Ударопрочный малогабаритный высокочувствительный пьезоэлектрический акселерометр



Ударопрочный малогабаритный высокочувствительный пьезоэлектрический акселерометр
Ударопрочный малогабаритный высокочувствительный пьезоэлектрический акселерометр

 


Владельцы патента RU 2615600:

Акционерное общество "Научно-исследовательский инженерный институт" (АО "НИИИ") (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным высокочувствительным пьезоэлектрическим акселерометрам, транспортировка и установка которых связана с большими внешними воздействиями. Акселерометр содержит корпус, инерционную массу М, пьезоэлементы, винт с пружиной, при этом инерционная масса, пьезоэлементы, винт и пружина установлены на промежуточном основании с массой m (m<0,1⋅М), связанном с основанием корпуса дополнительной пружиной, зазор между инерционной массой и корпусом - Δx, и жесткость пружины К выбираются из условия K⋅Δx<0,3⋅Gmax⋅S, где Gmax - максимально допустимые напряжения в пьезоэлементах площадью S. Технический результат – повышение стойкости малогабаритного акселерометра к большим внешним ускорениям в сочетании с высоким значением коэффициента преобразования. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным высокочувствительным пьезоэлектрическим акселерометрам, транспортировка и установка которых связана с большими внешними воздействиями. Изобретение может быть использовано в качестве измерительных преобразователей в сейсмологии, вибродиагностике и других областях техники.

Известны устройства, в которых перемещение инерционной массы относительно корпуса, а следовательно, и деформацию чувствительного элемента уменьшают применением различного рода ограничителей (см. Ю.А. Иориш. «Виброметрия». М.: Машиностроение, 1963, стр. 454-458). Однако в случае пьезоэлектрического чувствительного элемента, работающего на сжатие-растяжение, допустимые деформации настолько малы (10-6…10-8), что не позволяют реализовать этот подход на практике. Известны вибрационные датчики, в которых для устранения нежелательных явлений, связанных с резонансом упругого подвеса инерционной массы используют гидравлическое демпфирование (см. Ю.А. Иориш. «Виброметрия». М.: Машиностроение, 1963, стр. 454-458). Классическая схема демпфера следующая: имеются две поверхности, одна из которых выполнена в форме сосуда, содержащего демпфирующую жидкость, установлена на основании устройства, а вторая перемещается внутри сосуда и жестко связана с инерционной массой (см. А. Нашиф. «Демпфирование колебаний». Мир, 1988, стр. 138). К особенностям демпфирования относится сложность конструкции, связанная с необходимостью обеспечения герметичности для предотвращения вытекания демпфирующей жидкости. Кроме того, демпфер устанавливается параллельно чувствительному элементу, поэтому температурная зависимость вязкости сказывается на параметрах датчика.

Известна конструкция акселерометра (прототип), работающего на сжатие-растяжение пьезоэлемента, состоящая из корпуса, инерционной массы, пьезоэлементов, поджимающихся к основанию корпуса посредством винта и пружины (см. Ж. Аш. «Датчики измерительных систем». Мир, 1992, т. 2, стр. 93, рис. 11, 11б). Конструкция характеризуется малыми габаритами, высокой резонансной частотой и достаточной прочностью. Однако для увеличения коэффициента преобразования при сохранении габаритов акселерометра и, следовательно, величины и размеров инерционной массы необходимо уменьшить емкость пьезоэлементов, т.е. их площадь, в результате чего предельные значения напряжений в пьезоэлементах достигаются при меньших значениях внешних ускорений и прочность акселерометра снижается.

Задачей предлагаемого изобретения является создание пьезоэлектрического акселерометра, лишенного вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в значительном повышении стойкости малогабаритного акселерометра к большим внешним ускорениям в сочетании с высоким значением коэффициента преобразования.

Сущность изобретения состоит в том, что акселерометр содержит корпус, инерционную массу М, пьезоэлементы, винт с пружиной, при этом инерционная масса, пьезоэлементы, винт и пружина установлены на промежуточном основании с массой m (m<0,1 Μ), промежуточное основание связано с основанием корпуса дополнительной пружиной, зазор между инерционной массой и корпусом - Δx, и жесткость пружины К выбираются, например, из условия ΚΔx<0,3Gmax S, где Gmax - максимально допустимые напряжения в пьезоэлементах площадью S.

