Пьезоэлектрический датчик

 

Использование: для регистрации сейсмических колебаний и параметров абсолютной вибрации. Сущность изобретения: устройство содержит корпус, инертную массу, состоящую из жидкости и сыпучего материала, заключенную в замкнутый объем, образованный колпачковыми мембранами. На одной из них расположен пьезоэлемент. Соотношение объемов жидкости и сыпучего материала выбирают из условия: где H - высота замкнутого объекта; ΔT - диапазон рабочих температур, h - толщина сборки колпачковой мембраны вместе с пьезоэлементом; α_ж,α_см коэффициенты объемного расширения жидкости и сыпучего материала; ρ_см,ρ_т - плотности сыпучего материала и его твердой фазы, V_см, V_ж объемы сыпучего материала и жидкости. Техническим результатом является упрощение конструкции, расширение технологических и эксплуатационных возможностей при одновременном расширении рабочего температурного диапазона. 1 з.п. ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к области регистрации сейсмических колебаний и может быть использовано в области разведочной геофизики и других областях техники для регистрации колебаний.

Известен пьезоэлектрический датчик, содержащий корпус, инертную массу в виде сыпучего материала и пьезоэлектрический преобразователь (Блюм А.Е., публ. в жур. "Новые методы геофизических исследований Сибири", N 11, 1985 г.).

Недостатком его является невысокая точность исследования вследствие усадки сыпучего материала, в результате чего нарушается нормальная работа прибора.

Известен также пьезоэлектрический датчик (авт. св. N 642659, СССР, кл. G 01 V 1/16, опублик. 15.01.79), содержащий корпус, полый установочный штырь, пьезоэлемент, жидкостную инертную массу и компенсатор температурного расширения жидкости.

Недостатком устройства является малая чувствительность и ее значительный разброс при изменении температуры.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство (патент РФ N 1394954 кл. G 01 V 1/16, опублик. 27.02.95, Бюл. N 6), содержащий корпус, инертную массу, заключенную в замкнутом объеме, образованном колпачковыми мембранами, а также дополнительную колпачковую мембрану с размещенным на ней пьезоэлементом и образующую с внешней стороной одной из основных мембран замкнутую полость, заполненную жидкостью.

К недостаткам устройства следует отнести сложность конструкции, больший вес и габариты, что ограничивает его технологические и эксплуатационные возможности. Уменьшение объема жидкости в камере гидравлического преобразователя также ограничено конструктивными возможностями, что препятствует более значительному расширению рабочего температурного диапазона. Кроме того, конструктивное выполнение преобразовательного блока не обеспечивает требуемой надежности сейсмоприемника при проведении геофизических работ в полевых условиях.

Задачей заявляемого технического решения является упрощение конструкции, расширение технологических и эксплуатационных возможностей при одновременном расширении рабочего температурного диапазона.

Поставленная задача решается следующим образом, в пьезоэлектрическом датчике, содержащем корпус, инертную массу, заключенную в замкнутом объеме, образованном колпачковыми мембранами с расположенным на одной из них пьезоэлементом, инертная масса состоит из жидкости и сыпучего материала, при этом соотношение объемов жидкости и сыпучего материала выбраны из условия , где H - высота замкнутого объема; ΔT - диапазон рабочих температур; h - толщина колпачковой мембраны с пьезоэлементом; α_ж - коэффициент объемного расширения жидкости; α_см - коэффициент объемного расширения сыпучего материала; ρ_см,ρ_т - плотности сыпучего материала и его твердой фазы; V_см, V_ж - объемы сыпучего материала и жидкости.

Кроме того, одна из колпачковых мембран может быть выполнена в виде сильфона с заглушенным основанием.

В известных автору источниках патентной и научно-технической информации не обнаружено пьезоэлектрического датчика, в котором поставленная задача решается посредством выполнения инертной массы из жидкости и сыпучего материала, например пудры или порошка тяжелых металлов, в соответствии с выражением (1).

При этом жидкость, например кремнийорганическая, беспрепятственно проникает в свободное пространство между твердыми частицами материала, препятствуя цементации частиц сыпучего материала со временем и не нарушает нормальной работы прибора. Вместе с тем, введение сыпучего материала уменьшает объемное расширение композиционного материала инертной массы в заданном рабочем температурном диапазоне.

Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемом техническом решении критериев изобретения "изобретательский уровень" и "положительный эффект".

На фиг.1 представлен общий вид заявляемого пьезоэлектрического датчика.

На фиг.2 представлен вариант выполнения колпачковой мембраны в виде сильфона.

Пьезоэлектрический датчик содержит корпус 1, колпачковые мембраны 2 и 3, на одной из которых расположен пьезоэлемент 4, инертную массу 5, заключенную в замкнутом объеме, образованном колпачковыми мембранами 2 и 3 и состоящую из жидкости и сыпучего материала 6, технологическое отверстие 7 для заполнения замкнутого объема жидкостью 5, токовывод 8, подключенный к внешней обкладке пьезоэлемента 4 и герметичному соединению 9, выводной конец 10.

Устройство работает следующим образом.

При перемещении пьезоэлектрического датчика под действием входного сигнала происходит перемещение инертной массы - жидкости 5 и сыпучего материала 6. При этом, инертная масса оказывает силовое воздействие на колпачковую мембрану 2 с пьезоэлементом 4; заставляя их прогибаться в направлении, обратном перемещению корпуса 1. На обкладках пьезоэлемента 4 появляется напряжение, отражающее данное воздействие. Однако механизм воздействия инертной массы на колпачковую мембрану 2 с пьезоэлементом 4 зависит от направления перемещения корпуса 1. При перемещении корпуса "вверх" инертная масса запаздывает в своем перемещении и отрывается от колпачковой мембраны 2 с пьезоэлементом 4, под которым образуется Торричелиева пустота. В результате на колпачковую мембрану 2 с пьезоэлементом 4 действует перепад давления, близкий к атмосферному, который заставляет их прогибаться вслед за перемещением инертной массы.

При перемещении корпуса "вниз" сила инерции со стороны инертной массы заставляет прогибаться колпачковую мембрану 2 с пьезоэлементом 4.

При этом сыпучий материал перемещается вместе с жидкостью и при малых перемещениях обладает текучестью свойственной жидкостям.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический датчик, содержащий корпус, инертную массу, заключенную в замкнутом объеме, образованном колпачковыми мембранами с расположенным на одной из них пьезоэлементом, отличающийся тем, что инертная масса состоит из жидкости и сыпучего материала, при этом соотношение объемов жидкости и сыпучего материала выбраны из условия

где H - высота замкнутого объема;
ΔT - диапазон рабочих температур;
h - толщина сборки колпачковой мембраны с пьезоэлементом;
α_ж, α_см - коэффициенты объемного расширения жидкости и сыпучего материала;
ρ_см, ρ_т - плотности сыпучего материала и его твердой фазы;
V_см, V_ж - объемы сыпучего материала и жидкости.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что одна из колпачковых мембран выполнена в виде сильфона с заглушенным основанием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2