RU2129290C1 - Infralow-frequency three-component piezoelectric acceleration transducer - Google Patents
Infralow-frequency three-component piezoelectric acceleration transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2129290C1 RU2129290C1 RU97107161A RU97107161A RU2129290C1 RU 2129290 C1 RU2129290 C1 RU 2129290C1 RU 97107161 A RU97107161 A RU 97107161A RU 97107161 A RU97107161 A RU 97107161A RU 2129290 C1 RU2129290 C1 RU 2129290C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- housing
- channel
- piezoelectric
- section
- frequency
- Prior art date
Links
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к сейсмометрии, в частности к устройствам для преобразования сейсмических колебаний в электрические сигналы, а также может быть использовано для измерения вибрации сооружений и конструкции. The invention relates to seismometry, in particular to devices for converting seismic vibrations into electrical signals, and can also be used to measure vibration of structures and structures.
Известен трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик, который представляет собой три однокомпонентных датчика, объединенных в одном корпусе. Это сложное дорогостоящее устройство, обладающее значительной массой и габаритами (авт. св. N 1057910, G 01 V 1/16, публ. 30.11.83 г., б. N 14). Known three-component piezoelectric sensor, which is a three-component sensor combined in one housing. This is a complex and expensive device with significant weight and dimensions (ed. St. N 1057910, G 01 V 1/16, publ. 30.11.83, B. N 14).
Известен трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр, содержащий три пары пьезоэлементов, оси чувствительности которых расположены по трем взаимно-перпендикулярным направлениям, систему центровки инертной массы с толкателями и пружинами. Это устройство сложно в изготовлении и при настройке, неустойчиво в работе, имеет низкую точность измерений (авт. св. N 397868, МКИ G 01 V 1/16, публ. 17.09.73, БИ N 37). Known three-component piezoelectric seismometer containing three pairs of piezoelectric elements, the sensitivity axis of which are located in three mutually perpendicular directions, the centering system of the inert mass with pushers and springs. This device is difficult to manufacture and set up, unstable in operation, has low measurement accuracy (ed. St. N 397868, MKI G 01 V 1/16, publ. 17.09.73, BI N 37).
Наиболее близким к заявляемому устройству, прототипом, является трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик ускорений, содержащий корпус, жидкостную инертную массу, в этом устройстве пьезоэлектрические пластины расположены попарно по нормали к трем ортогональным осям, ограничивая полость, заполненную под давлением жидкостью (авт. св. N 188767, G 01 P, публ. 10.12.66 г. БИ N 22). The closest to the claimed device, the prototype is a three-component piezoelectric acceleration sensor containing a housing, a liquid inert mass, in this device the piezoelectric plates are arranged in pairs normal to three orthogonal axes, limiting the cavity filled with liquid under pressure (ed. St. N 188767, G 01 P, publ. 10.12.66, BI N 22).
К недостаткам этого устройства относится низкая точность измерений вследствие отсутствия надежного механизма термокомпенсации, т.к. порядок коэффициентов объемного расширения металлического корпуса, деталей к нему примыкающих, частично выполняющих роль термокомпенсационных элементов, и жидкостной инертной массы, разный. В результате датчик работает в очень узком температурном диапазоне. Эксплуатация его в более широком диапазоне приводит к значительным нелинейным искажениям в работе пьезопреобразователей. К недостаткам следует отнести большое значение поперечной, "паразитной", чувствительности в неизмеряемых направлениях. Точность измерений снижается из-за взаимных влияний компонент вибрации по общей электрической линии, соединяющей одну из обкладок пьезоэлементов (фиг. 2 прототипа). The disadvantages of this device include low measurement accuracy due to the lack of a reliable thermal compensation mechanism, because the order of the volume expansion coefficients of the metal casing, parts adjacent to it, partially fulfilling the role of thermocompensating elements, and liquid inert mass, is different. As a result, the sensor operates in a very narrow temperature range. Its operation in a wider range leads to significant nonlinear distortions in the operation of piezoelectric transducers. The disadvantages include the great importance of transverse, "spurious" sensitivity in unmeasured directions. The measurement accuracy is reduced due to the mutual influence of the vibration components along a common electric line connecting one of the piezoelectric plates (Fig. 2 of the prototype).
Острорезонансный характер АЧХ прототипа, связанный с отсутствием требуемого затухания, приводит к снижению надежности датчика и точности измерения. The acute resonance nature of the frequency response of the prototype, associated with the lack of the required attenuation, leads to a decrease in the reliability of the sensor and the accuracy of the measurement.
