RU2382990C1 - Detector of mechanical oscillations - Google Patents

Detector of mechanical oscillations Download PDF

Info

Publication number
RU2382990C1
RU2382990C1 RU2008134317/28A RU2008134317A RU2382990C1 RU 2382990 C1 RU2382990 C1 RU 2382990C1 RU 2008134317/28 A RU2008134317/28 A RU 2008134317/28A RU 2008134317 A RU2008134317 A RU 2008134317A RU 2382990 C1 RU2382990 C1 RU 2382990C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plates
pairs
sensor
piezoceramic
housing
Prior art date
Application number
RU2008134317/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Алексеевич Сперанский (RU)
Анатолий Алексеевич Сперанский
Константин Львович Захаров (RU)
Константин Львович Захаров
Александр Альфредович Цернант (RU)
Александр Альфредович Цернант
Леонид Сергеевич Орбачевский (RU)
Леонид Сергеевич Орбачевский
Олег Владимирович Морозов (RU)
Олег Владимирович Морозов
Original Assignee
Анатолий Алексеевич Сперанский
Константин Львович Захаров
Александр Альфредович Цернант
Леонид Сергеевич Орбачевский
Олег Владимирович Морозов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Анатолий Алексеевич Сперанский, Константин Львович Захаров, Александр Альфредович Цернант, Леонид Сергеевич Орбачевский, Олег Владимирович Морозов filed Critical Анатолий Алексеевич Сперанский
Priority to RU2008134317/28A priority Critical patent/RU2382990C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2382990C1 publication Critical patent/RU2382990C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention is related to detectors of mechanical oscillations, in particular to detectors of vibrations or detectors of accelerations. Detector of mechanical oscillations includes body with several piezoceramic plates inside, which are installed on body walls in a cantilever manner. Three pairs of piezoceramic plates are installed in mutually perpendicular planes, at the same time plates of each of pairs are installed in a cantilever manner on opposite sides symmetrically versus planes of other pairs arrangement.
EFFECT: provision of simultaneous measurement of linear oscillations in arbitrary direction versus detector and rotary mechanical oscillations in space versus arbitrary axis.
4 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к датчикам механических колебаний, в частности к датчикам вибраций или датчикам ускорений.The invention relates to sensors of mechanical vibrations, in particular to vibration sensors or acceleration sensors.

Уровень техникиState of the art

Известен датчик механических колебаний, патентная заявка Японии JP 57139664, опубликованная 29.08.1982, включающий корпус с несколькими пьезокерамическими пластинами внутри, установленными консольно на стенках корпуса с возможностью подключения к внешнему устройству обработки электрических сигналов, образуемых при изгибах пьезокерамических пластин.A known mechanical vibration sensor, Japanese patent application JP 57139664, published on 08/29/1982, comprising a housing with several piezoceramic plates inside mounted cantilever on the walls of the housing with the ability to connect to an external device for processing electrical signals generated by bending of piezoceramic plates.

Этот известный датчик не обеспечивает выявление и измерение вращательных механических колебаний и линейных механических колебаний в произвольном направлении относительно него.This known sensor does not provide for the detection and measurement of rotational mechanical vibrations and linear mechanical vibrations in an arbitrary direction relative to it.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технический результат, достигаемый в заявленном датчике механических колебаний, заключается в способности одновременного выявления и обеспечения измерения линейных колебаний (ускорений) в произвольном относительно датчика направлении и вращательных механических колебаний (угловых ускорений) в пространстве относительно произвольной (любой) оси (датчика).The technical result achieved in the claimed sensor of mechanical vibrations consists in the ability to simultaneously detect and provide measurements of linear vibrations (accelerations) in an arbitrary direction relative to the sensor and rotational mechanical vibrations (angular accelerations) in space relative to an arbitrary (any) axis (sensor).

Указанный технический результат достигается в датчике механических колебаний, включающем корпус с несколькими пьезокерамическими пластинами внутри, установленными консольно на стенках корпуса с возможностью подключения к внешнему устройству обработки электрических сигналов, образуемых при изгибах пьезокерамических пластин, при этом три пары пьезокерамических пластин расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, пластины каждой из пар (находящиеся в одной плоскости) установлены консольно с противоположных сторон (на противоположных стенках корпуса) симметрично относительно плоскостей расположения других пар.The specified technical result is achieved in a mechanical vibration sensor, including a housing with several piezoceramic plates inside, mounted cantilever on the walls of the housing with the ability to connect to an external device for processing electrical signals generated by bending of piezoceramic plates, while three pairs of piezoceramic plates are located in mutually perpendicular planes, the plates of each of the pairs (located in the same plane) are mounted cantilever from opposite sides (on the opposite bying walls of the housing) symmetrically relative to the plane of arrangement of other pairs.

