RU207514U1 - Пьезоэлектрический акселерометр - Google Patents
Пьезоэлектрический акселерометр Download PDFInfo
- Publication number
- RU207514U1 RU207514U1 RU2021114132U RU2021114132U RU207514U1 RU 207514 U1 RU207514 U1 RU 207514U1 RU 2021114132 U RU2021114132 U RU 2021114132U RU 2021114132 U RU2021114132 U RU 2021114132U RU 207514 U1 RU207514 U1 RU 207514U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric
- electrode
- piezoelectric element
- accelerometer
- electrodes
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 21
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 abstract 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 abstract 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up
- G01P15/0907—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up of the compression mode type
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Полезная модель предназначена для измерения вибрационного ускорения работающих машин и механизмов в различных областях техники. Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей акселерометра, а именно: расширение рабочего динамического диапазона путем одновременного преобразования ускорения в два отличающихся по амплитуде электрических напряжения на выходах, соответствующих двум частично перекрывающим рабочим динамическим поддиапазонам; активная компенсация изменения коэффициентов преобразования от температуры путем использования зависимости диэлектрической проницаемости пьезоэлектрического материала от температуры; дистанционная проверка работоспособности акселерометра без демонтажа с контролируемого объекта путем возбуждения механических колебаний пьезоэлемента от внешнего источника переменного напряжения; стабилизация амплитуды механических колебаний, возбуждаемых при дистанционной проверке работоспособности в рабочем диапазоне температур путем создания температурно-зависимого делителя напряжения. Указанные технические результаты достигаются тем, что многофункциональный пьезоэлектрический акселерометр содержит поджатый к основанию корпуса пьезоэлемент в форме диска с центральным отверстием, состоящий из двух наполяризованных по толщине, жестко соединенных между собой пластин из пьезоэлектрической керамики с общим внутренним электродом между ними и шестью кольцевыми электродами на его внешней поверхности, два согласующих зарядовых усилителя, к входам и выходам которых подключены по два кольцевых электрода пьезоэлемента, и конденсатор постоянной емкости, включенный последовательно с одним из кольцевых электродов. 5 ил.
Description
Полезная модель относится к виброизмерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для измерения вибрационного ускорения работающих машин и механизмов в различных областях техники, в том числе энерговырабатывающего и нефтеперерабатывающего оборудования, ракетно-космической техники, авиации, транспортных средств, с целью виброконтроля, мониторинга и диагностики.
Работа контролируемого объекта в ряде случаев сопровождается скачками ускорения, что приводит к перегрузке согласующего усилителя, необходимого для согласования высокого импеданса пьезоэлемента с входным импедансом регистрирующей аппаратуры. Это на некоторое время вызывает потерю работоспособности согласующего усилителя, а параметры таких скачков ускорения также не могут быть зарегистрированы. Принципиально для устранения этого недостатка могут использоваться два одновременно работающих акселерометра с различными верхними границами рабочих динамических диапазонов. Однако такое техническое решение может быть сопряжено с рядом технических трудностей, например, ограниченностью пространства или несовпадением параметров вибрации в разных точках размещения этих акселерометров.
Кроме того, влияние внешних физических воздействий способно вызвать изменение метрологических характеристик акселерометра или его неисправность. К числу наиболее часто встречающихся отрицательно влияющих факторов относится изменение температуры внешней среды, которое приводит к изменению параметров пьезоэлектрического материала, в том числе пьезомодуля и диэлектрической проницаемости. Это, в свою очередь, вызывает изменение коэффициента преобразования и может являться причиной значительной погрешности измерений.
Проверка характеристик акселерометра, в том числе его исправности проводится в лабораторных условиях с установленной периодичностью. Однако полезной может быть возможность оперативной дистанционной проверки работоспособности акселерометра без его демонтажа с контролируемого объекта.
