Пъезоэлектрический датчик колебаний и его вариант

 

Союз Советскик

Соцнапмстмческмк

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()890308 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 19. 11. 79 (21) 2840588/! 8-25 с присоединением заявки,% 2840589/18-25 (23) П риорнтет—

Опубликовано 15.12.81. Бюллетень №46

Дата опубликования описания (5l )M. Кл.

G 01 V 1/16

3Ьеудерсткиный комитет

СССР ве делам изобретений и открытий (53) УДК550.834 (088.8) (72) Авторы изобретения

Томский ордена Октябрьской Революции йб

Красного Знамени политехнический институ (7l ) Заявитель (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КОЛЕБАНИЙ (ЕГО ВАРИАНТ) к измеритеи использовано колебаний, сейсмометрии.

Изобретение относится ной технике и может быть дпя измерения параметров например в виброметрии и

Известны пьезоэлектрические датчики колебаний, состоящие из пьезопреобразователя и инертной массы 11.

Недостатком этих пьезоэлектрических датчиков колебаний, является не10 возможность измерении при низкочастотных колебаниях.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является пьезоэлектрический датчик колебаний, в котором пьезопреобразователь возбужlj дается на резонансной .частоте. Изменение нагрузки на пьезоэлемент за счет колебаний инертной массы модулирует.резонансные колебания пт езо20 пр ео бр аз о вателя .

Данный датчик позволяет измерять параметры низкочастотных колебаний вплоть по статических воздействий 2.2).

Недостатком известного датчика является наличие механического контакта поверхности колеблющегося пьезопреобразователя с поверхностью массы.

Свойства контакта изменяются во времени и зависят от параметров окружающей среды. Это приводит к снижению точности и стабильности. Кроме того, при действии усилия непосредственно на пьезопреобразователь он изменяет свои параметры.

Цель изобретения — повьппение точности и стабильности датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике колебаний, содержащем. основание; закрепленный в нем пьезопреобразователь, к которому подключены. генератор и схема регистрации, инертную массу и упругий элемент, упругий элемент выполнен в ниде акустического концентратора переменного сечения, закрепленного.в ос" новании перпендикулярно направлению ко890308 4

15

4О

55 лебаний и соединенного больщим тор1 цом с пьезопреобразователем, а инертная масса сочленена с другим торцом акустического концентратора с возможностью .перемещения вдоль его ocu.

В устройстве-.варианте поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике колебаний, содержащем основание, закрепленный в нем пьезонреобразователь, к которому подключены генератор и схема ре-. гистрации, инертную массу,. упругий элемент, дополнительно введен второй пьезопреобразователь, соединенный с первым через упругий элемент, выполненный в виде волноводной системы, состоящей из двух встречно включенных акустических .концентраторов, связанных четвертьволновой.пластиной, на которой жестко закреплена инертная масса.

На фиг.l схематически изображен пьезоэлектрический датчик колебаний . на фиг.2 — то же (вариант).

Датчик содержит пьезопреобразователь I, сочлененный с акустическим концентратором 2,. например экспонциального типа, закрепленным в полуволновом стакане З.в узле колебаний, и инертную массу 4, соединенную с выходным сечением концентратора.с возможностью перемещения. При этом полуволновой стакан сочленен с крондтейном-захватом 5,снабженным изолированными вводами для подключения пьезоэлемента к генератору 6, схеме регистрации 7 выходного сигнала преобразователя.

Датчик работает следующим образом.

Включенный в цепь положительной обратной связи генератора 1,схемы возбуждения) 6 преобразователь 1 возбуждается на продольной моде колебаний и вводится .с помощью концентратора 2 в режим бегущей волны. При этом инертная масса 4, присоединенная к его .выходному сечению, потребляет максимум ультразвуковой энергии, если его выходное механическое сопротивление(акустический импеданс ) согласовано с выходом системы 6. пьезоэлемент-концентратор.

В отсутствие измеряемых воздействий условие согласования . достигается подбором материалов, концентратора и Инертного элемента с идентичными акустическими характеристиками. Возникновение и изменение входных воздействий приводит к появлению переменных (с частотой. контролируемых ,вибраций ) механических изгибающих моментов, приложенных .к выходному сечению концентратора. При этом амплитудным значениям колебаний (вибраций) соответствуют максимумы механических напряжений, локализованных в зоне контакта концентратора 2 с инертной массой 4. Изменение механических напряжений .в материале концентратора эквивалентно .изменению его акустических свойств, например скорости распространения ультразвука в нем, вблизи границы его раздела с инертной массой 4, что приводит к возникновению. отраженных волн и, следовательно, изменению коэффициента передачи электрической энергии автогенератора пьезопреобразователем

1 в измерительную цепь. Аналогично модулируется и частота автогенератора, по которой. можно судить о величине контролируемых ускорений.