Задачей заявляемого технического решения является повышение его точности и надежности, а также расширение температурного и частотного диапазона. The objective of the proposed technical solution is to increase its accuracy and reliability, as well as expanding the temperature and frequency range.
Поставленная задача решается следующим образом. The problem is solved as follows.
В инфранизкочастотном трехкомпонентном пьезоэлектрическом датчике ускорений, содержащем корпус, жидкостную инертную массу и пьезопреобразователи, расположенные по нормалям к трем ортогональным осям, введены термокомпенсаторы, а жидкостная инертная масса заключена в отдельных полостях, выполненных в корпусе по трем ортогональным осям, причем каждая из полостей ограничена с одной стороны пьезопреобразователем, состоящим из пьезоэлемента, установленного на мембране, изолированной от корпуса диэлектрической прокладкой, а с противоположной - термокомпенсатором, выполненным в виде упругого элемента, при этом каждый преобразователь и термокомпенсатор образует воздушный зазор с корпусом, в котором выполнено отверстие, выравнивающее давление, а полости, в которых заключена жидкостная инертная масса, связаны между собой каналами, эффективные сечения которых выбраны из условия
где rL - радиус сечения канала;
L - длина канала;
R - радиус сечения полости;
μ _ динамическая вязкость жидкости;
Wр - круговая частота резонансных колебаний;
m - масса жидкости в полости и канале;
rкап - радиуса сечения капилляра канала;
K - жесткость мембраны и упругого элемента.Thermal compensators are introduced in the infra-low-frequency three-component piezoelectric acceleration sensor containing a housing, a liquid inert mass, and piezoelectric transducers located normal to the three orthogonal axes, and the liquid inert mass is enclosed in separate cavities made in the housing along three orthogonal axes, each of which one side of the piezoelectric transducer, consisting of a piezoelectric element mounted on a membrane insulated from the housing by a dielectric gasket, and with a counter the method is a temperature compensator made in the form of an elastic element, with each transducer and temperature compensator forming an air gap with a housing in which a hole is made to equalize the pressure, and the cavities in which the liquid inert mass is enclosed are interconnected by channels whose effective sections are selected from terms
where r L is the radius of the cross section of the channel;
L is the length of the channel;
R is the radius of the cross section of the cavity;
μ _ dynamic fluid viscosity;
W p - circular frequency of resonant oscillations;
m is the mass of fluid in the cavity and channel;
r cap - the radius of the cross section of the channel capillary;
K is the stiffness of the membrane and the elastic element.
Отличительными признаками устройства являются:
жидкостная инертная масса заключена в полостях, выполненных в корпусе по трем ортогональным осям, причем в качестве корпуса может быть выбрана любая геометрическая форма тела вращения, в которой возможно выполнить полости, если при этом не нарушается монолитность корпуса, выполненного в виде одной детали. Допускается возможность использования технологии литья корпуса, что упрощает процесс изготовления датчика;
- введение термокомпенсатора уменьшает статический температурный прогиб мембраны с пьезопреобразователем, что снижает нелинейные искажения, повышает точность измерения, расширяет рабочий температурный диапазон;
- выполнение пьезопреобразователя в виде упругой мембраны, связанной с пьезоэлементом в виде тонкой пластины, позволяет расширить диапазон рабочих частот в область инфранизких частот, увеличить его чувствительность, приблизив ее к чувствительности биоморфа;
- для защиты пьезоэлемента от акустических и электрических помех каждый пьезопреобразователь и термокомпенсатор образует воздушный зазор с корпусом, в котором выполнено отверстие, выравнивающее давление, что позволяет также исключить искажения, связанные с перепадом давления воздуха от температуры, а для исключения взаимных влияний компонент вибрации пьезопреобразователи изолированы от корпуса посредством диэлектрических прокладок;
- введение каналов, связывающих полости, выполненных с условием (1), позволяет скорректировать амплитудно-частотную характеристику в сторону ее расширения, снизить влияние резонансной частоты и частот, к ней примыкающих, на полезный регистрируемый сигнал, повысить надежность датчика, уменьшить поперечную чувствительность.Distinctive features of the device are:
the liquid inert mass is enclosed in cavities made in the housing along three orthogonal axes, and any geometric shape of the body of revolution can be selected as the housing, in which it is possible to make cavities if the solidity of the housing made in the form of one part is not violated. The possibility of using housing casting technology is allowed, which simplifies the manufacturing process of the sensor;
- the introduction of a temperature compensator reduces the static temperature deflection of the membrane with a piezoelectric transducer, which reduces non-linear distortions, increases the accuracy of measurements, extends the operating temperature range;
- the implementation of the piezoelectric transducer in the form of an elastic membrane associated with the piezoelectric element in the form of a thin plate, allows you to expand the range of operating frequencies in the region of infra-low frequencies, increase its sensitivity, bringing it closer to the sensitivity of the biomorph;
- to protect the piezoelectric element from acoustic and electrical noise, each piezoelectric transducer and temperature compensator forms an air gap with a housing in which a hole is made to equalize the pressure, which also eliminates distortions associated with the difference in air pressure from temperature, and to exclude mutual influences of the vibration components of the piezoelectric transducers are isolated from the housing by means of dielectric gaskets;
- the introduction of channels connecting the cavities, fulfilled with condition (1), allows you to adjust the amplitude-frequency characteristic in the direction of its expansion, reduce the influence of the resonant frequency and the frequencies adjacent to it on the useful recorded signal, increase the reliability of the sensor, and reduce the transverse sensitivity.
