Электрический преобразователь резонансного типа

 

Использование: контроль параметров движения и напряженно-деформированного состояния различных объектов. Сущность изобретения: пь- езоэлектрический преобразователь резонансного типа содержит полый корпус массой М и чувствительный пьезоэлектрический элемент массой m. Корпус установлен с зазором относительно объекта измерения, подверженного механическим возмущениям в частотном диапазоне, ограниченном час- тотами f₁ и f₂. Часть корпуса, соединенная с крепежной шпилькой, выполнена в виде кольцевой пластины или конической тарельчатой пружины и играет роль упругого элемента. Резонансная частота кор- пуса F и его масса выбраны из условий: M > > m, f₁≅F≅f₂. Чувствительный пьезоэлектрический элемент установлен на крепежной шпильке, выполнен в виде дискового пьезоэлемента с электродами диаметром D_э, закрепленного на упру- гой пластине с цилиндрической опорой диаметром D_o. При этом D_э>D_o. Резонансная частота пьезоэлектрического элемента выбирается относительно близкой к резонансной частоте корпуса. На упругой пластине выполнена канавка, ограниченная диаметрами D₁ и D₂, удовлетворяющими условиям D₁≥D_o, D₂≅D_э, где D₁ - меньший диаметр канавки, D₂ - больший диаметр канавки. Канавка выполнена со стороны цилиндрической опоры упругой пластины. С боковой поверхностью крепежной шпильки соединены один или множество резонаторов с резонансными частотами относительно близкими к резонансной частоте корпуса. Пьезоэлект- рический преобразователь резонансного ускорения работает следующим образом. Колебания объекта измерения в частотном диапазоне от f₁ до f₂ вызывают резонанс корпуса, чувствительного пьезоэлектрического элемента и резонаторов, что обеспечивает высокий коэффициент преобразования, широкую полосу пропускания, высокую крутизну спада амплитудно-частотной характеристики за пределами полосы пропускания. Изобретение позволяет упростить конструкцию и обеспечивает возможность массового производства. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области контроля параметров движения и напряженно-деформированного состояния различных объектов, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям резонансного типа.

Применение известных пьезоэлектрических преобразователей резонансного типа (например, датчиков детонации резонансного типа [1]) ограниченно из-за относительно узкой полосы пропускания. Известен вибрационный датчик для автомобильного транспорта [2] с широкой полосой пропускания, образованной множеством пьезоэлектрических резонаторов, резонансные частоты которых расположены относительно близко друг к другу и образуют многопиковую частотную характеристику. Сигналы пьезоэлектрических резонаторов, имеющих смежные резонансные частоты, должны быть при этом разной полярности. В этой связи, необходимость применения нескольких пьезоэлектрических резонаторов (минимум двух) с определенными резонансными частотами и полярностью ведет к усложнению конструкции пьезоэлектрического преобразователя. Технологический разброс резонансных частот отдельных резонаторов вибрационного датчика [2] в результате широких допусков на физикомеханические характеристики пьезоэлектрических материалов резонаторов ведет к ухудшению показателей: неравномерности частотной характеристики и изрезанности в полоcе пропускания.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции пьезоэлектрического преобразователя резонансного типа при сохранении широкой полосы пропускания, высоких значений коэффициента преобразования ускорения в электрическое напряжение и крутизны спада амплитудно-частотной характеристики за пределами полосы пропускания (рабочего частотного диапазона).

Технический результат достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом преобразователе резонансного типа, содержащем полый корпус массой М, установленный на крепежной шпильке с зазором относительно объекта с известным частотным диапазоном механических возмущений, ограниченным частотами f₁ и f₂, и чувствительный пьезоэлектрический элемент массой m, часть корпуса, соединенная с крепежной шпилькой, выполнена в качестве упругого элемента, чувствительный пьезоэлектрический элемент установлен на крепежной шпильке с зазором относительно корпуса, причем масса корпуса М и его резонансная частота F выбираются из условий M>>m f₁≅F≅f₂.

Чувствительный пьезоэлектрический элемент выполнен в виде дискового пьезоэлемента с электродами диаметром D_э, закрепленного на упругой пластине с цилиндрической опорой диаметром D_o, причем D_э>D_o.

