несмотря на высокий коэффициент преобразования по заряду датчика. Изменение размеров пьезоэлемента с целью увеличения чувствительности, как ранее отмечалось приведет либо к изменению резонансной частоты, либо к увеличению габаритов и массы датчика.

Процесс оптимизации диаметра электрода 0> представляет собой весьма сложную задачу, поскольку в известных способах построения измерительных систем отсутствуют решения, позволяющие воедино связать диаметр электрода, входную емкость формирователя и геометрические размеры чувствительного элемента датчика. Нахождение диаметра электрода аналитическим способом весьма трудоемко, поскольку уравнения изгиба многослойных элементов достаточно сложны. Тем не менее, задача нахождения оптимального диаметра электрода D>, при котором обеспечивается максимальное значение чувствительности измерительной системы для заданных резонансной частоты датчика и входной емкости формирователя сигнала, имеет единственное решение. В заявляемом способе решение представлено в виде кривых номограммы, удовлегворяющих уравнению х -2(1-A)(e В) х -4(а В) Inx<-4 1

+А(а В) J(аB) In(аВ)-2А(а В) =О (1) и неравенству 1 < x В.

Приведенное уравнение связывает между собой через соотношения A,В и х, диаметр электрода О, диаметр пьезоэлемента D», диаметр цилиндрической опоры

D0, емкость пьезоэлемента Сп и входную емкость формирователя С,». Нахождение соотношений, в общем, позволяет перейти к приведенным характеристикам и, таким образом, охватить все диапазоны изменения перечисленных характеристик системы.

Решение приведенного уравнения может быть представлено в виде множества корней. Однако, необходимость учета при проектировании технологических допусков изготовления пьезоэлемента и упругого элемента, допуска на длину соединительных кабелей, и как следствие допускаемого разброса входной емкости и т.п., не позволяет процесс оптимизации свести к численному расчету диаметра 0>. Для обеспечения выбора диаметра О> с учетом допускаемьix изменений характеристик системы требуется

1831735 знание области существования соотношения х и диаметра D . При одновременном изменении соотношений А и В искомый диаметр электрода Рэ может изменяться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. В этой связи, целесообразно множество корней приведенного уравнения представить в виде кривых номограммы, позволяющих определить область существования диаметра электрода D3 для конкретного соотношения В и, при необходимости, учесть технологический разброс характеристик системы. В этом случае процесс нахождения диаметра D> сводится к графическому определению соотношения х через соотношения А и В, расчету диаметра

D по формуле D =xDp. Неравенство

1 < х <В ограничивает область существования диаметра электрода, с одной стороны, диаметром цилиндрической опоры, а с другой — диаметром пьезоэлемента. Область пьезоэлемента, размещенная непосредственно на цилиндрической опоре, не испытывает деформаций изгиба, и поэтому чувствительность системы с датчиком, пьезоэлемент которого имеет электрод ОООО, во всех случаях равна нулю, что вызывает необходимость ограничения х >1.

Неравенство 1 < х <В представляет собой множество решений, охватывающих область всевозможных сочетаний собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя. Следует отметить, что условие x=B (сплошного нанесения электрода на торцевую поверхность пьезоэлел ента), в большинстве случаев нежелательно в результате реализации более высокого значения собственной емкости пьезоэлемента по сравнению с входной емкостью формирователя сигнала. Такое соотношение емкостей вытекает вследствие особенности конструкции пьезоэлемента (соотношения диаметра и толщины пьезоэлемента) и ограниченной размерами автомобиля длины соединительного кабеля. В то же время, работа системы наиболее эффективна в случае сравнимых собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя, т.к. с увеличением собственной емкости пьезоэлемента уменьшается чувствительность системы. Эта особенность датчика системы. проектирование которой осуществлено заявляемым способом, предопределяет отличие от конструкции по схеме в связи с существенным различием диаметров электрода Da и пьезоэлемента Рпэ. уравнение получено путем нахождения локального максимума функции чувстви35

5

30 тельности гистел1ы от переменных: диал1етра электрода D, диаметра пьезоэлемента

О,э, диаметра опоры Р,, собственной емкости пьезоэлемента Слэ. входной емкости формирователя сигнала С,.

Пределы эмпирического коэффициента а обуславливаются соотношениями размера скругления (или фаски) и диаметра цилиндрической опоры для различных соотношений В.

Для соотношений В, близких и сравнимых с единицей, характерны относительно толстые цилиндрические опоры. диаметр которых не превышает единиц-десятков миллиметров, а для соотношений В, значительно превышающих единицу — наиболее тонкие опоры, размер которых не меньше долей единиц миллиметров. Таким образом, нижний предел эмпирического коэффициента а=1,1 показывает, во сколько раз увеличивается диаметр наиболее толстых цилиндрических опор, а верхний (а =1,3)— наиболее тонких опор.

По номограмме, построенной по точкам, удовлетворяющим уравнению (1) в диапазоне 1< х <В через соотношения А и В определяется отношение х и диаметр электрода D3, при котором обеспечивается наибольшая чувствительность измерительной системы.

Формула изобретения

Способ построения измерительной системы, состоящей из первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя и формирователя сигнала с известной входной емкостью Сн, основанный на изготовлении дискового пьезоэлемента диаметром Р,э с электродами диаметром D>, емкостью С э, который закрепляют на упругом элементе с цилиндрической опорой диаметром Do по исходной резонансной частоте, отличающийся тем, что.с целью повышения чувствительности измерительной сист ы при сохранении заданной резонансной частоты, габаритов и массы первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя, дополнительно оптимизируют диаметр электрода Оэ, для чего определяют соотноСн шение A= С, находят соотношение

Спэ

Опэ

В- —, строят номограмму в виде семейст - о ва кривых, удовлетворяющих уравнению х -2(1-А)(а В)2х -4(а В) !пх+4 f1+

А(а В) ) х(а В) In(а В)-2А(а В) =-0

1831735 сн

««т в ,г б

/,r г

Pure

Составитель В.Яровецкая

Техред M.Ìîðãåíòàë . Корректор Л.Филь

Редактор

Заказ 2553 Тираж 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, 101 и неравенству 1: х <В, где 1,1 а = 1,30э эмпирический коэффициент; x = — -, по ко-.

0О .."/ /

l торой через соотношения А и В определяет область существования значений соотношения х и диаметр электрода 0Э. ф ч