Из изученной научно-технической и патентной литературы не известно о существовании технического решения с перечисленной совокупностью признаков. Это дает основание сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критериям изобретения. From the studied scientific, technical and patent literature, it is not known about the existence of a technical solution with the listed set of features. This gives reason to conclude that the claimed object meets the criteria of the invention.
На чертеже представлен один из вариантов общего вида инфранизкочастотного трехкомпонентного пьезоэлектрического датчика ускорения с корпусом в виде куба. В разрезе показаны две компоненты вибрации - X и Z компоненты. The drawing shows one of the options for the General view of the infra-low-frequency three-component piezoelectric acceleration sensor with a cube-shaped body. The section shows two components of vibration - X and Z components.
В датчике на чертеже жидкостная инертная масса 1 заключена в полостях 2 и каналах 3, выполненных в корпусе 4 по трем ортогональным осям. Каждая из полостей 2 ограничена с одной стороны термокомпенсатором 5, выполненным в виде колпачковой мембраны 6 с установленным на ней пьезоэлементом 7, изолированным от корпуса 4 диэлектрической прокладкой 8. Для заполнения полостей 2 жидкостью в корпусе выполнено технологическое отверстие 9, в котором установлен винт-заглушка 10. Воздушные зазоры 11, образованные в соответствующих полостях пьезопреобразователем и термокомпенсатором, сообщаются с окружающей средой посредством отверстий 12, выполненных над ними в корпусе 4. In the sensor in the drawing, the liquid inert mass 1 is enclosed in cavities 2 and channels 3 made in the housing 4 along three orthogonal axes. Each of the cavities 2 is limited on one side by a thermal compensator 5, made in the form of a cap membrane 6 with a piezoelectric element 7 installed on it, insulated from the housing 4 by a dielectric gasket 8. To fill the cavities 2 with liquid in the housing, a technological hole 9 is made in which a plug screw is installed 10. The air gaps 11 formed in the respective cavities by the piezoelectric transducer and thermal compensator communicate with the environment through holes 12 made above them in the housing 4.
Работает датчик следующим образом. При перемещении корпуса 4 вместе с объектом, на котором он установлен, жидкостная инертная масса 1 в силу своих инерционных свойств начинает перемещаться относительно корпуса 4 в полостях 2 и каналах 3 и воздействует на упругие элементы термокомпенсаторов и пьезопреобразователей, заставляя их деформироваться, прогибаться. В результате на обкладках пьезоэлементов 7 образуется напряжение, определенным образом характеризующее входное воздействие. Если входной сигнал действует строго вдоль одной из компонент вибрации, то жидкость, движущаяся в канале, захватывает жидкость соседних каналов, что приводит к возникновению паразитного сигнала на пьезопреобразователях в неизмеряемых направлениях. Однако величина этого сигнала в предлагаемом устройстве меньше, чем у прототипа, и определяется малым сечением выбираемого канала и должно быть меньше сечений полостей 2, которые они соединяют, при этом радиус сечения каналов выбирается в соответствии с формулой (1). The sensor operates as follows. When moving the housing 4 together with the object on which it is mounted, the liquid inert mass 1, due to its inertial properties, begins to move relative to the housing 4 in the cavities 2 and channels 3 and acts on the elastic elements of the temperature compensators and piezoelectric transducers, causing them to deform and bend. As a result, a voltage is generated on the plates of the piezoelectric elements 7, which characterizes the input action in a certain way. If the input signal acts strictly along one of the vibration components, then the fluid moving in the channel captures the fluid of neighboring channels, which leads to the appearance of a spurious signal on the piezoelectric transducers in unmeasured directions. However, the magnitude of this signal in the proposed device is less than that of the prototype, and is determined by the small cross section of the selected channel and should be less than the cross sections of the cavities 2 that they connect, while the radius of the cross section of the channels is selected in accordance with formula (1).
