RU2684139C1 - Пьезоэлектрический датчик - Google Patents
Пьезоэлектрический датчик Download PDFInfo
- Publication number
- RU2684139C1 RU2684139C1 RU2018122020A RU2018122020A RU2684139C1 RU 2684139 C1 RU2684139 C1 RU 2684139C1 RU 2018122020 A RU2018122020 A RU 2018122020A RU 2018122020 A RU2018122020 A RU 2018122020A RU 2684139 C1 RU2684139 C1 RU 2684139C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric
- housing
- support
- piezoelectric element
- sensor
- Prior art date
Links
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims abstract description 11
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910001080 W alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 8
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- FSAJRXGMUISOIW-UHFFFAOYSA-N bismuth sodium Chemical compound [Na].[Bi] FSAJRXGMUISOIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения параметров ударных и вибрационных ускорений. Сущность изобретения заключается в том, что пьезоэлектрический датчик содержит корпус, опору, при этом в месте закрепления опоры формируется механический фильтр из эластичного электропроводящего материала, толщина которого определяется нормированным размером частиц, входящих в состав клея, кроме того, пьезоэлемент выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС (цирконат титанат свинца) с пористостью 15-60%, а инерционный элемент выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава, при этом пьезоэлемент и инерционный элемент закреплены при помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя, также в основании корпуса, во внутренней полости, выполнен кольцевой антидеформационный вырез. Технический результат – повышение точности и надежности измерения ударных и вибрационных ускорений. 3 ил.
Description
Пьезоэлектрический датчик относится к измерительной технике и предназначен для определения параметров ударных и вибрационных ускорений, но также может быть использован при разработке пьезоэлектрических приборов для измерения динамических давлений и сил.
В настоящее время известны самые различные конструкции пьезоэлектрических датчиков, однако все они, обладая определенными достоинствами, не выполняют в полной мере поставленной изобретением задачи.
Известен пьезоэлектрический датчик, [патент РФ №2400760, под названием «Пьезоэлектрический акселерометр» MПK G01P 15/09, опуб. 27.09.2010 г.], содержащий корпус, во внутренней полости которого расположен пьезочувствительный элемент и инерционный элемент.
В варианте исполнения инерционный элемент выполнен из монокристаллического диэлектрика, при этом пьезочувствительный элемент и инерционный элемент соединены между собой параллельно, а их вектора поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности датчика и направлены в разные стороны, что позволяет повысить осевую чувствительность датчика, при сохранении его габаритов и массы.
Данное изобретение направлено на повышение осевой чувствительности устройства при сохранении его габаритов и массы. Но в данном изобретении в качестве материала пьезочувствительного элемента используется сегнетожесткая керамика ТНАВ (титанат натрия висмута) с малым значением пьезомодуля керамики d33≈(7-22) пКл/Н, из-за чего значение коэффициента преобразования датчика остается небольшим, что снижает точность измерений ускорений при наличии высокого уровня помех. Также конструкция датчика выполнена по схеме «с поджатием» пьезочувствительного элемента к основанию корпуса, что оставляет возможность для проявления «ухода нуля» из-за проскальзывания пьезочувствительного и инерционного элементов при наличии поперечной составляющей ускорения или из-за относительно высокой деформационной чувствительности.
Известен пьезоэлектрический датчик, [патент РФ №2495438, под названием «Пьезоэлектрический датчик ударного ускорения», МПК G01Р 15/09, опуб. 0.10.2013 г.], содержащий корпус, во внутренней полости которого закреплена опора, имеющая выступы в средней части, равноудаленные от сторон корпуса, на каждом из которых закреплены при помощи промежуточного клеевого слоя пьезоэлемент и инерционный элемент, при этом геометрический центр опоры совпадает с геометрическим центром корпуса.
В варианте исполнения клеевой слой содержит клей, каучук и калиброванные проводящие частицы, в данный клеевой слой введен графит, содержание которого не превышает 10%, а калиброванные частицы выполнены размером 20-80 мкм, при этом содержание каучука в клеевом слое составляет не менее 60%.