С целью повышения коэффициента преобразования, резонансной частоты и помехозащищенности известный пьезоэлектрический акселерометр содержит корпус, состоящий из крышки и основания, к которому прикреплен, по крайней мере, один биморфный пьезоэлемент с рабочей деформацией изгиба, выполненный в форме диска с центральным отверстием для крепления и состоящий из двух наполяризованных по толщине пластин из пьезоэлектрической керамики с общим внутренним электродом между ними и электрически соединенными между собой сплошными электродами на внешних поверхностях пластин, а также две токосъемной панели, к которым присоединены выводы от электродов и проводники соединительного кабеля (RU 2113715, МПК G01P 15/09, G01H 11/08, опубл. 20.06.1998) [1].
Использование биморфных пьезоэлементов позволяет получить высокое значение коэффициента преобразования по заряду, а электрическая изоляция электрической цепи пьезоэлемента от корпуса эффективно снижает воздействие внешних электрических помех. Однако рабочий динамический диапазон такого акселерометра ограничен предельно допустимым значением электрического сигнала, поступающего от его пьезоэлемента на вход согласующего усилителя. В результате температурных изменений параметров пьезоэлектрической керамики коэффициент преобразования акселерометра зависит от температуры. Возможность электрических наводок на соединительный кабель, расположенный между пьезоэлементом и внешним согласующим усилителем приводит к снижению помехозащищенности. Кроме того, в акселерометре отсутствует средство контроля его исправности без демонтажа с контролируемого объекта.
Известен пьезоэлектрический датчик давления в электрический сигнал с активной компенсацией изменения коэффициента преобразования от температуры за счет использования температурного изменения диэлектрической проницаемости пьезоэлектрической керамики и, следовательно, емкости пьезоэлемента, на коэффициент передачи согласующего усилителя. Преобразователь содержит двухэлектродный пьезоэлемент, выполненный в виде пластины из пьезоматериала, противоположные грани которой контактируют с электродами, и зарядовый усилитель, выход которого соединен с его инвертирующим входом через резистор обратной связи, причем один из электродов двухэлектродного пьезоэлемента соединен с инвертирующим входом зарядового усилителя, а другой электрод двухэлектродного пьезоэлемента состоит из двух электрически изолированных секций, одна из которых соединена непосредственно с выходом зарядового усилителя, а другая через шину "Земля" и корректирующий резистор с его неинвертирующим входом (RU 2099678, МПК G01L 9/08, G01L 23/10, H03B 5/32, опубл. 20.12.1997) [2].
Недостатком предложенной схемы является зависимость общей емкости в цепи отрицательной обратной связи зарядового усилителя, определяющей его коэффициент передачи и режим компенсации, от длины кабеля между пьезоэлементом и усилителем. Эта емкость представляет сумму двух емкостей, одна из которых образованна секцией электрода пьезоэлемента, подключенной к выходу усилителя относительно его инвертирующего входа, а вторая - между проводниками кабеля, соединяющими инвертирующий вход и выход усилителя с подключенными к нему электродами пьезоэлемента, и зависит от длины кабеля.
Известны способы контроля работоспособности пьезоэлектрического акселерометра без демонтажа с контролируемого объекта, основанные на возбуждении колебаний рабочего пьезоэлемента от внешнего источника электрического напряжения и последующей регистрации сигнала отклика, (RU 2358244, МПК G01H 11/08, G01R 29/22, опубл. 10.06.2009) [3], (RU 2538034, МПК G01H 11/08, опубл. 27.08.2014) [4].
Недостатком таких способов является сложный расчет значения коэффициента преобразования и использование для этого косвенных данных, что снижает точность и достоверность получаемых результатов.
Известны также пьезоэлектрические акселерометры, в которых для проверки работоспособности используется дополнительный встроенный пьезоэлемент, создающий за счет обратного пьезоэффекта при подаче нормированного электрического сигнала от внешнего источника механические напряжения в рабочем пьезоэлементе. По сигналу его отклика судят об изменении коэффициента преобразования и фактической частоте установочного резонанса, которая может зависеть от свойств контролируемого объекта и качества крепления акселерометра (Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры) // (Монография). Пьезоэлектрическое приборостроение. Т. 7. - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2010. 304 с., стр. 185-188) [5].
Недостатками таких акселерометров являются усложнение конструкции за счет отдельного дополнительного пьезоэлемента, зависимость амплитуды возбуждаемых колебаний рабочего пьезоэлемента при проверке от температурных изменений пьезомодуля пьезоэлектрического материала и возможных в процессе эксплуатации изменений физических свойств механической связи между рабочим и дополнительным пьезоэлементами.
