RU143827U1

RU143827U1 - Piezoelectric accelerometer (OPTIONS)

Info

Publication number: RU143827U1
Application number: RU2014111422/28U
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Орлов; Юрий Георгиевич Столяров
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Вибро-прибор"
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-07-27

Abstract

Группа полезных моделей относится к измерительной технике и может быть использована для обеспечения взаимозаменяемости компрессионных или сдвиговых вибродатчиков ускорения, входящих в состав акселерометров или измерительных систем без дополнительной настройки их электронных согласующих элементов. Для этого инерционное тело чувствительного элемента вибродатчика, как основное, снабжают дополнительным инерционным телом с определенной массой, которое позволяет регулировать действительное значение коэффициента преобразования вибродатчика до заданного, предпочтительно номинального, значения, превышающего исходное. Это позволяет расширить диапазон средств регулировки действительного значения коэффициента преобразования акселерометров. 2 н.п. ф-лы, 5 ил. The group of utility models relates to measuring technique and can be used to provide interchangeability of compression or shear vibration acceleration sensors that are part of accelerometers or measuring systems without additional adjustment of their electronic matching elements. For this, the inertial body of the sensitive element of the vibration sensor, as the main one, is equipped with an additional inertial body with a certain mass, which allows you to adjust the actual value of the conversion coefficient of the vibration sensor to a predetermined, preferably nominal, value that exceeds the original. This allows you to expand the range of means of adjusting the actual value of the conversion coefficient of the accelerometers. 2 n.p. f-ly, 5 ill.

Description

Группа полезных моделей относится к измерительной технике и может быть использована для обеспечения взаимозаменяемости пьезоэлектрических вибропреобразователей ускорения (вибродатчиков ускорения), входящих в состав акселерометров или измерительных систем без дополнительной настройки электронных согласующих элементов акселерометра или измерительных систем.The group of utility models relates to measuring technique and can be used to ensure interchangeability of piezoelectric acceleration acceleration transducers (acceleration vibration sensors) included in accelerometers or measurement systems without additional configuration of electronic matching elements of the accelerometer or measurement systems.

Одним из важнейших параметров акселерометра, определяющим его метрологические возможности, является коэффициент преобразования, который зависит от коэффициента преобразования вибродатчика ускорения и параметров согласующего и усилительного тракта акселерометра.One of the most important parameters of the accelerometer, which determines its metrological capabilities, is the conversion coefficient, which depends on the conversion coefficient of the acceleration vibration sensor and the parameters of the matching and amplifying path of the accelerometer.

В свою очередь коэффициент преобразования вибродатчика ускорения пропорционален произведению пьезомодуля пьезоэлемента (состоящего из одной или нескольких пьезопластин) датчика на массу инерционного элемента (Иориш Ю.И. Виброметрия. ГНТИ «Машиностроительной литературы». М.: 1963).In turn, the conversion coefficient of the acceleration vibration sensor is proportional to the product of the piezoelectric module of the piezoelectric element (consisting of one or more piezoelectric plates) of the sensor by the mass of the inertial element (Iorish Yu.I. Vibrometry. GNTI "Machine-building literature". M .: 1963).

В технических условиях на вибродатчики ускорения нормируются номинальное значение коэффициента преобразования и пределы отклонения действительного значения коэффициента преобразования от номинального значения.In technical conditions, the acceleration vibration sensors normalize the nominal value of the conversion coefficient and the deviation limits of the actual value of the conversion coefficient from the nominal value.

При изготовлении вибродатчиков из-заIn the manufacture of vibration sensors due to

- трудности учета вклада в суммарное преобразование действующего разброса параметров пьезокерамики;- difficulties in accounting for the contribution to the total conversion of the current spread of piezoceramic parameters;

- разной массы изготовленных в пределах установленного допуска, однотипных деталей и,- different weights made within the specified tolerance, of the same type of parts, and,

- реакции элементов пьезопреобразователя с распределенными параметрами на виброускорение- reactions of piezoelectric transducer elements with distributed parameters to vibration acceleration

у каждого чувствительного элемента вибродатчика ускорения наблюдается отклонение различной величины действительного значения коэффициента преобразования от его номинального значения, установленного техническими условиями.for each sensitive element of the vibration acceleration sensor, a deviation of various values of the actual value of the conversion coefficient from its nominal value established by the technical conditions is observed.