Симметричная установка пары пьезокерамических пластин в одной плоскости позволяет из сравнения электрических сигналов разделять сигналы, вызванные линейным ускорением, в направлении, перпендикулярном плоскости расположения этой пары, и сигналы, вызванные угловым ускорением при вращательном движении датчика (относительно оси, перпендикулярной продольной плоскости симметрии этой пары). А симметрия каждой из трех пар пьезокерамических пластин относительно двух перпендикулярных им плоскостей расположения других двух пар обеспечивает определение векторов линейного ускорения и углового ускорения, благодаря независимости сигналов каждой пары пластин от сигналов других пар пластин.The symmetric installation of a pair of piezoceramic plates in one plane allows the separation of signals caused by linear acceleration in the direction perpendicular to the plane of location of this pair and signals caused by angular acceleration during the rotational movement of the sensor (relative to an axis perpendicular to the longitudinal plane of symmetry of this pair) from a comparison of electrical signals . And the symmetry of each of the three pairs of piezoceramic plates relative to the two planes of the other two pairs perpendicular to them ensures the determination of linear acceleration and angular acceleration vectors, due to the independence of the signals of each pair of plates from the signals of other pairs of plates.

Пьезокерамические пластины целесообразно подбирать (выполнять) с одинаковыми размерами (параметрами) и располагать на одинаковом расстоянии друг от друга. Это позволит обеспечить одинаковость сигналов от каждой пары пластин при одинаковом воздействии.It is advisable to select (perform) piezoceramic plates with the same dimensions (parameters) and arrange them at the same distance from each other. This will ensure the uniformity of signals from each pair of plates with the same impact.

Установка пьезокерамических пластин внутри корпуса позволяет предохранить пьезокерамические пластины от внешних воздействий и обеспечивает беспрепятственную установку датчика на изделии, механические колебания (вибрации) которого необходимо выявить или измерить.The installation of piezoceramic plates inside the housing allows you to protect the piezoceramic plates from external influences and provides unhindered installation of the sensor on the product, the mechanical vibrations (vibrations) of which must be detected or measured.

Пьезокерамические пластины могут быть выполнены биморфными.Piezoceramic plates may be bimorphic.

Пьезокерамические пластины могут быть установлены в пазах стенок корпуса, выполненного в виде полого металлического куба.Piezoceramic plates can be installed in the grooves of the walls of the housing, made in the form of a hollow metal cube.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 представлена схема расположения трех пар пьезокерамических пластин в корпусе.Figure 1 presents the arrangement of three pairs of piezoceramic plates in the housing.

На фиг.2 представлена схема установки одной из пар пьезокерамических пластин в корпусе.Figure 2 presents the installation diagram of one of the pairs of piezoceramic plates in the housing.

На фиг.3 и фиг.4 представлена схема устройства выявления линейного и/или углового ускорения с использованием одной из пар пьезокерамических пластин.Figure 3 and figure 4 presents a diagram of a device for detecting linear and / or angular acceleration using one of the pairs of piezoceramic plates.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Принцип действия существующих пьезоэлектрических датчиков основан на измерении проекции вектора линейного ускорения на измерительную ось датчика. Однако важно знать, во-первых, значения вектора линейного ускорения, а во-вторых, значения вектора углового ускорения изгибных колебаний. Простейшим примером влияния изгибных колебаний является быстрое разрушение проволоки при периодическом изгибе.The principle of operation of existing piezoelectric sensors is based on measuring the projection of the linear acceleration vector onto the measuring axis of the sensor. However, it is important to know, firstly, the values of the linear acceleration vector, and secondly, the values of the angular acceleration vector of bending vibrations. The simplest example of the effect of bending vibrations is the rapid destruction of the wire during periodic bending.