Известен пьезоэлектрический акселерометр, с двумя динамическими диапазонами (Янчич В.В., Джения Д.В., Янчич Вл.В. Пьезоэлектрические акселерометры с двумя динамическими и частотными диапазонами // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 3 (27). С. 127-134, стр. 131, рис. 3в.) [6], который содержит поджатый к основанию корпуса один биморфный пьезоэлемент с рабочей деформацией изгиба, выполненный в виде диска с центральным отверстием и состоящий из двух наполяризованных по толщине пластин из пьезоэлектрической керамики с общим внутренним электродом между ними и системой из четырех внешних электродов. При этом на внешней поверхности одной из пластин расположен один сплошной электрод, а на внешней поверхности второй пластины концентрически расположены три кольцевых электрода. Внешний сплошной электрод одной пластины соединен с внутренним кольцевым электродом второй пластины и входом одного из согласующих зарядовых усилителей, а меньший по площади внешний кольцевой электрод соединен с входом второго согласующего зарядового усилителя. Промежуточный кольцевой электрод вместе с общим внутренним электродом соединены с общим проводником усилителей, выходы которых подключены к устройству регистрации ускорения.
В результате деформации пьезоэлемента под воздействием ускорения на входы усилителей поступают электрические заряды, значения которых приблизительно пропорциональны площадям электродов, подключенным к их входам, благодаря чему создаются два рабочих динамических поддиапазона с различными границами измеряемого ускорения и расширяется общий динамический диапазон акселерометра.
Недостатками такого акселерометра являются зависимость коэффициентов преобразования от температуры и отсутствие средства контроля его исправности без демонтажа с контролируемого объекта.
Наиболее близким по конструктивному выполнению к заявляемой полезной модели является пьезоэлектрический акселерометр с двумя динамическими диапазонами и компенсацией температурного изменения коэффициентов преобразования, принимаемый за прототип (Янчич В.В., Янчич Вл.В. Преобразователи пьезоэлектрических датчиков механических величин (конструкции и пути развития). Saarbrucken, Deutschland; LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 138 с. Стр. 131, рис. 4.21. - прототип) [7], который содержит один биморфный пьезоэлемент, выполненный в виде диска с центральным отверстием и состоящий из двух наполяризованных по толщине пластин из пьезоэлектрической керамики с общим электродом между ними и системой из шести внешних электродов. При этом на внешней поверхности одной из пластин расположен один сплошной электрод, а на внешней поверхности второй пластины расположены пять электродов, два из которых расположены в центре поверхности и выполнены в виде неравных по площади секторов, два расположены на периферии поверхности и выполнены в виде неравных по площади секторов, а один выполнен в форме кольца и расположен между центральными и периферийными электродами. Внешний сплошной электрод одной пластины соединен центральным электродом второй пластины с большей площадью сектора и входом первого из согласующих зарядовых усилителей, а центральный электрод с меньшей площадью сектора соединен с выходом этого усилителя, периферийный электрод с большей площадью сектора соединен с входом второго согласующего зарядового усилителя, а электрод с меньшей площадью сектора соединен с выходом этого усилителя. Электрод в форме кольца вместе с общим внутренним электродом соединены с общим проводником усилителей, выходы которых подключены к устройству регистрации ускорения.
Недостатком прототипа являются отсутствие средства контроля его исправности без демонтажа с контролируемого объекта.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в создании средства для контроля работоспособности пьезоэлектрического акселерометра.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность проверки работоспособности пьезоэлектрического акселерометра и всего измерительного тракта без демонтажа с контролируемого объекта
Указанный технический результат достигается тем, что пьезоэлектрический акселерометр содержит корпус, соединительный экранированный кабель, два согласующих зарядовых усилителя и пьезоэлемент в форме диска с центральным отверстием, состоящий из двух наполяризованных по толщине, жестко соединенных между собой пластин из пьезоэлектрической керамики с общим внутренним электродом между ними и шестью расположенными на плоских внешних поверхностях пьезоэлемента электродами, по крайней мере, один из которых имеет форму кольца, при этом два различные по площади электрода соединены с инвертирующими входами двух разных согласующих зарядовых усилителей, а два других электрода соединены с выходами этих усилителей, а общий внутренний электрод и один внешний электрод в форме кольца соединены с общим проводником согласующих зарядовых усилителей.