Известна регулировка действительного значения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра, осуществляемая только с помощью изменения коэффициента передачи предварительного усилителя вибродатчика или с помощью электронной части измерительной системы.Known adjustment of the actual value of the conversion coefficient of the piezoelectric accelerometer, carried out only by changing the gear ratio of the preliminary amplifier of the vibration sensor or using the electronic part of the measuring system.

Так, например, в известном пьезоэлектрическом датчике вибрации - «Excitation circuit for piezo-electric vibration type angular velocity sensor» JPH1151657, G01P 9/04, H03B 5/32, 1999-02-26, коэффициент преобразования регулируется за счет изменения коэффициента усиления предварительного усилителя.So, for example, in the well-known piezoelectric vibration sensor - "Excitation circuit for piezo-electric vibration type angular velocity sensor" JPH1151657, G01P 9/04, H03B 5/32, 1999-02-26, the conversion coefficient is adjusted by changing the gain amplifier.

Аналогичное решение использовано в «Способе калибровки виброизмерительного тракта», SU 1820337, G01P 21/00, 1991.02.27.A similar solution was used in the "Method for calibrating the vibration measuring path", SU 1820337, G01P 21/00, 1991.02.27.

Известен пьезоэлектрический компрессионный (с применением деформации «растяжения-сжатия» пьезоэлемента) пьезоэлектрический вибродатчик ускорения (RU 2150117, G01P 15/09, 27.05.2000), который является наиболее близким аналогом первого варианта вибродатчика заявляемого акселерометра.Known piezoelectric compression (using strain "compression-compression" of the piezoelectric element) piezoelectric acceleration accelerometer (RU 2150117, G01P 15/09, 05/27/2000), which is the closest analogue of the first embodiment of the inventive accelerometer.

Известный вибродатчик включает чувствительный элемент с пьезоэлементом и инерционным телом.Known vibration sensor includes a sensing element with a piezoelectric element and an inertial body.

Известен также пьезоэлектрический сдвиговый вибродатчик ускорения (RU 2017160, G01P 15/09, 30.07.1994), который является наиболее близким аналогом второго варианта вибродатчика заявляемого акселерометра.Also known is a piezoelectric shear vibration acceleration sensor (RU 2017160, G01P 15/09, 07/30/1994), which is the closest analogue of the second variant of the vibration sensor of the inventive accelerometer.

Известный вибродатчик включает чувствительный элемент с двумя пьезоэлементами и размещенным между ними инерционным телом.The known vibration sensor includes a sensing element with two piezoelectric elements and an inertial body placed between them.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных устройств, относится ограниченный перечень известных средств регулировки действительного значения коэффициента преобразования акселерометров.For reasons that impede the achievement of the following technical result when using known devices, there is a limited list of known means for adjusting the actual value of the conversion coefficient of accelerometers.

Задачей, на решение которой направлено заявляемая группа полезных моделей является расширение средств регулировки действительного значения коэффициента преобразования акселерометров.The task to which the claimed group of utility models is directed is to expand the means for adjusting the actual value of the conversion coefficient of accelerometers.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой группы полезных моделей, заключается в обеспечении возможности регулировки действительного значения коэффициента преобразования непосредственно вибродатчика ускорения, и, соответственно, всего акселерометра за счет увеличения массы инерционного тела чувствительного элемента вибродатчика.The technical result obtained by the implementation of the claimed group of utility models is to provide the ability to adjust the actual value of the conversion coefficient directly of the acceleration accelerator, and, accordingly, the entire accelerometer by increasing the mass of the inertial body of the sensitive element of the vibration sensor.