Резонансная частота чувствительного пьезоэлектрического элемента выбирается близкой к резонансной частоте корпуса. На упругой пластине чувствительного пьезоэлектрического элемента выполнена канавка, ограниченная диаметрами D₁ и D₂, удовлетворяющими условиям D₁≥D_o, D₂≅D_э, где D₁ меньший диаметр канавки; D₂ большой диаметр канавки.

Канавка выполнена со стороны цилиндрической опоры. Часть корпуса, соединенная с крепежной шпилькой, выполнена в виде кольцевой пластины или конической тарельчатой пружины. Дополнительно введен один или множество резонаторов с резонансными частотами близкими к резонансной частоте корпуса. Резонаторы соединены с крепежной шпилькой и совершают свободные колебания. Резонаторы выполнены в виде кольцевых пластин, внутренний контур которых соединен с боковой поверхностью крепежной шпильки.

Упрощение конструкции пьезоэлектрического преобразователя резонансного типа достигается путем использования одного пьезоэлектрического чувствительного элемента. Выполнением части корпуса, соединенной с крепежной шпилькой, в качестве упругого элемента, установкой чувствительного пьезоэлектрического элемента на крепежной шпильке с зазором относительно корпуса, а также условиями M>>m и f₁≅F≅f₂ достигается независимость колебаний корпуса и чувствительного пьезоэлектрического элемента, резонанс корпуса в требуемом частотном диапазоне в пределах от f₁ до f₂, что приводит к увеличению амплитуды колебаний чувствительного пьезоэлектрического элемента, независимо имеет ли чувствительный пьезоэлектрический элемент собственный резонанс в вышеотмеченном диапазоне частот или нет. Обеспечение резонанса корпуса, изготовленного, например, из стали, с заданными параметрами (значением основной резонансной частоты и др.) существенно проще, чем в пьезоэлектрическом резонаторе из пьезокерамики с весьма широкими допусками физико-механических характеристик (скоростью звука, плотностью и др.).

Выполнение чувствительного пьезоэлектрического элемента в виде дискового пьезоэлемента с электродами диаметром D_э, закрепленного на упругой пластине с цилиндрической опорой диаметром D_o, причем D_э>D_o, обеспечивает оптимальные условия реализации как высокого коэффициента преобразования, так и неравенства M>>m.

Выбор резонансной частоты чувствительного пьезоэлектрического элемента близкой к резонансной частоте корпуса позволяет расширить полосу пропускания преобразователя. Две резонансные частоты, обусловленные резонансом корпуса и собственным резонансом чувствительного пьезоэлектрического элемента, образуют "двухгорбый" спектр с относительно небольшим провалом характеристики между резонансами и высокой крутизной спада характеристики за пределами полосы пропускания.

Выполнение на упругой пластине чувствительного пьезоэлектрического элемента канавки, ограниченной диаметрами D₁ и D₂, удовлетворяющими условиям D₁≥D_o и D₂≅D_э, при прочих равных условиях обеспечивает технологичность преобразователя за счет исключения влияния дефектов упругой пластины, образуемых при механическом резании в процессе изготовления, и возможности, в этой связи, токарной обработки упругой пластины без шлифовки торцевых поверхностей. Одновременно, канавка позволяет увеличить коэффициент преобразования при сохранении собственного резонанса чувствительного пьезоэлектрического элемента.

Выполнение части корпуса, соединенной с крепежной шпилькой, в виде кольцевой пластины обеспечивает простоту корпуса и возможность увеличения коэффициента преобразования за счет увеличения массы части корпуса, выполняющей роль инерционного элемента, по-сравнению с частью корпуса, играющей роль упругого элемента (кольцевой пластиной).

Выполнение части корпуса, соединенной с крепежной шпилькой, в виде конической тарельчатой пружины, обеспечивает расширение полосы пропускания за счет переменной жесткости конической части корпуса и, дополнительно, возможность изменения основной резонансной частоты в зависимости от амплитуды механических возмущений.

Введение одного или множества резонаторов с резонансными частотами близкими к резонансной частоте корпуса, соединение резонаторов с крепежной шпилькой с возможностью совершения свободных колебаний позволяет изменять форму амплитудно-частотной характеристики преобразователя: увеличивать полосу пропускания, уменьшать неравномерность или изрезанность в полосе пропускания и увеличить крутизну спада характеристики за пределами полосы пропускания. При этом резонаторы могут быть как за пределами корпуса, так и внутри его.