Согласно полезной модели электрод с большей площадью соединен с инвертирующим входом первого зарядового усилителя, а электрод с меньшей площадью соединен с выходом этого усилителя, кольцевой электрод, расположенный в центре другой поверхности пьезоэлемента соединен с инвертирующим входом второго зарядового усилителя, а второй от центра этой поверхности кольцевой электрод соединен с выходом этого усилителя, четвертый от центра этой поверхности кольцевой электрод через конденсатор постоянной емкости соединен с отдельным выводом для подключения к внешнему источнику переменного напряжения.
Конструкция заявляемого пьезоэлектрического акселерометра поясняется фигурами чертежей.
На фиг. 1 изображен продольный разрез акселерометра, где:
1 - основание корпуса;
2 - коммутационная плата;
3 - пьезоэлемент;
4 - крышка корпуса;
5 - резьбовая шпилька;
6 - гайка;
7, 8 - изоляторы;
9 - соединительный кабель.
Направление рабочей оси акселерометра обозначено стрелкой.
На фиг. 2 изображен продольный разрез пьезоэлемента, где:
10 - нижняя пьезокерамическая пластина;
11 - верхняя пьезокерамическая пластина;
12 - общий внутренний электрод;
13, 14, 15, 16, 17, 18 - внешние концентрические кольцевые электроды на верхней и нижней пластинах.
Буквой «А» обозначена внешняя поверхность пьезокерамической пластины 11, буквой «Б» обозначена внешняя поверхность пьезокерамической пластины 10.
На фиг. 3 показано расположение внешних электродов на поверхности А пьезокерамической пластины 11.
На фиг. 4 показано расположение внешних электродов на поверхности Б пьезокерамической пластины 10.
На фиг. 5 изображена электрическая схема акселерометра, включающая в себя пьезоэлемент 3 и коммутационную плату 2 где:
19 - первый согласующий зарядовый усилитель;
20 - конденсатор в цепи отрицательной обратной связи согласующего зарядового усилителя 19;
21 - второй согласующий зарядовый усилитель;
22 - конденсатор в цепи отрицательной обратной связи согласующего зарядового усилителя 21;
23 - разделительный конденсатор.
Пьезоэлектрический акселерометр (фиг.1) содержит корпус, включающий в себя основание 1 и крышку 4, пьезоэлемент 3, жестко поджатый к основанию 1 через изоляторы 7, 8, равного диаметра, с помощью резьбовой шпильки 5 и гайки 6, расположенную на основании 1 коммутационную плату 2 в форме диска с двумя согласующими зарядовыми усилителями 19, 21 (фиг. 5) и конденсатором 23 постоянной емкости, соединительный экранированный кабель 9 (фиг. 1).
Пьезоэлемент 3 (фиг. 2) выполнен в форме диска с центральным отверстием и содержит две жестко соединенных между собой пластины 10, 11 равной толщины, выполненные из пьезоэлектрической керамики, с общим внутренним электродом 12 на границе их соединения. Пластины 10 и 11 наполяризованы по толщине в осевом направлении, обозначенном на фиг. 2 стрелками. На внешней поверхности А пластины 11 расположены два концентрических кольцевых электрода 13, 14 (фиг. 3). На внешней поверхности Б пластины 10 расположены четыре концентрических кольцевых электрода 15, 16, 17, 18 (фиг. 4). К каждому из электродов пьезоэлемента присоединен отдельный гибкий вывод (на фигурах не показаны) для подключения к коммутационной плате.