Согласно изобретению предлагается 6D-датчик механических колебаний, который позволяет одновременно измерять в малой области, практически в точке, шесть компонент параметров волнового механического поля - три линейных и три вращательных ускорения. Знание шести компонент вибрационного поля в двух соседних точках позволяет получить точное значение напряженно-деформированного состояния в материале, подвергающемся динамическому воздействию.According to the invention, a 6D mechanical vibration sensor is proposed, which allows simultaneously measuring in a small area, practically at a point, six components of the parameters of the wave mechanical field — three linear and three rotational accelerations. Knowing the six components of the vibration field at two neighboring points allows you to get the exact value of the stress-strain state in the material subjected to dynamic stress.

Датчик представляет собой полое тело в форме куба (фиг.1), в каждую грань которого вмонтирован наружным ребром чувствительный элемент - обычная или биморфная пьезокерамическая пластина.The sensor is a hollow body in the form of a cube (Fig. 1), in each face of which a sensing element is mounted - an ordinary or bimorph piezoceramic plate.

В плоскости XY закреплены пластины 1 и 2, в плоскостях XZ и YZ - другие две пары пластин. Поляризация противоположных пьезопластин каждой пары совпадает по направлению. Корпус приемника жестко крепится на вибрирующую поверхность объекта.Plates 1 and 2 are fixed in the XY plane, and the other two pairs of plates in the XZ and YZ planes. The polarization of the opposite piezoelectric plates of each pair coincides in direction. The receiver body is rigidly mounted on the vibrating surface of the object.

Датчик по всем трем координатам работает идентично, поэтому рассмотрим его работу в направлении одной из осей. На фиг.2 приведено расположение чувствительных элементов - пластин 1 и 2, используемых для измерения линейных вибраций в направлении оси Z.The sensor works identically in all three coordinates, so consider its work in the direction of one of the axes. Figure 2 shows the location of the sensitive elements - plates 1 and 2, used to measure linear vibrations in the direction of the Z axis.

Датчик работает следующим образом. При воздействии на датчик поступательных колебаний вдоль оси Z, пьезопластины 1 и 2 начинают изгибаться за счет инерции собственной массы в одну сторону, противоположную направлению ускорения корпуса датчика. Изгиб пьезопластин, показанный на фиг.3, вызывает появление электрических сигналов одинаковой полярности на электродах пьезопластин. Одинаковополярные сигналы +Dпост1 и +Dпост2, пропорциональные поступательному ускорению датчика, после усиления предварительными усилителями 3 и 4 подаются на сумматор 5. В этом случае, при линейной вибрации датчика вдоль оси Z, сигналы на сумматоре будет синхронно складываться, а измерение, при равенстве чувствительностей пластин, составит величину +2Dпост.The sensor operates as follows. When the sensor is driven by translational oscillations along the Z axis, piezo plates 1 and 2 begin to bend due to the inertia of their own mass in one direction, opposite to the direction of acceleration of the sensor housing. The bend of the piezoelectric plates, shown in figure 3, causes the appearance of electrical signals of the same polarity on the electrodes of the piezoelectric plates. The same-polar signals + D post 1 and + D post 2, proportional to the translational acceleration of the sensor, after amplification by the preamplifiers 3 and 4, are fed to the adder 5. In this case, with linear vibration of the sensor along the Z axis, the signals on the adder will synchronously add up, and the measurement , with equal sensitivity of the plates, will be + 2D post .

При воздействии углового ускорения вокруг оси Y пластины 1 и 2 будут изгибаться в противоположных относительно оси Z направлениях. Как следует из фиг.4, изгибные колебания вызывают на пластинах образование равных сигналов противоположного знака. Разнополярные сигналы -Dвращ1 и +Dвращ2, пропорциональные вращательному движению датчика, после усиления предварительными усилителями 3 и 4 подаются одновременно на сумматор 5 и устройство вычитания сигналов 6, при этом получаем следующий результат при равенстве сигналов от пластин 1 и 2: сигнал на выходе сумматора будет равен нулю, а сигнал на выходе устройства вычитания удвоится. В этом случае, при крутильных колебаниях датчика вокруг оси Y разнополярные сигналы пластин 1 и 2 будут синхронно вычитаться, и измерение составит величину ±2Dвращ.When exposed to angular acceleration around the Y axis, plates 1 and 2 will bend in opposite directions with respect to the Z axis. As follows from figure 4, bending vibrations cause the formation of equal signals of the opposite sign on the plates. Bipolar signals -D rotate 1 and + D rotate 2, proportional to the rotational movement of the sensor, after amplification by the preliminary amplifiers 3 and 4 are fed simultaneously to the adder 5 and the signal subtraction device 6, and we obtain the following result when the signals from the plates 1 and 2 are equal: the signal at the output of the adder will be zero, and the signal at the output of the subtraction device will double. In this case, during torsional vibrations of the sensor around the Y axis, the bipolar signals of plates 1 and 2 will be synchronously subtracted, and the measurement will be ± 2D rotation .