Указанный технический результат достигается при осуществлении заявляемой группы однообъектных полезных моделей, образующих единый изобретательский замысел и представляющих собой регулировку действительного значения коэффициента преобразования вибродатчиков ускорения акселерометров с различными типами деформации.The specified technical result is achieved by the implementation of the claimed group of single-object utility models forming a single inventive concept and representing the adjustment of the actual value of the conversion coefficient of vibration acceleration sensors of accelerometers with various types of deformation.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что по первому варианту выполнения заявляемого пьезоэлектрического акселерометра с компрессионным вибродатчиком ускорения, включающим чувствительный элемент с пьезоэлементом и инерционным телом, в отличие от известного вибродатчика пьезоэлектрического акселерометра инерционное тело, как основное, снабжено установленным на нем соосным основному дополнительным инерционным телом, регулирующим действительное значение коэффициента преобразования вибродатчика до заданного, предпочтительно номинального значения, превышающего исходное.The specified technical result in the implementation of the utility model is achieved by the fact that according to the first embodiment of the inventive piezoelectric accelerometer with a compression acceleration vibration sensor including a sensing element with a piezoelectric element and an inertial body, in contrast to the known piezoelectric accelerometer vibration sensor, the inertial body, as the main one, is equipped with an axial mounted on it the main additional inertial body that regulates the actual value of the conversion coefficient wander to a predetermined, preferably nominal value, greater than the original.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что по второму варианту выполнения заявляемого пьезоэлектрического акселерометра со сдвиговым вибродатчиком ускорения, включающим чувствительный элемент с двумя пьезоэлементами и размещенным между ними инерционным телом, в отличие от известного вибродатчика пьезоэлектрического акселерометра инерционное тело, как основное, снабжено установленным на нем соосным рабочей оси вибродатчика дополнительным инерционным телом, регулирующим действительное значение коэффициента преобразования вибродатчика до заданного, предпочтительно номинального значения, превышающего исходное.The specified technical result in the implementation of the utility model is achieved by the fact that according to the second embodiment of the inventive piezoelectric accelerometer with a shear vibration acceleration sensor, comprising a sensing element with two piezoelectric elements and an inertial body placed between them, in contrast to the known piezoelectric accelerometer vibration sensor, the inertial body, as the main one, is provided mounted on it coaxial working axis of the vibration sensor with an additional inertial body that regulates the actual the value of the conversion coefficient of the vibration sensor to a predetermined, preferably nominal value, greater than the original.

На фиг. 1 показан компрессионный вибродатчик ускорения пьезоэлектрического акселерометра, на фиг. 2 - то же вид сверху по разрезу А-А, на фиг. 3 - сдвиговый вибродатчик ускорения пьезоэлектрического акселерометра, на фиг. 4 - то же вид сверху по разрезу А-А, на фиг. 5 - график зависимости действительного значения коэффициента преобразования вибродатчика ускорения от значения массы дополнительного инерционного тела.In FIG. 1 shows a compression vibration sensor for accelerating a piezoelectric accelerometer; FIG. 2 is the same top view along section AA, in FIG. 3 shows a shear vibration sensor for accelerating a piezoelectric accelerometer; FIG. 4 is the same top view along section AA, in FIG. 5 is a graph of the actual value of the conversion coefficient of the vibration acceleration sensor on the mass value of the additional inertial body.

Компрессионный вибродатчик ускорения пьезоэлектрического акселерометра содержит (фиг. 1 и фиг. 2) основание 1, защитный корпус 2, чувствительный элемент 3. Чувствительный элемент 3, прикрепленный к основанию с помощью шпильки 4, состоит из соосных основного инерционного тела 5 с цилиндрическим соосным выступом 6 и дополнительного инерционного тела 7, и установленного между изоляционными прокладками 8 и 9 пьезоэлемента 10 с электродами 11 и 12, которые подключены к разъему 13 сигнального выхода вибродатчика.The compression vibration sensor for accelerating the piezoelectric accelerometer contains (Fig. 1 and Fig. 2) a base 1, a protective housing 2, a sensing element 3. The sensing element 3, attached to the base with a pin 4, consists of coaxial main inertial body 5 with a cylindrical coaxial protrusion 6 and an additional inertial body 7, and installed between the insulating spacers 8 and 9 of the piezoelectric element 10 with electrodes 11 and 12, which are connected to the connector 13 of the signal output of the vibration sensor.

