Пьезоэлектрический датчик

Изобретение относится к области контроля вибрации и удара и предназначено для измерения параметров виброударных ускорений. Пьезоэлектрический датчик содержит корпус, инерционное тело, выполненный в виде втулки пьезоэлемент, закрепленный между корпусом и инерционным телом, средство для опоры пьезоэлемента по одной из кромок и средство для опоры аналогичной кромки противоположного торца пьезоэлемента, выполненное в виде кольцевой канавки на корпусе или инерционном теле, в которой размещено упругое разжимное кольцо с обеспечением его защемления между кромкой пьезоэлемента и противоположной ей поверхностью канавки. Техническим результатом является повышение виброударной прочности. 2 ил.

 

Изобретение относится к области контроля вибрации и удара, а именно к пьезоэлектрическим датчикам для измерения параметров виброударных ускорений.

Важными характеристиками виброударных пьезоэлектрических датчиков являются:

- значение виброударной прочности

- значение коэффициента преобразования;

- значение собственной частоты датчика в закрепленном состоянии;

- габаритно-массовые характеристики.

Наиболее полно перечисленным характеристикам удовлетворяют пьезоэлектрические датчики, чувствительный элемент которых испытывает сдвиговую деформацию при механических нагружениях.

Известен пьезоэлектрический акселерометр, чувствительный элемент которого состоит из инерционного тела и пьезоэлемента, выполненного в виде втулки и закрепленного между корпусом датчика и инерционным телом [1]. Однако виброударная прочность данного пьезоэлектрического акселерометра в ряде случаев оказывается недостаточной, т.к. зависит только от прочностных свойств способа закрепления пьезоэлемента между инерционным телом и корпусом (закрепление возможно с помощью клеевого соединения или плотной посадки).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является пьезоэлектрический акселерометр [2], содержащий корпус, инерционное тело, выполненный в виде втулки пьезоэлемент, закрепленный между корпусом и инерционным телом, и средство для опоры пьезоэлемента, выполненное в корпусе в виде конической поверхности, на которую одной из кромок опирается пьезоэлемент.

Этот пьезоэлектрический акселерометр выбран в качестве прототипа.

Конструкция его является технологически простой, обладает минимальными значениями массы и габаритов и, соответственно, повышенным значением собственной частоты в закрепленном состоянии. Однако виброударная прочность данного пьезоэлектрического акселерометра при воздействии знакопеременных ускорений также оказывается недостаточной. Например, при воздействии ускорения вдоль оси пьезоакселерометра по направлению от инерционного тела в сторону крышки перемещению пьезоэлемента относительно стенки корпуса, помимо средства его закрепления, препятствует средство для опоры, выполненное в корпусе в виде конической поверхности, на которую опирается кромка пьезоэлемента. В случае воздействия на указанный пьезоэлектрический акселерометр ускорения другой полярности прочность его существенно снижается из-за отсутствия средства для опоры аналогичной кромки противоположного торца пьезоэлемента. Повысить значение виброударной прочности в данной конструкции возможно за счет уменьшения механических напряжений в местах соединения пьезоэлемента с корпусом и инерционным телом. Это можно достигнуть путем уменьшения массы инерционного тела или путем увеличения площади соприкосновения пьезоэлемента с корпусом и инерционным телом. Однако это приведет либо к уменьшению коэффициента преобразования, либо к увеличению габаритно-массовых характеристик, что в ряде случаев является недопустимым.

Задача изобретения заключается в создании пьезоэлектрического датчика, надежно функционирующего при воздействии интенсивных знакопеременных виброударных ускорений.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, состоит в увеличении конструкторского запаса датчика по виброударной прочности (расширении рабочего амплитудного диапазона) при сохранении значений собственной частоты датчика в закрепленном состоянии и коэффициента преобразования без увеличения габаритно-массовых характеристик.

Указанный результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике, содержащем корпус, инерционное тело, выполненный в виде втулки пъезоэлемент, закрепленный между корпусом и инерционным телом, и средство для опоры пъезоэлемента, по крайней мере, по одной из кромок, новым является то, что дополнительно введено средство для опоры аналогичной кромки противоположного торца пьезоэлемента, выполненное в виде кольцевой канавки на корпусе или инерционном теле, в которой размещено упругое разжимное кольцо с обеспечением его защемления между кромкой пьезоэлемента и противоположной ей поверхностью канавки.