Таким образом, при одновременном поступательном и вращательном колебательных движениях датчика на выходе сумматора измеряется сигнал, пропорциональный поступательному движению датчика в направлении оси Z, а на выходе устройства вычитания измеряется сигнал, пропорциональный вращательному движению датчика вдоль оси Y.Thus, with simultaneous translational and rotational vibrational movements of the sensor at the output of the adder, a signal proportional to the translational movement of the sensor in the Z axis direction is measured, and a signal proportional to the rotational movement of the sensor along the Y axis is measured at the output of the subtraction device.

По двум другим осям Y и X приемника работа происходит аналогично, что отражено в таблице.The work on the other two axes Y and X of the receiver is similar, as shown in the table.

ТаблицаTable измерениеmeasurement чувствительный элементsensing element тип измеряемого воздействияtype of measured impact суммированиеsummation вычитаниеsubtraction поступательное, вдоль осиprogressive, along the axis вращательное, вокруг осиrotational, about an axis ZZ YY XX YY XX ZZ 2DZпост 2D Zpost 2DYвращ 2D Return 1Z1Z +Dпост + D post 00 00 -Dвращ -D rotation 00 00 2Z2Z +Dпост + D post 00 00 +Dвращ + D rotation 00 00 2DYпост 2D Post 2DXвращ 2D hrv 3Y3Y 00 +Dпост + D post 00 00 -Dвращ -D rotation 00 4Y4Y 00 +Dпост + D post 00 00 +Dвращ + D rotation 00 2DXпост 2D Xpost 2DZвращ 2D ZRV 5X 00 00 +Dпост + D post 00 00 -Dвращ -D rotation 6X 00 00 +Dпост + D post 00 00 +Dвращ + D rotation

Материал корпуса датчика механических колебаний - нержавеющая сталь или титан, либо другой прочный, не подверженный низкочастотному резонансу материал, например стеклокерамика. Для шестикомпонентного датчика шесть стенок корпуса со смонтированными на них пластинами могут быть скреплены механически (винтовая фиксация клеевого соединения для низкочастотных датчиков, либо сварка для высокочастотных датчиков). Корпус может быть собран также из трех уголков или двух П-образных стенок, что увеличивает жесткость конструкции, но усложняет монтаж пластин.The body material of the mechanical vibration sensor is stainless steel or titanium, or another durable material, not subject to low-frequency resonance, such as glass ceramics. For a six-component sensor, six housing walls with plates mounted on them can be mechanically fastened (screw fixing of the adhesive joint for low-frequency sensors, or welding for high-frequency sensors). The housing can also be assembled from three corners or two U-shaped walls, which increases the rigidity of the structure, but complicates the installation of the plates.

Консольная конструкция крепления пластин осуществляется путем установки пластины в щель (прорезь в стенке) корпуса с фиксацией с помощью термореактивных полимеров или механических резьбовых прижимов. Для упрощения процедуры юстировки положения пластин в плоскостях, строго пересекающихся в центре куба, можно предварительно монтировать пластину в изолирующую оправку, которую, в свою очередь, можно более удобно крепить к стенке корпуса. Для подбора резонансной частоты и чувствительности датчика на пьезокерамических пластинах возможно крепление грузов.The cantilever design of the plate fastening is carried out by installing the plate in the slot (slot in the wall) of the housing with fixing using thermosetting polymers or mechanical threaded clamps. To simplify the procedure for adjusting the position of the plates in planes strictly intersecting in the center of the cube, you can pre-mount the plate in an insulating mandrel, which, in turn, can be more conveniently attached to the wall of the casing. To select the resonant frequency and sensitivity of the sensor on piezoceramic plates, cargo can be secured.