Условия выбора сечения каналов. The conditions for selecting the cross section of the channels.
Сечение каждого из каналов не может быть равно сечению капилляра материала, из которого выполнен корпус, т.к. это нарушает нормальную работу датчика. Канал препятствует перетоку жидкости, начиная с резонансной частоты Wр и выше, и не препятствует на частотах ниже WВ - верхняя граничная частота рабочего диапазона, при Wр>WВ.The cross section of each channel cannot be equal to the cross section of the capillary of the material from which the housing is made, because this disrupts the normal operation of the sensor. The channel prevents liquid overflow, since W p and the resonance frequency is higher and does not interfere at frequencies below W B - upper limiting frequency of the operating range when W p> W B.
При этом соотношение сил, действующих в канале, должно удовлетворять условию
Fин<Fсопр, (2)
где Fсопр - сила сопротивления, возникающая в канале на частотах выше WВ при протекании через него жидкости;
Fин - сила инерции со стороны жидкости и восстанавливающаяся сила со стороны упругих элементов, воздействующих на жидкость при их деформации.Moreover, the ratio of forces acting in the channel must satisfy the condition
F yn <F sopr , (2)
where F sopr is the resistance force arising in the channel at frequencies above W B when fluid flows through it;
F in - the force of inertia from the side of the liquid and the recovering force from the side of the elastic elements acting on the liquid during their deformation.
В общем виде выражение для силы Fин может быть представлено в виде /Иориш Ю.И. "Виброметрия". - М.: Машгиз. с. 139, 1962/:
Fин = (mAW2 + KкмA)sinWt (3)
где m - масса жидкости, заключенная в полости и канале;
K - жесткость пьезопреобразователя и термокомпенсатора;
W - круговая частота;
A - амплитуда возбуждаемых колебаний;
sinWt - закон, по которому происходит смещение жидкости.In general, the expression for the force F in can be represented as / Iorish Yu.I. "Vibrometry". - M .: Mashgiz. with. 139, 1962 /:
F in = (mAW 2 + K km A) sinWt (3)
where m is the mass of fluid enclosed in the cavity and channel;
K is the stiffness of the piezoelectric transducer and temperature compensator;
W is the circular frequency;
A is the amplitude of the excited oscillations;
sinWt is the law by which fluid displacement occurs.
Из сил сопротивления, действующих в канале, достаточно для практических расчетов ограничиться силой вязкого сопротивления, имеющих вид /Иориш Ю.И. "Виброметрия". - М.: Машгиз. с. 142, 1962/:
где μ - динамическая вязкость жидкости;
rL - радиус сечения канала;
R - радиус сечения полости;
L - длина канала.From the resistance forces acting in the channel, it is enough for practical calculations to limit oneself to the force of viscous resistance, having the form / Iorish Yu.I. "Vibrometry". - M .: Mashgiz. with. 142, 1962 /:
where μ is the dynamic viscosity of the liquid;
r L is the radius of the cross section of the channel;
R is the radius of the cross section of the cavity;
L is the length of the channel.
Подставляя выражение сил в неравенство (2) и учитывая поставленные условия (1), получим выражение, позволяющее уточнить один из наиболее важных конструктивных параметров устройства, которое является исходным для определения сечения канала:
Испытания опытного образца заявляемого устройства показали следующие результаты. При использовании в качестве пьезоэлементов тонких пластин, отличающихся большой собственной емкостью до 100 МФ и более, позволило расширить диапазон рабочих частот датчика в область инфранизких частот до 0,005 Гц.Substituting the expression of forces into inequality (2) and taking into account the set conditions (1), we obtain an expression that allows us to clarify one of the most important design parameters of the device, which is the initial one for determining the channel cross section:
Tests of a prototype of the claimed device showed the following results. When using thin plates as piezoelectric elements, characterized by a large intrinsic capacity of up to 100 MF or more, it was possible to expand the range of operating frequencies of the sensor in the region of infralow frequencies to 0.005 Hz.