Перемещение инерт ной массы 4 по концентратору позволяет изменять чувствительность датчика и производить его настройку.

Устройство-вариант содержит основание 8, в котором .установлены встречно включенные и выполненные как одно целое акустические концентраторы

9 и 10, например клиновидного типа.

К выходным сечениям концентраторов жестко присоединены излучающий 11 и приемный 12 пьезоэлементы, а в центральной части, выполненной в виде четвертьволновой.пластины 13, предусмотрено отверстие для крепления гайкой 14 инерционной массы 15. При этом пьезоэлементы закрыты защитными кожухами 16, снабженными изоляционными вводами при присоединении приемного и излучающего пьезоэлементов к схеме регистрации 17 и генератору

18 электрических колебаний соответственно. В.верхней и нижней крьппке корпуса выполнены коаксиально расположенные отверстия Cнаправляющее и ре гулировочное соответственно), Устройство-вариант работает следующим образом.

Излучающий пьезоэлемент 11 возбуждается на продольной моде .колебаний от генератора 18-и согласованным образом передает поток ультразвуковой энергии через концентратор 9, четвертьволновую пластину 13, концентратор 10 приемному. пьезоэлементу

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический .датчик колебаний, содержащий .основание, закрепленный в нем пьезопреобразователь, к которому .подключены генератор и схема регистрации,.инертную массу и упругий элемент,. о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности и стабильности, упругий элемент выполнен, например в виде акустического концентратора переменного сечения, закрепленного в основании перпендикулярно направлению колебаний и соединенного .большим торцом с пьезопреобразователем, а инертная масса сочленена с другим торцом акустического концентратора с возможностью перемещения вдоль его оси.

2. Пьезоэлектрический датчик колебаний,содержащий основание, закрепленный в нем пьезопреобразователь, к которому подключены. генератор и схема регистрации, инертную массу-, упругий элемент, о т л и— чающий с я тем, что, с целью повышения точности и стабильности, в него дополнительно введен второй пьезопреобразователь, соединенный с первым через упругий элемент, выполненный в виде волноводной системы, состоящей из двух встречно включенных акустических концентраторов, связанных четвертьволновой пластиной, на которой жестко закреплена инертная масса.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 335638, кл. 5 01 V 1/16, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 338868, кл. G 01 Ч 1/16, 1970.

5 8903

1 2, обеспечивая тем самым устойчивый (по частоте и амплитуде) выходной сигнал преобразователя, фиксируемый измерительным прибором. Выходное воздействие (вибрация контролируемого 5 объекта) преобразуется за счет инерционной массы 15. в механические напря.жения, локализованные в четвертьволновой пластине-связке 13 и изменяющиеся по тому же закону, что и l0 входные сигналы. Это приводит к модуляции скорости прохождения ультразвука по акустическому тракту преобразователя и соответственно амплитудной модуляции выходного сигнала.

По изменению параметров модуляции входного воздействия можно судить об амплитудных значениях и частотном спектре измеряемых вибраций, фиксируемых измерительным прибором.

Для развязки воспринимающего эле мента (четвертьволновой пластины ) от воздействия боковых ускорений инертная масса 15 выполнена с участком цилиндрической поверхности, сколь- 55 зящим образом посаженным в направляющее отверстие основания 8. Кроме того, для создания предварительного напряженного состояния четвертьволновой пластины-связки 13 соедине- 50 ние инерционной массы 15 с ней выполнено резьбовым с обеспечением доступа к фиксирующей гайке 14 через регулировочное отверстие в нижней крышке корпуса. 35

В предлагаемом датчике инертная масса контактирует (и механически закреплена) с акустическими концентраторами. Пьезопреобразователи не подвержены действию усилий, а выполня- щ ют только функцию излучения .и приема .ультразвука в волновод, к которому . приложено усилие,. создаваемое массой при действии вибрации. Это значительно повышает стабильность и точность датчика.

890308

Составитель Т. Райкова

Редактор Ю. Петрушко Техред A,A÷

Корректор В.Синипкая

Заказ l0984 74 Тираж 735

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !

13035, Москва, >К-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4