Изобретение направлено на увеличение коэффициента преобразования и демпфирующих свойств датчика. Но недостатком данного изобретения является использование пьезоэлемента из сегнетомягкой керамики (цирконат титанат свинца) ЦТС-19 (d33≈330 пКл/Н; tgδ=28⋅10-3), что увеличивает нелинейность амплитудной характеристики датчика и деформационную чувствительность, снижает устойчивость к интенсивным механическим воздействиям и, соответственно, к «уходу нуля». Отсутствие встроенного механического фильтра не позволяет достичь дальнейшего повышения демпфирования «паразитных» высокочастотных колебаний, которые повышают зашумленность сигнала и могут привести к «уходу нуля». Титановый сплав для изготовления инерционного элемента имеет относительно низкую плотность, что означает уменьшенное значение коэффициента преобразования датчика.
Этот пьезоэлектрический датчик ударного ускорения рассматривается в качестве прототипа.
Задача, на решение которой направлено изобретение - создание пьезоэлектрического датчика, обеспечивающего необходимые точность и надежность измерения ударных и вибрационных ускорений.
Технический результат, получаемый при использовании данного изобретения - повышение надежности и точности измерения ударных и вибрационных ускорений.
Указанный технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике, содержащем корпус, во внутренней полости которого закреплена опора, имеющая выступы в средней части, равноудаленные от сторон корпуса, на каждом из которых закреплены при помощи промежуточного клеевого слоя пьезоэлемент и инерционный элемент, при этом геометрический центр опоры совпадает с геометрическим центром корпуса, согласно изобретению в месте закрепления опоры формируется механический фильтр из эластичного электропроводящего материала, толщина которого определяется нормированным размером частиц, входящих в состав клея, кроме того пьезоэлемент выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС (цирконат титанат свинца) с пористостью 15-60%, а инерционный элемент выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава, при этом пьезоэлемент и инерционный элемент закреплены при помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя, также в основании корпуса во внутренней полости, выполнен кольцевой антидеформационный вырез.
Формирование в конструкции пьезоэлектрического датчика механического фильтра из эластичного электропроводящего материала увеличивает демпфирование высокочастотных колебаний и уменьшает деформационную чувствительность датчика, что приводит к повышению устойчивости датчика к «уходу нуля» и повышению точности измерений. Использование пьезоэлемента, выполненного из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС, позволяет уменьшить нелинейность амплитудной характеристики, а также повысить устойчивость датчика к «уходу нуля». Использование пористой керамики приводит к увеличению ее сегнетожесткости и, соответственно, устойчивости к «уходу нуля». Использование вольфрама или вольфрамового сплава для инерционного элемента снижает механические напряжения в пьезоэлементе при изменении температуры, уменьшая коэффициент влияния температуры на коэффициент преобразования и вероятность «ухода нуля». Выполненный в конструкции кольцевой антидеформационный вырез является концентратором механических напряжений и дополнительно уменьшает деформационную чувствительность датчика и вероятность «ухода нуля» из-за деформации установочной поверхности.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 приведен продольный разрез пьезоэлектрического датчика.
На фиг. 2 - вид А, клей с нормированными частицами сформированного механического фильтра.
На фиг. 3-вид Б, выполненный кольцевой антидеформационный вырез.
Пьезоэлектрический датчик содержит корпус 1 с крышкой 2, пьезоэлементы 3 и инерционные элементы 4 (фиг. 1). В полости корпуса 1 закреплена опора 5 с помощью механического фильтра. Опора 5 в своей центральной части имеет выступы 6, которые равноудалены от стенок корпуса 1. При помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя на выступах 6 с верхней и нижней стороны опоры 5 закреплены пьезоэлементы 3 и инерционные элементы 4. Пьезоэлемент 3 выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС (цирконат титанат свинца) с пористостью 15-60% (предпочтительно 25-35%). Инерционный элемент 4 выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава. В месте закрепления опоры 5 в корпусе 1 формируется механический фильтр 7, состоящий из эластичного электропроводящего материала. Толщина механического фильтра 7 определяется нормированным размером частиц 8. Частицы 8 входят в состав клея 9 (фиг. 2). В полости корпуса 1 ближе к основанию выполнен кольцевой антидеформационный вырез 10 (фиг. 3).