Выполнение резонаторов в виде кольцевых пластин, внутренний контур которых соединен с боковой поверхностью шпильки, обеспечивает простоту конструкции и возможность коррекции формы амплитудно-частотной характеристики путем изменения размеров пластин.

Рассмотрим более подробно особенности совокупности отличительных признаков заявляемого технического решения на примере датчика детонации резонансного типа для системы гашения детонации двигателей внутреннего сгорания.

Суть заявляемого технического решения будет ясна из прилагаемых разъяснений и иллюстраций, где фиг. 1 конструктивная схема пьезоэлектрического преобразователя резонансного типа; фиг. 2 вариант конструктивной схемы пьезоэлектрического преобразователя резонансного типа; фиг. 3 амплитудно-частотная характеристика пьезоэлектрического преобразователя резонансного типа.

На фиг. 1, 2 показано: 1 корпус, 2 чувствительный пьезоэлектрический элемент; 3 крепежная шпилька; 4 объект; 5 упругий элемент корпуса; 6 - пьезоэлемент; 7 электрод; 8 упругая пластина; 9 цилиндрическая опора; 10 электрический вывод; 11 изолятор; 12 электрический проводник; 13 - канавка; 14 резонатор; D_э диаметр электрода; D_o диаметр цилиндрической опоры; D₁ меньший диаметр канавки; D₂ больший диаметр канавки.

На фиг. 3 показано: Ω полоса пропускания; f₁, f₂ граничные частоты полосы пропускания; D неравномерность амплитудно-частотной характеристики; А коэффициент преобразования ускорения в электрическое напряжение.

Пьезоэлектрический преобразователь резонансного типа содержит размещенный в корпусе 1 чувствительный пьезоэлектрический элемент 2. Корпус 1 установлен на крепежной шпильке 3 с зазором относительно объекта 4, подверженного воздействию механических возмущений в частотном диапазоне, ограниченном частотами f₁ и f₂. Часть корпуса 1, соединенная с крепежной шпилькой 3, выполняет роль упругого элемента корпуса 5. Чувствительный пьезоэлектрический элемент 2 установлен на крепежной шпильке 3 с зазором относительно корпуса 1. Чувствительный пьезоэлектрический элемент 2 состоит из дискового пьезоэлемента 6 с электродами 7 диаметром D_э, закрепленного на упругой пластине 8 с цилиндрической опорой 9 диаметром D_o. Отсутствие инерционного элемента в чувствительном пьезоэлектрическом элементе 2, роль которого играют распределенные массы пьезоэлемента 6 и упругой пластины 8, обеспечивает возможность миниатюризации преобразователя, что особенно важно для двигателей с плотной компоновкой элементов. Конструкция пьезоэлектрического чувствительного элемента весьма проста и позволяет применять при изготовлении прогрессивные методы механообработки.

Для приведенного на фиг. 1 преобразователя выполнены следующие условия: масса М корпуса 1 существенно больше массы m чувствительного пьезоэлектрического элемента 2;
резонансная частота корпуса 1 находится в пределах частот от f₁ до f₂;
диаметр D_э электродов 7 больше диаметра D_o цилиндрической опоры 9.

Существенное различие масс корпуса 1 и чувствительного элемента 2 достигается, с одной стороны, тем, что часть корпуса 1, играющая роль инерционного элемента, выполнена относительно массивной и, с другой стороны, тем, что чувствительный пьезоэлектрический элемент выполнен по схеме, обеспечивающей одновременно и минимальную массу чувствительного элемента и высокий коэффициент преобразования ускорения в электрическое напряжение. Условие f₁≅F≅f₂ достигается, путем изменения размеров упругого элемента корпуса 5 без существенного изменения его массы. Условие D_э>D_o обеспечивает размещение электродов 7 в зоне изгибных деформаций пьезоэлемента 6. Существенное различие масс корпуса 1 и чувствительного элемента 2, не- зависимость их колебаний, резонанс корпуса 1 в пределах частотного ди- апазона от f₁ до f₂ обеспечивают появление на амплитуд- но-частотной характеристике преобразователя "ярко выраженного" резонанса в требуемом частотном диапазоне независимо имеет или нет собственный резонанс чувствительный пьезоэлектрический элемент в данной области частот. При этом полоса пропускания заявляемого преобразователя при прочих равных условиях получается шире чем у датчиков, выполненных по традиционной схеме с установкой чувствительного пьезоэлектрического элемента на основание корпуса.