Увеличение конструкторского запаса по виброударной прочности достигается за счет введения дополнительного средства для опоры аналогичной кромки противоположного торца пьезоэлемента, выполненного на корпусе или инерционном теле в виде кольцевой канавки, и защемления установленного в нее упругого разжимного кольца между кромкой пьезоэлемента и противоположной ей поверхностью канавки, что препятствует перемещению пьезоэлемента независимо от направления воздействующего ускорения. Указанное защемление (беззазорная фиксация) обеспечивается возможностью осевого перемещения кольца за счет упругих сил, возникающих при деформировании кольца в процессе его установки в кольцевую канавку. Известна жесткая беззазорная фиксация деталей по торцу с помощью конических стопоров [3]. Однако такую фиксацию нельзя применить для пьезоэлемента, т.к. при этом частично изменится режим его механического нагружения, в дополнение к сдвиговому режиму появится режим сжатия - растяжения, что приведет к уменьшению значения коэффициента преобразования датчика. Защемление пьезоэлемента по кромке не изменяет сдвигового режима нагружения пьезоэлемента, т.е. значение коэффициента преобразования датчика сохраняется на прежнем уровне. Форма поперечного сечения кольцевой канавки может быть трапециедальной, треугольной или другой формы. Глубина и угол наклона поверхности канавки, соприкасающейся с разжимным упругим кольцом, выбираются, исходя из обеспечения невыпадения кольца под действием виброударных ускорений. Геометрические размеры пьезоэлемента и инерционного тела в предлагаемой конструкции пьезоэлектрического датчика по сравнению с прототипом практически не изменяются, в результате чего значения собственной частоты датчика в закрепленном состоянии и габаритно-массовые характеристики сохраняются на прежнем уровне.

На фигуре 1 изображен вариант конструктивной схемы пьезоэлектрического датчика в упрощенном виде. На фигуре 2 изображена в увеличенном масштабе установка разжимного упругого кольца в кольцевую канавку.

На фигуре 1 показано:

1 - корпус;

2 - инерционное тело;

3 - пьезоэлемент;

4, 5 - разжимное упругое кольцо;

6 - токовыводы;

7 - крышка.

Пьезоэлектрический датчик содержит корпус 1, инерционное тело 2 и выполненный в виде втулки пъезоэлемент 3, закрепленный между корпусом 1 и инерционным телом 2. Пьезоэлемент 3 в изображенном варианте конструктивной схемы двумя кромками опирается на опору, выполненную в виде конической поверхности на корпусе 1 и инерционном теле 2. Аналогичные кромки соответствующих противоположных торцев пьезоэлемента 3 опираются на дополнительно введенные разжимные упругие кольца 4 и 5, установленные в кольцевые канавки на корпусе 1 и инерционном теле 2 и защемленные между кромкой пьезоэлемента 3 и противоположной ей поверхностью канавки. Пьезоэлемент 3 поляризован вдоль оси. Электрический сигнал, генерируемый пьезоэлектрическим датчиком, снимается с помощью токовыводов 6. Внутренний объем закрыт крышкой 7.

Пьезоэлектрический датчик работает следующим образом.

Под воздействием знакопеременного виброударного ускорения пьезоэлемент 3 испытывает деформацию сдвига, и на его цилиндрических поверхностях образуется электрический заряд, величина которого пропорциональна величине воздействующего ускорения. Регистрация генерируемого заряда осуществляется токовыводами 6. Разжимные упругие кольца 4 и 5 и средства для опоры в виде конических поверхностей на корпусе 1 и инерционном теле 2 препятствуют перемещению пьезоэлемента 3 и инерционного тела 2 при воздействии знакопеременного виброударного ускорения, тем самым увеличивается конструкторский запас пьезоэлектрического датчика по виброударной прочности.

Источники информации

1. А.С. №1760465, G 01 P 15/09, «Пьезоэлектрический акселерометр», опубликованное в БИ №33, 07.09.92.

2. А.С. №1023241, G 01 P 15/08, «Пьезоэлектрический акселерометр», опубликованное в БИ №22, 15.06.83.

3. П.И.Орлов «Основы конструирования», книга 2 «Машиностроение», Москва, 1972 г., стр.515, рис.546.

Пьезоэлектрический датчик, содержащий корпус, инерционное тело, выполненный в виде втулки пьезоэлемент, закрепленный между корпусом и инерционным телом, и средство для опоры пьезоэлемента, по крайней мере, по одной из кромок, отличающийся тем, что дополнительно введено средство для опоры аналогичной кромки противоположного торца пьезоэлемента, выполненное в виде кольцевой канавки на корпусе или инерционном теле, в которой размещено упругое разжимное кольцо с обеспечением его защемления между кромкой пьезоэлемента и противоположной ей поверхностью канавки.