Все пьезокерамические пластины выполнены с одинаковыми размерами и одинаково закреплены. Каждая пара пластин сонаправленно поляризована.All piezoceramic plates are made with the same dimensions and equally fixed. Each pair of plates is polarized in the same direction.

Claims (4)

1. Датчик механических колебаний, включающий корпус с несколькими пьезокерамическими пластинами внутри, установленными консольно на стенках корпуса, отличающийся тем, что три пары пьезокерамических пластин расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом пластины каждой из пар установлены консольно с противоположных сторон симметрично относительно плоскостей расположения других пар.1. The sensor of mechanical vibrations, comprising a housing with several piezoceramic plates inside, mounted cantilever on the walls of the housing, characterized in that three pairs of piezoceramic plates are located in mutually perpendicular planes, while the plates of each pair are mounted cantilever from opposite sides symmetrically with respect to the other steam 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что пьезокерамические пластины биморфные.2. The sensor according to claim 1, characterized in that the piezoceramic plates are bimorph. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что все пьезокерамические пластины выполнены с одинаковыми размерами и установлены на одинаковом расстоянии друг от друга.3. The sensor according to claim 1, characterized in that all the piezoceramic plates are made with the same dimensions and are installed at the same distance from each other. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что пьезокерамические пластины установлены в пазах стенок корпуса, выполненного в виде полого металлического куба. 4. The sensor according to claim 1, characterized in that the piezoceramic plates are installed in the grooves of the walls of the housing, made in the form of a hollow metal cube.
RU2008134317/28A 2008-08-22 2008-08-22 Detector of mechanical oscillations RU2382990C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008134317/28A RU2382990C1 (en) 2008-08-22 2008-08-22 Detector of mechanical oscillations

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008134317/28A RU2382990C1 (en) 2008-08-22 2008-08-22 Detector of mechanical oscillations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2382990C1 true RU2382990C1 (en) 2010-02-27

Family

ID=42127916

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008134317/28A RU2382990C1 (en) 2008-08-22 2008-08-22 Detector of mechanical oscillations

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2382990C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2765333C1 (en) * 2021-06-15 2022-01-28 Общество с ограниченной ответственностью "ГлобалТест" Wireless 3-channel vibration sensor
RU2820169C1 (en) * 2023-07-17 2024-05-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) Device and method for evaluation of dynamic states of working members of vibration process machines

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2765333C1 (en) * 2021-06-15 2022-01-28 Общество с ограниченной ответственностью "ГлобалТест" Wireless 3-channel vibration sensor
RU2820169C1 (en) * 2023-07-17 2024-05-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) Device and method for evaluation of dynamic states of working members of vibration process machines

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8638956B2 (en) Acoustic velocity microphone using a buoyant object
JP3102320B2 (en) Sensor device
US11105828B2 (en) Microelectromechanical device for out-of-plane motion detection
KR20150131955A (en) Vibration sensor
RU2509320C1 (en) Digital composite vector receiver with synthesised channels
JP2625364B2 (en) Touch signal probe
RU2382990C1 (en) Detector of mechanical oscillations
KR102337688B1 (en) Accelerometer and acoustic vector sensor having the same
RU2383025C1 (en) Three-component detector of mechanical oscillations
RU2530479C2 (en) Method and 3d detector of mechanical vibration vector
GB2379506A (en) Vibratory gyroscope
JP4214551B2 (en) Ultrasonic sound pressure sensor
JP2000338128A (en) Sensitivity evaluation method of acceleration sensor element
CN108955985B (en) A kind of sensor structure that can test polyaxial mechanics physical quantity
US5396801A (en) Vibrometer
RU2426131C1 (en) Method and device to measure angular speed
JP5135253B2 (en) Inertial sensor and inertial measuring device
JP2009156831A (en) Acceleration detecting unit and acceleration detecting apparatus
Ming et al. The measurement of structural mobilities of a circular cylindrical shell
JP2856748B2 (en) Method of measuring vibration propagating in a substance and vibration pickup
Kırlangıç et al. Characterization of piezoelectric accelerometers beyond the nominal frequency range
RU2381510C1 (en) Gyroscope accelerometre
US20240288322A1 (en) Vibrating Bridge for a Vibrating-Wire Sensor, and Vibrating-Wire Sensor
KR100238980B1 (en) Piezoelectric angular sensor
JP3129022B2 (en) Acceleration sensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100823