RU2106642C1

RU2106642C1 - Piezoelectric accelerometer

Info

Publication number: RU2106642C1
Application number: RU96105598A
Authority: RU
Inventors: И.Б. Вишневский; В.Н. Зюзин; В.Н. Некрасов; Н.В. Краснописцев
Original assignee: Акционерное общество "Геоакустика"
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1998-03-10

Abstract

FIELD: measurement technology, measurement of vibrations and accelerations in various fields of science and technology. SUBSTANCE: proposed piezoelectric accelerometer has ring polarized piezoelement located between inertial mass and case which are joined along axis with the aid of threaded joint. Ring piezoelement polarized in radial direction is used in the capacity of piezoelement and metal electrodes are deposited on external and internal side surfaces of ring piezoelement. Employment of proposed accelerometer makes it possible to enhance its sensitivity and to simplify process of its manufacture. EFFECT: enhanced sensitivity of accelerometer and simplified process of its manufacture. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров вибраций и ускорений в различных областях техники. The invention relates to measuring technique and can be used to measure vibration and acceleration parameters in various fields of technology.

Известен пьезоэлектрический акселерометр, использующий продольно поляризованный пьезоэлемент в виде кольцевых шайб [1], нагруженных инерционной массой и соединенных с корпусом [1]. A known piezoelectric accelerometer using a longitudinally polarized piezoelectric element in the form of ring washers [1], loaded with an inertial mass and connected to the housing [1].

Недостатком известного акселерометра является недостаточно высокая чувствительность и сравнительно узкий рабочий диапазон прибора. A disadvantage of the known accelerometer is the insufficiently high sensitivity and the relatively narrow operating range of the device.

В качестве прототипа принят пьезоэлектрический акселерометр, содержащий кольцевой пьезоэлемент, поляризованный в радиальном направлении, и металлически электроды, нанесенные на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента, а также инерционную массу и корпус, между которыми расположен кольцевой пьезоэлемент [2]. As a prototype, a piezoelectric accelerometer is adopted, containing an annular piezoelectric element radially polarized and metal electrodes deposited on the outer and inner side surfaces of the annular piezoelectric element, as well as an inertial mass and a housing between which an annular piezoelectric element is located [2].

Недостатками прототипа является слабая помехозащищенность и низкая чувствительность акселерометра. The disadvantages of the prototype is poor noise immunity and low sensitivity of the accelerometer.

Ввиду небольшой ширины изоляционных слоев и относительно большой диэлектрической проницаемости пьезокерамики, паразитная емкость с C_n между корпусом и электродами значительная. Это в свою очередь приводит к большому значению синфазной составляющей помехи на выходе акселерометра, вызванной, например воздействием продольной помехи, величина которой, пропорциональна C_n.Due to the small width of the insulating layers and the relatively large dielectric constant of piezoceramics, the parasitic capacitance with C _n between the housing and the electrodes is significant. This in turn leads to a large value of the common-mode component of the noise at the output of the accelerometer, caused, for example, by the influence of longitudinal noise, the magnitude of which is proportional to C _n .

Кроме того большое значение C_n уменьшает чувствительность акселерометра по напряжению, поскольку полезный сигнал последнего делится емкостным делителем, образованным C_n и C_а - емкостью между электродами акселерометра, в отношении:
C_а/C_а + C_n.In addition, the large value of C _n reduces the sensitivity of the accelerometer by voltage, since the useful signal of the latter is divided by a capacitive divider formed by C _n and C _a - the capacitance between the electrodes of the accelerometer, in relation to:
C _a / C _a + C _n .

Технический эффект, получаемый от внедрения изобретения, заключается в уменьшении паразитной емкости между корпусом и электродами, что приводит к повышению помехозащищенности и чувствительности прибора. The technical effect obtained from the implementation of the invention is to reduce parasitic capacitance between the housing and the electrodes, which leads to increased noise immunity and sensitivity of the device.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем кольцевой пьезоэлемент, поляризованный в радиальном направлении и металлические электроды, нанесенные на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента, а также инерционную массу и корпус, между которыми расположен кольцевой пьезоэлемент, толщина S кольцевого пьезоэлемента и его высота H удовлетворяют соотношению:
H/S > d₃₃/d₃₁, (1)
где
d₃₃ и d₃₁ - пьезомодули материала пьезоэлемента в статическом режиме, при этом инерционный элемент и корпус изолирован от металлических электродов с помощью непроводящих прокладок, причем корпус, кольцевой пьезоэлемент и инерционная масса скреплены по оси акселерометра с помощью упругого стержня.This technical result is achieved due to the fact that in the known piezoelectric accelerometer containing an annular piezoelectric element radially polarized and metal electrodes deposited on the outer and inner side surfaces of the annular piezoelectric element, as well as the inertial mass and the housing between which the annular piezoelectric element is located, the thickness S of the annular piezoelectric element and its height H satisfy the relation:
H / S> d ₃₃ / d ₃₁ , (1)
Where
d ₃₃ and d ₃₁ - piezoelectric modules of the material of the piezoelectric element in static mode, while the inertial element and the housing are isolated from metal electrodes using non-conductive gaskets, and the housing, the annular piezoelectric element and the inertial mass are fastened along the axis of the accelerometer using an elastic rod.