Пьезоэлектрический датчик работает следующим образом.
Пьезоэлектрический датчик устанавливают за нижнюю поверхность корпуса 1 на объект испытаний посредством клеевого соединения. Кабель пьезоэлектрического датчика подсоединяют к регистрирующей аппаратуре. Объект исследований подвергают испытаниям. При ускорении, действующем на объект испытаний вдоль основной оси пьезоэлектрического датчика по направлению от корпуса 1 к крышке 2, верхний пьезоэлемент 3 испытывает сжатие под действием «прижима» верхнего инерционного элемента 4 к опоре 5. При этом нижний пьезоэлемент 3 испытывает растяжение под действием «отрыва» нижнего инерционного элемента 4 от опоры 5. При данном движении пьезоэлементы 3 вырабатывают электрические заряды, которые суммируются и передаются посредством электропроводящих клеевых слоев, прилегающих к пьезоэлементам 3, на инерционные элементы 4, с них - на кабель пьезоэлектрического датчика, а затем на регистрирующую аппаратуру.
Механические напряжения в корпусе 1, возникающие при деформации поверхности объекта исследований, концентрируются на антидеформационном вырезе 10, тем самым снижая уровень деформации корпуса 1 в месте крепления опоры 5, и снижая уровень деформации пьезоэлемента 3. Дополнительное снижение уровня механических напряжений в опоре 5 и пьезоэлементе 3 обеспечивается релаксацией механических напряжений в эластичном материале механического фильтра 7. Также механический фильтр 7 обеспечивает демпфирование высокочастотных колебаний, приходящих на пьезоэлектрический датчик от объекта испытаний, и возбуждающихся в конструкции пьезоэлектрического датчика из-за высокочастотных ударных воздействий. Это снижает деформационную чувствительность и уровень высокочастотного шума пьезоэлектрического датчика, что повышает точность измерения ускорений из-за снижения влияния «паразитных» воздействий.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявляемый пьезоэлектрический датчик предназначен для использования в измерительной технике, а именно для определения параметров ударных и вибрационных ускорений;
для заявляемого пьезоэлектрического датчика в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;
заявляемый пьезоэлектрический датчик при его использовании способен обеспечить повышение точности и надежности измерения ударных и вибрационных ускорений.
Следовательно, заявляемый пьезоэлектрический датчик соответствует условию «промышленная применимость».