Электрическая схема акселерометра содержит коммутационную плату 2, электрически соединенную с пьезоэлементом 3 и проводниками соединительного кабеля 9 (фиг. 1). На коммутационной плате 2 (фиг. 5) смонтированы два согласующих зарядовых усилителя 19, 21 с конденсаторами 20, 22 в цепях их отрицательной обратной. Электрод 13 пьезоэлемента 3 соединен с инвертирующим входом первого согласующего зарядового усилителя 19, а электрод 14 соединен с его выходом и проводником соединительного кабеля «Выход 1». Электрод 18 пьезоэлемента 3 соединен с инвертирующим входом второго согласующего зарядового усилителя 21, а электрод 17 соединен с его выходом и проводником соединительного кабеля «Выход 2». Электрод 15 пьезоэлемента 3 через конденсатор постоянной емкости 23 соединен с проводником соединительного кабеля «Вход». Внутренний электрод 12 пьезоэлемента 3 и его внешний электрод 16 соединены с проводником соединительного кабеля «Общий». Электрическое питание зарядовых усилителей 19, 21 осуществляется по проводнику «+» соединительного кабеля.
Ускорение, воздействующее на акселерометр в направлении рабочей оси, передается пьезоэлементу 3 (фиг. 1) и приводит к его деформации изгиба. При этом в каждой из пластин 10 и 11 (фиг. 2) пьезоэлемента 3 одновременно возникают равные по значению и противоположные по знаку радиальные и тангенциальные механические напряжения. Вследствие прямого пьезоэффекта в областях пластин 10 и 11, расположенных между электродами 12, 13 и 12, 18 генерируются электрические заряды, прямо пропорциональные воздействующему ускорению, пьезомодулю d31 пьезоэлектрической керамики и площадям электродов 13 и 18, подключенных к входам зарядовых усилителей 19 и 21 (фиг. 5) соответственно. Зарядовые усилители преобразуют поступающие на них электрические заряды в электрические напряжения, поступающие на проводники соединительного кабеля «Выход 1» и «Выход 2».
Это позволяет выбором отношения площадей электрода 13 (фиг. 3) для первого рабочего динамического поддиапазона и электрода 18 (фиг. 4) для второго рабочего динамического поддиапазона получить необходимое соотношение снимаемых с них зарядов и соответствующие значения электрического напряжения на выходах зарядовых усилителей 19 и 21 (фиг. 5), определяющие верхние границы рабочих динамических поддиапазонов.
Активная компенсация изменения коэффициента преобразования от температуры, вызываемого температурным изменением пьезомодуля d31 пьезокерамического материала, основана на использовании синхронного температурного изменения его диэлектрической проницаемости и обратно пропорциональной зависимости коэффициента передачи согласующих зарядовых усилителей от значений общих электрических емкостей в цепях их отрицательной обратной связи.
Проверка работоспособности пьезоэлектрического акселерометра и всего измерительного тракта осуществляют путем подачи переменного электрического напряжения от внешнего источника на проводник соединительного кабеля «Вход» (фиг. 5), которое поступает через конденсатор постоянной емкости 23 на электрод 15 пьезоэлемента 3. При этом вследствие обратного пьезоэффекта происходит деформация области пластины 10 (фиг. 2), расположенной между электродами 12, 15. Это, аналогично воздействию ускорения, приводит к возбуждению изгибных колебаний всего пьезоэлемента 3 и возникновению электрических зарядов на его электродах 13, 18, поступающих на согласующие зарядовые усилители 19 и 21 (фиг. 5). В результате деления напряжения между постоянной емкостью конденсатора 23 и зависящей от температуры электрической емкости между электродами 12, 15 пьезоэлемента 3, амплитуда переменного напряжения на электроде 15 автоматически изменяется обратно пропорционально температурному изменению пьезомодуля d31 пьезоэлектрической керамики, что компенсирует зависимость амплитуды возбуждаемых колебаний пьезоэлемента 3 от температуры. Значение электрической емкости конденсатора 23, необходимое для полной компенсации температурного изменения амплитуды возбуждаемых колебаний пьезоэлемента 3 при заданной температуре соответствует формуле
Емкость С23 конденсатора 23 определяется по формуле:
где С23 - емкость конденсатора 23 (фиг. 5);
Электрод 16 служит электростатическим экраном и предотвращает электрические наводки на электрод 17 при подаче переменного напряжения на электрод 15 при проверке работоспособности акселерометра.