Сдвиговый вибродатчик ускорения пьезоэлектрического акселерометра содержит (фиг. 3 и фиг. 4) защитный корпус 14, основание 15 с двумя симметрично расположенными стойками 16 и 17, поперечное сечение которых имеет форму сегментов круга. Между стойками 16 и 17 на изоляционных прокладках 18 и 19 установлен чувствительный элемент 20, состоящий из соосных рабочей оси вибродатчика основного инерционного тела 21, с цилиндрическим выступом 22, и дополнительного инерционного тела 23 и пьезоэлементов 24 и 25, с электродами 26 и 27 пьезоэлемента 24 и электродами 28 и 29 пьезоэлемента 25. Все электроды 26, 27, 28 и 29 подключены к разъему 30 сигнального выхода вибродатчика.The shear vibration acceleration sensor of the piezoelectric accelerometer contains (Fig. 3 and Fig. 4) a protective housing 14, a base 15 with two symmetrically arranged posts 16 and 17, the cross-section of which has the shape of circle segments. Between the posts 16 and 17 on the insulating gaskets 18 and 19, a sensing element 20 is installed, consisting of a coaxial working axis of the vibration sensor of the main inertial body 21, with a cylindrical protrusion 22, and an additional inertial body 23 and piezoelectric elements 24 and 25, with electrodes 26 and 27 of the piezoelectric element 24 and electrodes 28 and 29 of the piezoelectric element 25. All electrodes 26, 27, 28 and 29 are connected to the connector 30 of the signal output of the vibration sensor.

Известно (Иориш Ю.И. Виброметрия. ГНТИ «Машиностроительной литературы». М.: 1963 - 518 с), что коэффициент преобразования в плоской части амплитудно-частотной характеристики k_мВ определяется выражением:It is known (Yorish Yu.I. Vibrometry. State Scientific and Research Institute of "Engineering Literature". M: 1963 - 518 s) that the conversion coefficient in the flat part of the amplitude-frequency characteristic k _mV is determined by the expression:

где µ_П - коэффициент электромеханического преобразования;where µ _P is the coefficient of electromechanical conversion;

ω_ур - значение круговой частоты установочного резонанса (первая резонансная частота закрепленного вибродатчика), которая определяется выражениемω _ur - the value of the circular frequency of the installation resonance (the first resonant frequency of the fixed vibration sensor), which is determined by the expression

где - постоянная упругости пьезоэлектрика (при постоянной напряженности электрического поля); m - инерционная масса вибродатчика; l, S - высота и площадь пьезопластины (или комплекта пьезопластин).Where - the constant of elasticity of the piezoelectric (at constant electric field strength); m is the inertial mass of the vibration sensor; l, S - height and area of the piezoelectric plate (or set of piezoelectric plates).

С учетом (2) выражение (1) можно записать в виде:In view of (2), expression (1) can be written as:

Таким образом коэффициент преобразования КП(k_мВ) чувствительного элемента вибродатчика ускорения прямо пропорционален массе т инерционного тела, т.е. имеет линейную зависимость.Thus, the KP conversion coefficient (k _mV ) of the sensitive element of the vibration acceleration sensor is directly proportional to the mass t of the inertial body, i.e. has a linear relationship.

Определение массы дополнительного инерционного тела, прикрепляемого к основному инерционному телу на постоянной основе, производится следующим образом.Determination of the mass of the additional inertial body attached to the main inertial body on an ongoing basis is as follows.