В прототипе, подвергаемом ускорению а, сила, действующая на пьезоэлемент, равна а М, а возникающие механические напряжения a M/S могут превышать допустимые.

В предлагаемом акселерометре сила, действующая на пьезоэлемент, из-за ограничений на перемещение инерционной массы зазором Δx равна К Δх и, с учетом условия выбора жесткости дополнительной пружины, создает в 3 раза меньшие механические напряжения в пьезоэлементе, которые могли бы его разрушить.

С целью увеличения резонансной частоты и тем самым расширения рабочей полосы акселерометра, а также упрощения конструкции в предлагаемый акселерометр введен демпфер, содержащий две поверхности с демпфирующей жидкостью между ними, поверхности выполнены в виде тонкостенных цилиндрических оболочек с зазором между ними (например, не более 0,02 мм), внешняя оболочка соединена с промежуточным основанием упругим элементом (жесткость которого в вертикальном направлении Кдв≥10 К, а в горизонтальном направлении Кдг≤К), а зазор между оболочками заполнен, например, пластичной смазкой с порошковым наполнителем.

Выбор в качестве демпфирующей жидкости пластичной смазки обусловлен:

- способностью восстанавливать в процессе работы свой структурный каркас, разрушенный чрезмерными нагрузками;

- широким температурным диапазоном применения;

- надежностью и долговечностью работы в жестких условиях, сочетающих большие механические нагрузки с перепадом температур;

- свойством смазки не вытекать из узлов трения.

Использование пластичной смазки существенно упрощает и уменьшает конструкцию демпфера, поскольку не требует каких-либо герметизирующих приспособлений. Добавка порошкового наполнителя приводит к более эффективному сдвигу резонансной частоты акселерометра, зависящего от его процентного содержания.

Условие мягкости упругого элемента в горизонтальном направлении связано с предотвращением разрушения демпфера при боковых внешних воздействиях. Так как демпфер включен не параллельно пьезоэлементам, а связан с перемещениями промежуточного основания, его температурные изменения непосредственно не влияют на параметры пьезоэлементов.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема предлагаемого акселерометра, состоящая из корпуса 1, инерционной массы 2, пьезоэлементов 3, винта 4, пружины 5, промежуточного основания 6, дополнительной пружины 7.

На фиг. 2 изображена конструктивная схема акселерометра с демпфером, состоящим из цилиндрических оболочек 8, 9 с упругим элементом 10.

Акселерометр (фиг. 1) содержит корпус (1), инерционную массу Μ (2), пьезоэлементы (3), винт (4) с пружиной (5), при этом инерционная масса (2), пьезоэлементы (3), винт (4) и пружина (5) установлены на промежуточном основании (6) с массой m (m<0,1 Μ), промежуточное основание (6) связано с основанием корпуса (1) дополнительной пружиной (7), зазор между инерционной массой (2) и корпусом (1) - Δx, и жесткость пружины К выбираются, например, из условия К Δx<0,3Gmax S, где Gmax - максимально допустимые напряжения в пьезоэлементах площадью S.

С целью увеличения резонансной частоты и тем самым расширения рабочей полосы акселерометра, а также упрощения конструкции в предлагаемый акселерометр введен демпфер (фиг. 2), содержащий две поверхности с демпфирующей жидкостью между ними, поверхности выполнены в виде тонкостенных цилиндрических оболочек (8, 9) с зазором между ними (например, не более 0,02 мм), внешняя оболочка соединена с промежуточным основанием упругим элементом (10) (жесткость которого в вертикальном направлении Кдв≥10 К, а в горизонтальном направлении Кдг≤К), а зазор между оболочками заполнен, например, пластичной смазкой с порошковым наполнителем.

Акселерометр работает следующим образом.

При больших ускорениях и ударах перемещение инерционной массы (2) ограничено корпусом (1) акселерометра, поэтому нагрузки на пьезоэлементы (3) в пределах допустимых. Связанная с промежуточным основанием (6) оболочка демпфера не выступает за габариты инерционной массы (2), поэтому при больших перегрузках не подвергается удару о корпус (1) акселерометра. При боковых нагрузках промежуточное основание (6) смещается в боковом направлении, но так как смещение ограничивается зазором Δx, а жесткость упругого элемента (10) в этом направлении мала, нагрузки в местах крепления упругого элемента (10) невелики и не приводят к разрушению демпфера.