В частном случае толщина S кольцевого пьезоэлемента и его высота H удовлетворяют соотношению:
H/S > 4, (2)
а средний диаметр D кольцевого пьезоэлемента и его толщина S удовлетворяют соотношению:
D/S > 10. (3)
Причем непроводящие прокладки могут быть выполнены из полиимидной пленки, пьезоэлемент - из пьезокерамики, а инерционный элемент и корпус - из одного материала, преимущественно нержавеющей стали.In a particular case, the thickness S of the annular piezoelectric element and its height H satisfy the relation:
H / S> 4, (2)
and the average diameter D of the annular piezoelectric element and its thickness S satisfy the ratio:
D / S> 10. (3)
Moreover, non-conductive gaskets can be made of a polyimide film, a piezoelectric element made of piezoceramics, and the inertial element and the housing can be made of the same material, mainly stainless steel.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства. The invention is illustrated in the drawing, which shows a General diagram of the device.

Пьезоэлектрический акселерометр содержит кольцевой поляризованный в радиальном направлении пьезоэлемент 1, с металлическими электродами 2, нанесенными на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента 1, расположенного между кольцевыми инерционными массой 3 и корпусом 4, скрепленными по оси с помощью упругого стержня, например, болта 5. The piezoelectric accelerometer contains an annular radially polarized piezoelectric element 1, with metal electrodes 2, deposited on the outer and inner side surfaces of the annular piezoelectric element 1, located between the annular inertial mass 3 and the housing 4, axially fastened with an elastic rod, for example, a bolt 5.

Акселерометр также содержит две кольцевые изоляционные прокладки 6, расположенные по торцам кольцевого пьезоэлемента 1, выполненного, например, из пьезокерамики. The accelerometer also contains two annular insulating gaskets 6 located at the ends of the annular piezoelectric element 1, made, for example, of piezoceramics.

Размеры S, D, H удовлетворяют неравенством (1-3), полученным в результате экспериментальных исследований и теоретических расчетов. The sizes S, D, H satisfy inequality (1-3) obtained as a result of experimental studies and theoretical calculations.

Кроме того в частном случае, целесообразно инерционную массу, упругий стержень и корпус выполнить из нержавеющей стали, а непроводящие прокладки - из полиимидной пленки. Это позволит дополнительно расширить диапазон рабочих температур акселерометра. In addition, in the particular case, it is advisable to inertial mass, the elastic rod and the housing are made of stainless steel, and non-conductive gaskets are made of a polyimide film. This will further expand the operating temperature range of the accelerometer.

Акселерометр работает следующим образом. The accelerometer works as follows.

Закрепляют корпус 4 на исследуемом изделии (элементы крепления на чертеже не показаны). Под действием ускорения на электродах 2 пьезоэлемента 1 появляется заряд, пропорциональный величине ускорения, который усиливается во вторичной аппаратуре и регистрируется (блоки вторичной и регистрирующей аппаратуры на чертеже не показаны). Fix the housing 4 on the test product (fasteners are not shown in the drawing). Under the action of acceleration, a charge appears in the electrodes 2 of the piezoelectric element 1, which is proportional to the magnitude of the acceleration, which is amplified in the secondary equipment and recorded (blocks of the secondary and recording equipment are not shown in the drawing).

При выполнении неравенства (1) и акселерометра чувствительность по заряду больше чем на прототипе приблизительно в
H • d₃₁/(S • d₃₁),
а также шире частотный диапазон за счет повышения частоты первого резонанса приблизительно в
S $\binom{E}{33}$ /S $\binom{E}{11}$ , ,
где
S $\binom{E}{33}$ и S $\binom{E}{11}$ - - упругие податливости пьезокерамики, определяемые при постоянном значении напряженности электрического поля E.When inequality (1) and the accelerometer are fulfilled, the charge sensitivity is greater than on the prototype at approximately
H • d ₃₁ / (S • d ₃₁ ),
and also a wider frequency range by increasing the frequency of the first resonance at approximately
S $\binom{E}{33}$ / S $\binom{E}{eleven}$ ,,
Where
S $\binom{E}{33}$ and S $\binom{E}{eleven}$ - - elastic compliance of piezoelectric ceramics, determined at a constant value of the electric field E.

Одновременно повышается помехозащищенность акселерометра, особенно при выполнении неравенств (2, 3). At the same time, the noise immunity of the accelerometer increases, especially when inequalities are fulfilled (2, 3).

Claims

1. A piezoelectric accelerometer containing an annular piezoelectric element radially polarized and metal electrodes deposited on the outer and inner side surfaces of the annular piezoelectric element, as well as an inertia element and a housing between which the annular piezoelectric element is located, characterized in that the thickness of the annular piezoelectric element S and its height H satisfy the relation
H / S> d ₃ ₃ / d ₃ ₁ ,
where d ₃ ₃ and d ₃ ₁ are the piezoelectric modules of the piezoelectric material in the static mode, the inertial element and the housing are made of the same material isolated from metal electrodes using non-conductive gaskets, while the ring piezoelectric body and the inertial mass are fastened along the axis of the accelerometer using an elastic rod .

2. The accelerometer according to claim 1, characterized in that the thickness S of the annular piezoelectric element and its height H satisfy the ratio
H / S> 4.

3. The accelerometer according to claim 1, characterized in that the average diameter D of the annular piezoelectric element and its thickness S satisfy the ratio
D / S> 10.

4. The accelerometer according to claim 1, characterized in that the inertial element and the housing are made of stainless steel, the non-conductive gaskets are made of a polyimide film, and the piezoelectric element is made of piezoceramics.