Изготовленный вибродатчик ускорения (см. фиг. 1-4) с чувствительным элементом (3 или 20) устанавливают на вибростенд рабочего эталона, подключают к измерительному тракту акселерометра, возбуждают в чувствительном элементе (3 или 20) калиброванные механические колебания с известными частотой и амплитудой и измеряют начальное (исходное) действительное значение коэффициента преобразования КП_Н вибродатчика.The manufactured acceleration vibration sensor (see Fig. 1-4) with a sensing element (3 or 20) is mounted on a vibrating stand of the working standard, connected to the measuring path of the accelerometer, calibrated mechanical vibrations with a known frequency and amplitude are excited in the sensing element (3 or 20) and measure the initial (initial) actual value of the conversion coefficient KP _{N of the} vibration sensor.

Затем к инерционному телу (5 или 21) чувствительного элемента (3 или 20) вибродатчика, как к основному, последовательно прикрепляют дополнительные инерционные тела с различной, предпочтительно увеличивающейся, известной массой mД_1-n и измеряют текущие измененные действительные значения коэффициента преобразования КП_1-n с каждым из дополнительных инерционных тел.Then, to the inertial body (5 or 21) of the sensing element (3 or 20) of the vibration sensor, as the main one, additional inertial bodies with different, preferably increasing, known mass mD _1-n are sequentially attached and the current changed real values of the conversion coefficient KP _1- are measured _n with each of the additional inertial bodies.

По результатам измерений устанавливают зависимость действительного значения коэффициента преобразования КП вибродатчика от массы дополнительного инерционного тела mД и строят изображенный на фиг. 5 график линейной зависимости действительного значения коэффициента преобразования КП вибродатчика от значения массы дополнительного инерционного тела mД.According to the measurement results, the dependence of the actual value of the conversion coefficient of the vibration sensor KP on the mass of the additional inertial body mD is established and the image shown in FIG. 5 is a graph of a linear dependence of the actual value of the conversion coefficient of the vibration sensor KP on the mass value of the additional inertial body mD.

По установленной зависимости на графике (см. фиг. 5) определяют значение массы такого дополнительного инерционного тела mД_В, которое соответствует реализации отрегулированного действительного значения коэффициента преобразования КП_В, превышающего его исходное (начальное) значение КП_Н и соответствующего номинальному значению.According to the established dependence on the graph (see Fig. 5), the mass value of such an additional inertial body mD _{B is} determined, which corresponds to the implementation of the adjusted real value of the conversion coefficient KP _B , exceeding its initial (initial) value KP _N and corresponding to the nominal value.

Затем к цилиндрическому выступу (6 или 22) основного инерционного тела (5 или 21) вибродатчика ускорения прикрепляют на постоянной основе дополнительное инерционное тело (7 или 23) с массой mД_В, соответствующей выбранному, предпочтительно, номинальному значению коэффициента преобразования КП_В вибродатчика.Then, to the cylindrical protrusion (6 or 22) of the main inertial body (5 or 21) of the acceleration vibration sensor, an additional inertial body (7 or 23) with mass mD _B corresponding to the selected, preferably nominal value of the conversion factor KP _{V of the} vibration sensor is permanently attached.

Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают, что конструктивное выполнение пьезоэлектрических вибродатчиков ускорения, входящих в состав акселерометров или измерительных систем, обеспечивают возможность расширения средств регулировки действительного значения коэффициента преобразования акселерометраThus, it can be seen that the above information confirms that the constructive implementation of the piezoelectric acceleration acceleration sensors that are part of the accelerometers or measuring systems, provide the ability to expand the means of adjusting the actual value of the conversion coefficient of the accelerometer

Claims

1. A piezoelectric accelerometer with a compression vibration acceleration sensor, comprising a sensing element with a piezoelectric element and an inertial body, characterized in that the inertial body, as the main one, is equipped with an additional inertial body coaxial to the main body, which controls the actual value of the conversion coefficient of the acceleration vibration sensor to a predetermined, preferably nominal value exceeding the original.

2. A piezoelectric accelerometer with a shear vibration acceleration sensor, comprising a sensing element with two piezoelectric elements and an inertial body placed between them, characterized in that the inertial body, as the main one, is equipped with an additional inertial body mounted on it coaxial to the working axis of the vibration sensor, which controls the actual value of the vibration sensor conversion coefficient to a predetermined, preferably nominal, value in excess of the original.