Для оценки параметров предлагаемого акселерометра изготовлены и испытаны их опытные образцы, отличающиеся пьезоэлементами, процентным содержанием порошкового наполнителя и упругими элементами, связывающими промежуточное основание с подвижной оболочкой демпфера. В качестве демпфирующей жидкости использовалась смесь пластичной смазки «Литол-24» со свинцовым суриком. Упругие элементы выбирались в форме трех тонких (∅ 0,2) металлических стержней длиной ~5 мм или в форме оболочки из эластичного компаунда типа «Виксинт» высотой ~5 мм и толщиной >1 мм. Применялись пьезоэлементы емкостью 10÷40 пФ. Для согласования с обрабатывающей аппаратуры внутрь акселерометра встраивался электронный повторитель с входным 1 ГОм и выходным 250 Ом сопротивлением соответственно. Все акселерометры выполнены в габаритах: диаметр 22 мм; высота 15 мм. В зависимости от емкости пьезоэлементов коэффициент преобразования акселерометров был . Резонансная частота варьировалась в пределах 300…800 Гц. В диапазоне температур +80…-40°С параметры акселерометров отличались не более чем на 15%. Акселерометры сохраняли свои параметры после падения с высоты 10 м на бетонное основание.

1. Акселерометр, содержащий корпус, инерционную массу М, пьезоэлементы, винт с пружиной, отличающийся тем, что инерционная масса, пьезоэлементы, винт и пружина установлены на промежуточном основании с массой m (m<0,1⋅М), связанном с основанием корпуса дополнительной пружиной, зазор между инерционной массой и корпусом - Δx, и жесткость пружины К выбираются из условия K⋅Δx<0,3⋅Gmax⋅S, где Gmax - максимально допустимые напряжения в пьезоэлементах площадью S.

2. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что между промежуточным основанием и корпусом установлены две цилиндрические оболочки с зазором между ними, внутренняя оболочка соединена жестко с корпусом, а внешняя с промежуточным основанием упругим элементом, зазор между оболочками заполнен смесью пластичной смазки с порошковым наполнителем.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам, измеряющим переменное ускорение, а именно к акселерометрам, которые могут быть использованы в качестве сейсмодатчиков, вибродатчиков, датчиков удара и т.д.
Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при изготовлении пьезоэлектрического датчика ударного ускорения для соединения его элементов, в частности - в технологии создания клеевых электропроводящих композиций.

Раскрыты способы и устройства, которые облегчают обнаружение подводных сигналов при геофизических исследованиях. Один вариант осуществления относится к преобразователю, включающему в себя консоль, соединенную с основанием.

Изобретение относится к метрологии. Пьезоэлектрический преобразователь содержит ортогональную систему из четырех однокомпонентных вибропреобразователей.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в сейсмоприемных устройствах. Предложен сложенный маятник, который может быть реализован в виде монолитного маятника, который не расположен в вертикальной конфигурации, т.е.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустики. Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является измерение трех компонент вектора ускорения с помощью пьезоакселерометра, работающего на деформации сдвига.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустики. Пьезоэлектрический акселерометр содержит предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и первый пьезочувствительный элемент с осевой поляризацией в виде пары пьезоэлектрических секторов, не соприкасающихся друг с другом, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пары пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пары кольцевых пьезоэлектрических секторов, имеющих различную поляризацию, причем электроды подключены к предусилителю, при этом в него введены второй и третий предуселители, а также второй кольцевой пьезочувствительный элемент, установленный над первым кольцевым пьезочувствительным элементом и выполненный в виде двух пар радиально поляризованных секторов, снабженных электродами, контактирующими с боковыми поверхностями секторов, при этом предуселители выполнены дифференциальными, а сектора пар второго кольцевого пьезочувствительного элемента имеют одинаковую поляризацию, причем три пары первого и второго кольцевых пьезочувствительных элементов через электроды подключены к входам трех соответствующих дифференциальных усилителей.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается линейного микроакселерометра с оптической системой. Микроакселерометр включает в себя корпус, две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для вибродиагностики технологического оборудования. Вибродатчик с элементом цифровой калибровки выполнен в виде металлического корпуса с фланцем для крепления на контролируемом объекте.

Изобретение относится к измерительной технике. Акселерометр содержит кремниевую подложку, на которую нанесен пьезоэлектрический слой, например, из окиси цинка в виде прямоугольной вытянутой дорожки.
Наверх