При условии выбора резонансной частоты чувствительного пьезоэлектрического элемента 2 относительно близкой к резонансной частоте корпуса полоса пропускания преобразователя существенно расширяется в результате перекрытия спектра между резонансами. Так, например, по-сравнению с датчиками детонации резонансного типа, имеющими полосу пропускания 25-350 Гц, в заявляемом преобразователе полоса пропускания может быть увеличена в 3-5 раз и может составлять 600-1000 Гц.

Выполнение канавки 13 на упругой пластине 8 способствует повышению технологичности при сохранении на- ружного диаметра пластины 8 и резонансной частоты чувствительного пьезоэлектрического элемента и позволяет повысить коэффициент преобразования ускорения в электрическое напряжение. Профиль канавки при этом может быть различным.

Введение канавки одновременно требует увеличения толщины упругой пластины 8 для сохранения значения собственной частоты чувствительного пьезоэлектрического элемента. Такое увеличение толщины части упругой пластины за пределами канавки позволяет устранить влияние дефектов обработки (наклепа, изгиба), наблюдаемых на тонких упругих элементах. В известных конструкциях датчиков детонации толщина упругой пластины составляет 0,25-0,4 мм, а конструкция упругой пластины 8 с канавкой 13 позволяет использовать пластины толщиной до 0,6-1,5 мм. Для таких пластин поверхностно-наклепанный слой, образованный при изготовлении, например, путем снятия припуска в процессе механической обработки резанием, не оказывает существенного влияния на характеристики преобразователя.

Ограничение размеров канавки 13 позволяет эффективно разместить зону максимальных механических напряжений в пределах электрода 7 пьезоэлемента 6, что и обуславливает повышение коэффициента преобразования ускорения в электрическое напряжение.

Введение дополнительных резонаторов 14 в конструкцию пьезоэлектрического преобразователя резонансного типа обеспечивает расширение полосы пропускания и возможность коррекции амплитудно-частотной характеристики в пределах полосы пропускания. Одновременно увеличивается крутизна спада спектра за пределами полосы пропускания. Коррекция характеристики производится путем установки резонансных частот резонаторов 14 в провал спектра в области частот как между резонансами корпуса и чувствительного пьезоэлектри- ческого элемента, так и вблизи граничных частот f₁, f₂.

Пьезоэлектрический преобразователь резонансного типа работает следующим образом. Колебания объекта измерений в частотном диапазоне от f₁ до f₂ вызывают резонансы корпуса 1, чувствительного элемента 2 и резонаторов 14. Резонанс корпуса 1 или совокупность резонанса корпуса 1 и резонансов чувствительного пьезоэлектрического элемента 2 и резонаторов 14 в любой комбинации, образуют широкополосный спектр (см. фиг. 3) с высоким коэффициентом преобразования, минимальной неравномерностью в пределах полосы пропускания и высокой крутизной спада частотной характеристики за пределами полосы пропускания. Электрический сигнал снимается с электродов 7 посредством электрического проводника 12 и электрического вывода 10, разделенного изолятором 10 от корпуса 1, являющимся также проводником электрического тока.

Конструкция проста и технологична, пригодна для массового производства, например, датчиков детонации для систем управления зажиганием двигателей внутреннего сгорания.