Claims (1)
- Пьезоэлектрический датчик, содержащий корпус, во внутренней полости которого закреплена опора, имеющая выступы в средней части, равноудаленные от сторон корпуса, на каждом из которых закреплены при помощи промежуточного клеевого слоя пьезоэлемент и инерционный элемент, при этом геометрический центр опоры совпадает с геометрическим центром корпуса, отличающийся тем, что в месте закрепления опоры формируется механический фильтр из эластичного электропроводящего материала, толщина которого определяется нормированным размером частиц, входящих в состав клея, кроме того, пьезоэлемент выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС (цирконат титанат свинца) с пористостью 15-60%, а инерционный элемент выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава, при этом пьезоэлемент и инерционный элемент закреплены при помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя, также в основании корпуса, во внутренней полости, выполнен кольцевой антидеформационный вырез.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122020A RU2684139C1 (ru) | 2018-06-14 | 2018-06-14 | Пьезоэлектрический датчик |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122020A RU2684139C1 (ru) | 2018-06-14 | 2018-06-14 | Пьезоэлектрический датчик |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2684139C1 true RU2684139C1 (ru) | 2019-04-04 |
Family
ID=66090115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018122020A RU2684139C1 (ru) | 2018-06-14 | 2018-06-14 | Пьезоэлектрический датчик |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2684139C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU217110U1 (ru) * | 2022-06-24 | 2023-03-16 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Курганприбор" | Датчик момента начала удара |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU210503A1 (ru) * | В. Г. Грацинский , Л. И. Боканенко Институт физики Земли Академии наук СССР | Компонентный пьезоэлектрический датчик | ||
| US5376860A (en) * | 1992-10-19 | 1994-12-27 | Oki Ceramic Industry Co, Ltd. | Piezoelectric sensor |
| RU2495438C1 (ru) * | 2012-01-23 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина " | Пьезоэлектрический датчик ударного ускорения |
| RU2533539C1 (ru) * | 2013-05-27 | 2014-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" | Пьезоэлектрический датчик удара |
| WO2016092081A1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-06-16 | Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement A/S | Piezoelectric sensor element for a shear mode accelerometer |
-
2018
- 2018-06-14 RU RU2018122020A patent/RU2684139C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU210503A1 (ru) * | В. Г. Грацинский , Л. И. Боканенко Институт физики Земли Академии наук СССР | Компонентный пьезоэлектрический датчик | ||
| US5376860A (en) * | 1992-10-19 | 1994-12-27 | Oki Ceramic Industry Co, Ltd. | Piezoelectric sensor |
| RU2495438C1 (ru) * | 2012-01-23 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина " | Пьезоэлектрический датчик ударного ускорения |
| RU2533539C1 (ru) * | 2013-05-27 | 2014-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" | Пьезоэлектрический датчик удара |
| WO2016092081A1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-06-16 | Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement A/S | Piezoelectric sensor element for a shear mode accelerometer |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU217110U1 (ru) * | 2022-06-24 | 2023-03-16 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Курганприбор" | Датчик момента начала удара |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4318433B2 (ja) | 圧電素子、及び圧電素子を利用可能な振動トランスデューサ | |
| US11740142B2 (en) | Piezoelectric thin-film sensor and use thereof | |
| US7427819B2 (en) | Film-bulk acoustic wave resonator with motion plate and method | |
| RU2540249C2 (ru) | Гироскопический датчик | |
| US3374663A (en) | Vibration detector | |
| JP6806900B2 (ja) | 動的にも静的にもなり得る力を同時に測定するための測定センサ | |
| JP6806901B2 (ja) | 力を測定するための測定値ピックアップ | |
| US8816492B1 (en) | Method and apparatus for isolating MEMS devices from external stimuli | |
| RU2684139C1 (ru) | Пьезоэлектрический датчик | |
| CN109212262B (zh) | 一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器 | |
| RU2627571C1 (ru) | Пьезоэлектрический акселерометр | |
| KR20150090629A (ko) | 다기능 mems 센서 | |
| CN105388323B (zh) | 振动式传感器装置 | |
| CN110849469B (zh) | 一种圈梁结构高性能压电加速度计 | |
| KR101521712B1 (ko) | 압저항 감지모듈 및 이를 포함하는 mems 센서 | |
| RU2400760C1 (ru) | Пьезоэлектрический акселерометр | |
| CN109324212A (zh) | 带力反馈电极的mems加速度计 | |
| RU2817063C1 (ru) | Трёхкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр | |
| KR102668056B1 (ko) | 센서 패키지 | |
| JP2010096525A (ja) | 圧力センサパッケージ及びその製造方法、並びに圧力センサモジュール及び電子デバイス | |
| RU2026556C1 (ru) | Пьезоэлектрический акселерометр | |
| RU2756041C1 (ru) | Пьезоэлектрический акселерометр | |
| Kodejska et al. | Ferroelectret-film accelerometers with high sensitivities | |
| Sill | Test Results and Alternate Packaging of a Damped Piezoresistive MEMS Accelerometer | |
| WO2023110532A1 (en) | Strain sensor and strain sensor arrangement |