Высокочувствительный широкополосный ударопрочный пьезоэлектрический акселерометр

Изобретение относится к измерительной технике. Высокочувствительный широкополосный ударопрочный пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, инерционную массу, пьезоэлемент, при этом пьезоэлемент приклеен к основанию корпуса прослойкой мягкого компаунда толщиной Δ, выбираемой из условия

где Е_км - модуль Юнга компаунда, ƒ_p - резонансная частота акселерометра, М_п - масса пьезоэлемента, М - инерционная масса, S - площадь плоской поверхности пьезоэлемента, кроме того, между боковой поверхностью корпуса и инерционной массой введены упоры, выполненные из мягкого компаунда, при этом общая длина L и толщина h упоров удовлетворяют соотношению

где Е_к - модуль Юнга пьезокерамики, h_к - высота пьезоэлемента, Н_м - высота инерционной массы. Технический результат – повышение стойкости высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра к боковым воздействиям. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения колебательных процессов в сейсмологии, акустике, вибродиагностике, а также в случаях, когда эксплуатация измерительных устройств или их установка связано со значительными боковыми воздействиями.

Известен акселерометр, взятый за прототип, работающий на сжатие-растяжение пьезоэлемента, и состоящий из корпуса, на основании которого посредством клея закреплены пьезоэлемент с инерционной массой (Ю.А. Иориш, «Виброметрия», М., Машиностроение, 1963 стр. 568, фиг. 14.53, а.).

Конструкция характеризуется высокой резонансной частотой, удовлетворительной величиной коэффициента преобразования и достаточной прочностью при осевых воздействиях.

Так как конструкция представляет собой по существу консоль, то самые большие механические напряжения возникают при боковых воздействиях на корпус акселерометра в месте крепления пьезоэлемента к основанию (Г.М. Ицкович, «Сопротивление материалов», М., Высшая школа, 1986, стр. 182). В результате этого происходит разрушение или пьезоэлемента в этом сечении, или его клеевого соединения.

Известна конструкция акселерометра (GB 899235 A, 20.06.1962 г.), состоящая из корпуса и пьезоэлемента, в которой инерционная масса как элемент конструкции отсутствует. Такая конструкции также недостаточно прочна при боковых внешних воздействиях.

Задача настоящего изобретения заключается в создании высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра, лишенного вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в значительном повышении стойкости высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра к боковым воздействиям.

Сущность изобретения состоит в том, что высокочувствительный широкополосной ударопрочный пьезоэлектрический акселерометр содержит корпус, инерционную массу и пьезоэлемент, который приклеивается к основанию корпуса прослойкой мягкого компаунда. Толщина компаунда Δ выбирается из условия:

где Е_км - модуль Юнга компаунда;

ƒ_р - резонансная частота акселерометра;

М_п - масса пьезоэлемента;

М - инерционная масса;

S - площадь плоской поверхности пьезоэлемента.

Между боковой стенкой корпуса и инерционной массой введены упоры, выполненные из мягкого компаунда. Общая длина упоров L и толщина h удовлетворяют соотношению:

где Е_к - модуль Юнга пьезокерамики;

h_к - высота пьезоэлемента;

Н_м - высота инерционной массы.

Первое условие связано с тем, что модуль Юнга мягких компаундов, таких, как каучук, полиуретан, виксинт, ВГО и т.п., находится в пределах 10⁷ Па, в то время как модуль Юнга пьезокерамики составляет порядка 7-10¹⁰ Па, поэтому резонансную частоту акселерометра определяет фактически толщина упругой прослойки.

Второе соотношение обусловлено тем, что введение упругих упоров не должно снижать коэффициент преобразования оригинала. Для этого их жесткость К_у в осевом направлении должна удовлетворять соотношению:

К_у<0,1К_к

где К_к - жесткость пьезоэлемента, равная

Жесткость К_у определяется сдвигом упоров в осевом направлении и равна

где

G_KM - модуль сдвига компаунда;

μ - коэффициент Пуассона.

Учитывая, что μ для мягких компаундов близок к значению 0,5, получим а отсюда и приведенное соотношение.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема предлагаемого высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра, состоящего из корпуса - 1, инерционной массы - 2, пьезоэлемента - 3, прослойки мягкого компаунда - 4, приклеивающего пьезоэлемент к основанию корпуса и упоров 5.

На фиг. 2 представлена конструктивная схема акселерометра без инерционной массы.

Сочетание упругих прослойки и упоров трансформирует резкий удар пьезоэлемента и инерционной массы о корпус акселерометра в мягкое воздействие, что предохраняет пьезоэлемент от сколов, растрескивания, осыпания.

Введение прослойки мягкого компаунда под пьезоэлемент. Известно, что если две пружины соединены последовательно, то при их нагрузке в большей мере деформируется пружина с малой жесткостью. В предлагаемом высокочувствительном широкополосном ударопрочном пьезоэлектрическом акселерометре жесткость пьезоэлемента К_к и прослойки мягкого компаунда К_км равны, соответственно,

а их отношение:

Учитывая, что то отношение а в широких пределах изменения вплоть до 10^-2. Следовательно, деформация в пьезоэлементе меньше деформации в прослойке мягкого компаунда, как минимум, на порядок.

Введение упоров ограничивает смещение инерционной массы и пьезоэлемента в боковом направлении, а, следовательно, снижает величину возникающих деформаций в пьезоэлементе.

В случае если акселерометр не имеет инерционной массы, упругие упоры вводятся между боковой поверхностью корпуса и пьезоэлементом.

Для оценки защищенности акселерометров от боковых воздействий изготовлены и испытаны опытные образцы, отличающиеся толщиной упругого подслоя от (0,3-1) мм, количеством упоров от 3-4 до сплошного кольцевого, с инерционной массой ≈2 г и без нее. Коэффициент преобразования при использовании инерционной массы был в пределах 60-70 мВ/мс^-2, а без нее - 40 мВ/мс^-2. Резонансная частота в зависимости от толщины подслоя варьировалась в пределах от (3,5-4) кГц при Δ=1 мм и ≈7 кГц при Δ≈0,4 мм. Акселерометры сохраняли свои параметры при падении с высоты 1,5 м на бетонное основание.

Высокочувствительный широкополосный ударопрочный пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, инерционную массу, пьезоэлемент, отличающийся тем, что пьезоэлемент приклеен к основанию корпуса прослойкой мягкого компаунда толщиной Δ, выбираемой из условия

где Е_км - модуль Юнга компаунда,

ƒ_p - резонансная частота акселерометра,

М_п - масса пьезоэлемента,

М - инерционная масса,

S - площадь плоской поверхности пьезоэлемента,

кроме того, между боковой поверхностью корпуса и инерционной массой введены упоры, выполненные из мягкого компаунда, при этом общая длина L и толщина h упоров удовлетворяют соотношению

где Е_к - модуль Юнга пьезокерамики,

h_к - высота пьезоэлемента,

Н_м - высота инерционной массы.