Нелинейные искажения составили 0,1% при работе в температурном диапазоне от -30oC до +50oC, при этом поперечная чувствительность в неизмеряемых направлениях не превысила 1% по отношению к максимальной.Nonlinear distortion was 0.1% when operating in the temperature range from -30 o C to +50 o C, while the transverse sensitivity in unmeasured directions did not exceed 1% with respect to the maximum.
Claims (1)
где ri - радиус сечения канала;
L - длина канала;
R - радиус сечения полости;
μ _ динамическая вязкость жидкости;
Wp - круговая частота резонансных колебаний;
m - масса жидкости в полости и канале;
rкап - радиус сечения капилляра канала;
K - жесткость мембраны и упругого элемента.An infra-low-frequency three-component piezoelectric acceleration sensor containing a housing, a liquid inert mass and piezoelectric transducers arranged normal to three orthogonal axes, characterized in that temperature compensators are introduced into it, and a liquid inert mass is enclosed in separate cavities made in the housing along three orthogonal axes each cavity is bounded on one side by a piezoelectric transducer consisting of a piezoelectric element mounted on a membrane insulated from the dielectric housing rokladka, and with the opposite - thermal compensator, made in the form of an elastic element, each piezoelectric transducer and thermal compensator forms an air gap with a housing in which a hole is made to equalize the pressure, and the cavities in which the liquid inert mass is enclosed are connected by channels, effective whose cross section is selected from condition I
where r i is the radius of the channel section;
L is the length of the channel;
R is the radius of the cross section of the cavity;
μ _ dynamic fluid viscosity;
W p is the circular frequency of resonant oscillations;
m is the mass of fluid in the cavity and channel;
r cap is the radius of the cross section of the channel capillary;
K is the stiffness of the membrane and the elastic element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97107161A RU2129290C1 (en) | 1997-04-28 | 1997-04-28 | Infralow-frequency three-component piezoelectric acceleration transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97107161A RU2129290C1 (en) | 1997-04-28 | 1997-04-28 | Infralow-frequency three-component piezoelectric acceleration transducer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2129290C1 true RU2129290C1 (en) | 1999-04-20 |
| RU97107161A RU97107161A (en) | 1999-05-20 |
Family
ID=20192559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU97107161A RU2129290C1 (en) | 1997-04-28 | 1997-04-28 | Infralow-frequency three-component piezoelectric acceleration transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2129290C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634327C1 (en) * | 2016-10-13 | 2017-10-25 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ | Device for monitoring technical condition of robotyzed complex engine |
-
1997
- 1997-04-28 RU RU97107161A patent/RU2129290C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634327C1 (en) * | 2016-10-13 | 2017-10-25 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ | Device for monitoring technical condition of robotyzed complex engine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4517841A (en) | Accelerometer with beam resonator force transducer | |
| EP2643702B1 (en) | Resonant biaxial accelerometer structure of the microelectromechanical type | |
| EP1216418B1 (en) | Highly sensitive accelerometer | |
| US3405559A (en) | Pressure transducer | |
| US7673515B2 (en) | Vibration sensor | |
| US3465597A (en) | Vibrating-column accelerometer | |
| US4346597A (en) | Dual range, cantilevered mass accelerometer | |
| KR20030097874A (en) | Accelerometer strain relief structure | |
| US4333342A (en) | Fluid damped saw accelerometer | |
| US4446394A (en) | Linearizing mechanism for a vibrating beam force transducer | |
| US4091679A (en) | Vibrating quartz accelerometer | |
| EP0340476B1 (en) | Acceleration sensor | |
| RU2129290C1 (en) | Infralow-frequency three-component piezoelectric acceleration transducer | |
| JP4929435B2 (en) | Pressure transducer | |
| US4515016A (en) | Elastic surface wave accelerometers | |
| JPH07500424A (en) | Device for measuring physical properties of fluids | |
| US4458343A (en) | High dynamic compliance hydrophone with hydrostatic pressure balancing | |
| US4208737A (en) | Low frequency inertia balanced dipole hydrophone | |
| RU2060506C1 (en) | Differential accelerometer | |
| SU1270593A1 (en) | Piezoelectric pressure transducer | |
| RU2076341C1 (en) | Geophone | |
| US3293920A (en) | Omnidirectional acceleration device | |
| CA1108744A (en) | Low frequency inertia balanced dipole hydrophone | |
| SU1117552A1 (en) | Wide-band geophone | |
| SU1742732A1 (en) | Measuring vibration converter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080429 |