Проверку работоспособности пьезоэлектрического акселерометра без демонтажа с контролируемого объекта проводят следующим образом. Для определения возможного изменения коэффициентов преобразования в процессе эксплуатации на проводник соединительного кабеля «Вход» (фиг. 5) подают переменное напряжение от внешнего источника с нормированными значениями амплитуды и частоты, лежащей в пределах рабочего диапазона акселерометра, затем измеряют напряжения на проводниках соединительного кабеля «Выход 1» и «Выход 2». Измеренные напряжения сравнивают с напряжениями на этих же проводниках, полученными ранее при калибровке акселерометра при тех же значениях частоты и амплитуды подаваемого напряжения, известных из паспорта акселерометра.
Для определения частоты установочного резонанса акселерометра, закрепленного на контролируемом объекте, на проводник соединительного кабеля «Вход» подают напряжение с возрастающей частотой при неизменной амплитуде и измеряют напряжения на проводниках соединительного кабеля «Выход 1» и «Выход 2». Минимальная частота, на которой наблюдается максимальное значение амплитуды выходного напряжения одновременно на двух проводниках «Выход 1» и «Выход 2», соответствует фактической частоте установочного резонанса акселерометра. Отличие частот резонансных пиков напряжений на проводниках «Выход 1» и «Выход 2» свидетельствует о механическом повреждении пьезоэлемента 3.
Испытания пьезоэлектрического акселерометра проводилась в Научном конструкторско-технологическом бюро пьезоэлектрического приборостроения НКТБ «Пьезоприбор» Южного федерального университета. Испытывались три макетных образца, выполненных в соответствии с фиг. 1-5.
Пьезоэлемент (фиг. 2-4), выполненный из серийно выпускаемой пьезоэлектрической керамики ЦТС-19М, имел следующие основные характеристики:
диаметр пластин 10, 11-18 мм;
толщина каждой пластины 0,65 мм;
внешний диаметр электрода 13-15 мм, внутренний - 4 мм;
внешний диаметр электрода 18-8 мм, внутренний - 6 мм;
электрическая емкость в нормальных условиях межу электродами 13, 14 составляет 260 пФ, 17, 18 - 145 пФ, 12, 15 - 1320 пФ;
относительное изменение диэлектрической проницаемости пьезоэлектрической керамики в диапазоне температур от 22 до 100°С составляет 35%, пьезомодуля 17%.
Пластины пьезоэлемента соединены способом термодиффузионной сварки по предварительно нанесенному серебряному покрытию.
Согласующие зарядовые усилители собраны на операционных усилителях TL082IPT с предельной рабочей температурой 105°С. Емкости установленных конденсаторов 20 и 22 (фиг. 5) составляли 270 и 150 пФ соответственно. Емкость конденсатора 23 постоянной емкости, рассчитанная по формуле (1), составляла 1400 пФ. Для питания согласующих зарядовых усилителей использовалось постоянное напряжение 24 В.
Получены следующие усредненные для испытанных образцов характеристики, измеренных по стандартным методикам (ГОСТ Р 8.669-2009 Виброметры с пьезоэлектрическими, индукционными и вихретоковыми вибропреобразователями. Методика поверки.) в нормальных условиях:
коэффициент преобразования (амплитудные значения) первого поддиапазона 23,72 мВ/(м/с2), второго поддиапазона 3,09 мВ/(м/с2);
верхняя граница рабочего динамического диапазона (амплитудные значения): первого поддиапазона 440 м/с2, второго поддиапазона 3400 м/с2;
частота установочного резонанса для двух поддиапазонов при креплении акселерометра на массу 240 г составляет 13,86 кГц;
напряжение отклика на выходах акселерометра при подаче переменного напряжения 24 В при проверке работоспособности на частоте 315 Гц, : первого поддиапазона 282,5 мВ, второго поддиапазона 36,8 мВ.
Относительное температурное изменение коэффициентов преобразования без температурной компенсации проводилось с отключенными электродами 14, 17 (фиг. 5) пьезоэлемента 3 от выходов согласующих зарядовых усилителей 19, 21.