На практике было реализовано следующее. Были изготовлены лабораторные образцы пьезоэлектрических преобразователей резонансного типа (датчиков детонации) по вышеописанной конструктивной схеме с дисковым пьезоэлементом диаметром 29 мм с диаметром электрода D_э равным 18 мм, закрепленным на упругой пластине в виде диска с цилиндрической опорой диаметром D_o=5 мм. Резонансная частота закрепленного корпуса выбрана равной 7,0 кГц, что соответствует частотному диапазону детонации двигателя ВАЗ21083 6,6-7,4 кГц. Масса корпуса составляла 75 г, в то время как, масса чувствительного пьезоэ- лектрического элемента не превышала 10 г. Резонанс закрепленного чувс- твительного пьезоэлектрического элемента был выбран равным 7,4 кГц, что в совокупности с резонансом корпуса обеспечило полосу пропускания 600-800 Гц, крутизну спада частотной характеристики за пределами поло- сы пропускания свыше 25 дБ на октаву и коэффициент преобразования ускорения в электрическое напряжение свыше 1 В/g. Кроме того, были изготовлены макетные образцы пьезоэлектрического чувствительного элемента с канавкой, ограниченной диаметром D₁= 5 мм и D₂=10 мм, на упругой пластине со стороны цилиндрической опоры, что позволило увеличить на 20% коэффициент преобразования. При этом толщина упругой пластины составила 1,2 мм, что обеспечило возможность ее изготовления токарной обработкой без шлифовки торцевых поверхностей, необходимой для более тонких деталей.

Одновременно была изготовлена и опробована конструкция преобразователя с резонатором в виде кольцевой пластины на боковой поверхности крепежной шпильки за пределами корпуса. Для нее резонанс корпуса составлял 6,6 кГц, а резонанс чувствительного пьезоэлектрического элемента 7,5 кГц. Резонансная частота резонатора была выбрана равной 7,1 кГц, что позволило уменьшить изрезанность частотной характеристики с 10 дБ до 4 дБ.

Предлагаемый преобразователь резонансного типа весьма прост как при изготовлении, так и при эксплуатации и проектировании. Позволяет осуществлять регулировку спектра полностью собранного датчика путем изменения наружных размеров упругого элемента корпуса. Его себестоимость в условиях мелкосерийного производства не превышает 2 нормо-часов. Для сравнения, прототип с аналогичными характеристиками, по мнению авторов, имел бы приблизи- тельно вдвое большую себестоимость.

Лабораторные образцы датчиков детонации прошли предварительные испытания на двигателях ВАЗ21083 с положительными результатами. Планируется проведение опытно-конструкторских работ и серийное производство для использования в составе управления двигателей автомобилей нового поколения.

Источники информации
1. SAE Technical Paper Series. Combustion Knock Sensing: Sensor Selection and Application Issues. Steven M. Dues, Joseph M. Adams and George A. Shikle. Reprin-ted'from SP-805-Sensors and Actua- tors, 1990.

2. Патент США N 4 373378, кл. G 01 L 23/22. 1983.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический преобразователь резонансного типа, содержащий полый корпус массой M и чувствительный пьезоэлектрический элемент массой m, корпус установлен на крепежной шпильке с зазором относительно объекта с известным частотным диапазоном механических возмущений, ограниченным частотами f₁ и f₂, отличающийся тем, что часть корпуса, соединенная с крепежной шпилькой, выполнена в качестве упругого элемента, чувствительный пьезоэлектрический элемент установлен на крепежной шпильке с зазором относительно корпуса, причем масса корпуса M и его резонансная частота F выбираются из условий M ≥ m, f₁ ≅ F ≅ f₂.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что чувствительный пьезоэлектрический элемент выполнен в виде дискового пьезоэлемента с электродами диаметром D_э, закрепленного на упругой пластине с цилиндрической опорой диаметром D_о, причем D_э > D_о.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что резонансная частота чувствительного пьезоэлектрического элемента выбирается близкой к резонансной частоте корпуса.

4. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что на упругой пластине чувствительного пьезоэлектрического элемента выполнена канавка, ограниченная диаметрами D₁ и D₂, удовлетворяющими условиям D₁ ≥ D_о, D₂ ≅ D_э, где D₁ меньший диаметр канавки, D₂ больший диаметр канавки.

5. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что канавка выполнена со стороны цилиндрической опоры.

6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что часть корпуса, соединенная с крепежной шпилькой, выполнена в виде кольцевой пластины.

7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что часть корпуса, соединенная с крепежной шпилькой, выполнена в виде конической тарельчатой пружины.

8. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что дополнительно введен один или множество резонаторов с резонансными частотами, близкими к резонансной частоте корпуса, резонаторы соединены с крепежной шпилькой и совершают свободные колебания.

9. Преобразователь по п.8, отличающийся тем, что резонаторы выполнены в виде кольцевых пластин, внутренний контур которых соединен с боковой поверхностью крепежной шпильки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3