Результаты испытаний представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1. Относительное изменение характеристик акселерометра от температуры (усредненные значения)
| Относительное изменение характеристики, % | Температура, °С | |||
| 40 | 60 | 80 | 100 | |
| Коэффициент преобразования без температурной компенсации: первого поддиапазона второго поддиапазона |
2,2 2,3 |
5,7 5,9 |
10,6 10,2 |
17,1 17,3 |
| Коэффициент преобразования с температурной компенсацией: первого поддиапазона второго поддиапазона |
0,4 0,4 |
1,0 1,1 |
0,9 1,0 |
-1,8 -2,0 |
| Частота установочного резонанса, кГц | -0,2 | -0,5 | -0,7 | -1,3 |
Таблица 2. Относительная погрешность измерения характеристик акселерометра при дистанционной проверке его работоспособности по сравнению с результатами, полученными по стандартным методикам (усредненные значения)
| Относительная погрешность измерения характеристики, % | Температура, °С | ||||
| 22 | 40 | 60 | 80 | 100 | |
| Коэффициент преобразования без температурной компенсации: первого поддиапазона второго поддиапазона |
1,2 1,4 |
1,5 1,3 |
1,7 1,5 |
1,9 2,1 |
2,1 2,3 |
| Коэффициент преобразования с температурной компенсацией: первого поддиапазона второго поддиапазона |
1,5 1,3 |
1,2 1,2 |
1,9 1,6 |
-1,0 -1,6 |
-1,8 -2,2 |
| Частота установочного резонанса | 0,2 | 0,2 | 0,4 | 0,3 | 0,6 |
Проведенные испытания подтвердили работоспособность макетных образцов пьезоэлектрического акселерометра. Рабочий динамический диапазон расширен более чем в 7,5 раз, а изменение коэффициентов преобразования от температуры снижено не менее чем в 5,7 раз. При дистанционном контроле работоспособности акселерометра по сравнению с результатами, полученными по стандартным методикам, относительная погрешность измерения коэффициентов преобразования не превысила ±2,3%, а частоты установочного резонанса 0,6%. Полученные экспериментальные данные подтверждают полезность предложенной модели и возможность ее промышленного применения в качестве средства измерения.
Источники информации:
1. RU 2113715, МПК G01P 15/09, G01H 11/08, опубл. 20.06.1998) [1].
2.RU 2099678, МПК G01L 9/08, G01L 23/10, H03B 5/32, опубл. 20.12.1997.
3. RU 2358244, МПК G01H 11/08, G01R 29/22, опубл. 10.06.2009.
4. RU 2538034, МПК G01H 11/08, опубл. 27.08.2014.
5. Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры). // (Монография). Пьезоэлектрическое приборостроение. Т. 7. - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2010. 304 с. Стр. 185-188).
6. Янчич В.В., Джения Д.В., Янчич Вл.В. Пьезоэлектрические акселерометры с двумя динамическими и частотными диапазонами // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 3 (27). С. 127-134, стр. 131, рис. 3в.
7. Янчич В.В., Янчич Вл.В. Преобразователи пьезоэлектрических датчиков механических величин (конструкции и пути развития). Saarbrucken, Deutschland; LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 138 с. Стр. 131, рис. 4.21. - прототип.
Claims (1)
- Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, соединительный экранированный кабель, два согласующих зарядовых усилителя и пьезоэлемент в форме диска с центральным отверстием, состоящий из двух наполяризованных по толщине, жестко соединенных между собой пластин из пьезоэлектрической керамики с общим внутренним электродом между ними и шестью расположенными на плоских внешних поверхностях пьезоэлемента электродами, по крайней мере, один из которых имеет форму кольца, при этом два различные по площади электрода соединены с инвертирующими входами двух разных согласующих зарядовых усилителей, а два других электрода соединены с выходами этих усилителей, а общий внутренний электрод и один внешний электрод в форме кольца соединены с общим проводником согласующих зарядовых усилителей, отличающийся тем, что электрод с большей площадью соединен с инвертирующим входом первого зарядового усилителя, а электрод с меньшей площадью соединен с выходом этого усилителя, кольцевой электрод, расположенный в центре другой поверхности пьезоэлемента, соединен с инвертирующим входом второго зарядового усилителя, а второй от центра этой поверхности кольцевой электрод соединен с выходом этого усилителя, четвертый от центра этой поверхности кольцевой электрод через конденсатор постоянной емкости соединен с отдельным выводом для подключения к внешнему источнику переменного напряжения.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021114132U RU207514U1 (ru) | 2021-05-19 | 2021-05-19 | Пьезоэлектрический акселерометр |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021114132U RU207514U1 (ru) | 2021-05-19 | 2021-05-19 | Пьезоэлектрический акселерометр |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU207514U1 true RU207514U1 (ru) | 2021-10-29 |
Family
ID=78467152
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021114132U RU207514U1 (ru) | 2021-05-19 | 2021-05-19 | Пьезоэлектрический акселерометр |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU207514U1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3673442A (en) * | 1964-02-19 | 1972-06-27 | Hans Conrad Sonderegger | Temperature compensated piezoelectric accelerometer |
| US20120204644A1 (en) * | 2011-02-10 | 2012-08-16 | Denis Varak | Accelerometer for high temperature applications |
| RU2524743C2 (ru) * | 2012-11-06 | 2014-08-10 | Закрытое акционерное общество "Вибро-прибор" | Способ бездемонтажной поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя на месте эксплуатации |
| RU2627571C1 (ru) * | 2016-07-13 | 2017-08-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Пьезоэлектрический акселерометр |
-
2021
- 2021-05-19 RU RU2021114132U patent/RU207514U1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3673442A (en) * | 1964-02-19 | 1972-06-27 | Hans Conrad Sonderegger | Temperature compensated piezoelectric accelerometer |
| US20120204644A1 (en) * | 2011-02-10 | 2012-08-16 | Denis Varak | Accelerometer for high temperature applications |
| RU2524743C2 (ru) * | 2012-11-06 | 2014-08-10 | Закрытое акционерное общество "Вибро-прибор" | Способ бездемонтажной поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя на месте эксплуатации |
| RU2627571C1 (ru) * | 2016-07-13 | 2017-08-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Пьезоэлектрический акселерометр |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Янчич В.В., Джения Д.В., Янчич Вл.В. Пьезоэлектрические акселерометры с двумя динамическими и частотными диапазонами. Электроника, измерительная техника и радиотехника. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. N 3 (27). С. 127-134. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3185869A (en) | Transducer | |
| US3104334A (en) | Annular accelerometer | |
| US4085349A (en) | Piezo electric transducer for measuring instantaneous vibration velocity | |
| JPH0454165B2 (ru) | ||
| US3390286A (en) | Hermetically sealed instrument transducer with external sensitivity selection | |
| US6925878B2 (en) | Acceleration sensor | |
| RU207514U1 (ru) | Пьезоэлектрический акселерометр | |
| RU2603446C1 (ru) | Устройство для измерения давления и температуры | |
| CN111829648A (zh) | 一种压电式噪声传感器探头 | |
| US2879450A (en) | Pressure measuring device | |
| US7138808B2 (en) | Movable apparatus, a measuring apparatus, a capacitive distance sensing apparatus, and a positioning device | |
| JP2002157671A (ja) | センシングシステム | |
| CN114427888A (zh) | 双组压电陶瓷振动压力传感器 | |
| RU2715345C1 (ru) | Пьезоэлектрический измерительный преобразователь | |
| RU2813636C1 (ru) | Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности | |
| JPH03293565A (ja) | Ｐｗｍ静電サーボ式加速度計 | |
| RU2815862C1 (ru) | Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн | |
| RU2797312C1 (ru) | Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн | |
| CN219265544U (zh) | 一种波纹膜片式的压电压力传感器 | |
| Lally | Accelerometer Selection Considerations | |
| RU2281470C1 (ru) | Устройство для измерения звукового давления | |
| RU1798736C (ru) | Устройство дл измерени электрического потенциала зар женной поверхности | |
| SU1250888A1 (ru) | Устройство диагностики состо ни пар трени | |
| RU2456555C2 (ru) | Измеритель вибраций для экстремальных условий эксплуатации | |
| SU905671A1 (ru) | Датчик давлени |