RU2778373C1 - Пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам, и предназначено для регистрации сейсмических сигналов и вибрации объектов. Пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации, содержащий основание, на котором одним концом жестко закреплена упругая пластина с размещенными на ней пьезоэлектрическим элементом и инерционной массой. При этом приемник содержит один пьезоэлектрический элемент и по меньшей мере три инерционные массы. Другой конец упругой пластины жестко закреплен на втором основании, при этом упругая пластина выполнена с пазами или с канавками, пьезоэлектрические элементы закреплены на упругой пластине в местах, содержащих направленные навстречу друг другу пазы или канавки; инерционные массы расположены между пьезоэлектрическими элементами напротив друг друга, а также между крайними пьезоэлектрическими элементами и основаниями с двух сторон упругой пластины соответственно. Технический результат – расширение рабочего диапазона в низкочастотную область и одновременное повышение чувствительности пьезоэлектрического приемника и повышение ударопрочности. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для регистрации сейсмических сигналов и вибрации объектов.

Известен пьезоэлектрический виброприемник по а.с. СССР 304447, G01H 3/06, содержащий консольно прикрепленную к основанию пластину, состоящую из двух пьезоэлементов, причем к основанию симметрично относительно первой пластины жестко прикреплена вторая пластина.

Известен пьезоэлектрический виброприемник по а.с. СССР 487312, G01H 1/04, содержащий две консольные пластины с попарно соединенными и согласно включенными пьезоэлементами, жестко и симметрично закрепленными к противоположным сторонам общего основания.

Общим недостатком обоих виброприемников является то, что при нахождении инерционной массы на конце упругой пластины из-за несимметричности конструкции проявляется влияние ротационной составляющей колебания и неравномерность деформации пластины пьезоэлемента.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является пьезоэлектрический изгибный преобразователь, приведенный в монографии Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры): монография - Ростов н/Д: Изд-во, ЮФУ, 2010, стр. 48-50, рис. 3.4 б) принятый за прототип.

На фиг. 1 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено:

1 – пьезоэлемент (пьезоэлектрический элемент);

2 – основание (опора);

3 – инерционная масса;

4 – упругая пластина;

– направление рабочей оси преобразователя;

+ – центры масс пьезоэлектрического элемента и инерционной массы соответственно;

– центр инерции преобразователя.

Преобразователь-прототип содержит основание 2, на котором консольно закреплена упругая пластина 4 с инерционной массой 3. На упругую пластину 4 наклеен пьезоэлемент 1 в зоне ее максимальных механических напряжений, возникающих при изгибе.

Функционирование устройства происходит следующим образом.

Внешнее механическое воздействие приводит к изгибу упругой пластины 4 и находящегося на ней пьезоэлемента 1, который вырабатывает заряд, регистрируемый соответствующим устройством. Для расширения рабочего диапазона в низкочастотную область необходимо увеличивать инерционную массу 3 и длину упругой пластины 4. Это не всегда представляется возможным, так как ведет к снижению ударопрочности изделия и увеличению доли ротационной составляющей при деформации пластины 4. Кроме того, при такой конструкции изгиб пьезоэлемента 1 неравномерный и часть его объема не участвует в выработке заряда.

При нахождении инерционной массы 3 на конце упругой пластины 4 из-за несимметричности конструкции проявляется влияние ротационной составляющей колебания и неравномерность деформации пластины 4 и изгиба пьезоэлемента 1, а также недостаточная ударопрочность, что является недостатком устройства-прототипа.

Задача предлагаемого технического устройства состоит в расширении рабочего диапазона в низкочастотную область и повышении чувствительности пьезоэлектрического приемника.

Для решения поставленной задачи в пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации, содержащий основание, на котором одним концом жестко закреплена упругая пластина с размещенными на ней пьезоэлектрическим элементом и инерционной массой, согласно изобретению , введены, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент и, по меньшей мере, три инерционные массы, другой конец упругой пластины жестко закреплен на втором основании, при этом упругая пластина выполнена с пазами или с канавками, пьезоэлектрические элементы закреплены на упругой пластине в местах, содержащих направленные навстречу друг другу пазы или канавки; инерционные массы расположены между пьезоэлектрическими элементами напротив друг друга, а также между крайними пьезоэлектрическими элементами и основаниями с двух сторон упругой пластины соответственно, причем пьезоэлектрические элементы соединены или последовательно, или параллельно.

На фиг. 2 а) представлен общий вид предлагаемого устройства;

на фиг. 2 б) – участок приемника с канавками на упругой пластине 4 под пьезоэлементом 1;

на фиг. 3 а) – упругая пластина 4 с канавками;

на фиг. 3 б) – упругая пластина 4 с пазами.

На фигурах 2 а), б) – 3 а), б) приняты следующие обозначения:

1 – пьезоэлектрические элементы (пьезоэлементы);

2 – два основания;

3 – инерционные массы;

4 – упругая пластина.

Предлагаемый пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации содержит два основания (опоры) 2, к которым прикреплена обеими концами упругая пластина 4. На упругой пластине 4 расположены пьезоэлектрические элементы 1 и распределенные по длине упругой пластины инерционные массы 3.

На упругой пластине 4 в местах расположения пьезоэлементов 1 выполнены канавки глубиной до 50% от толщины пластины или пазы, направленные навстречу друг другу и длиной до 40% от ширины пластины 4.

Канавки выполнены глубиной до 50% от её толщины, шириной от 0,1 мм до 0,5 мм.

Пьезоэлектрические элементы 1 в зависимости от решаемой задачи могут быть включены как последовательно, так и параллельно. Для повышения чувствительности по заряду пьезоэлектрические элементы 1 включаются параллельно, если по напряжению, то последовательно.

Функционирование предлагаемого устройства происходит следующим образом.

Внешнее механическое воздействие приводит к деформации упругой пластины 4 и изгибу расположенных на ней пьезоэлементов 1, электрический сигнал от которых регистрируется соответствующим устройством, например, аналого-цифровым преобразователем. Распределенные инерционные массы 3 и расположенные под пьезоэлектрическими элементами 1 пазы или канавки упругой пластины 4 способствуют ее равномерной деформации, повышая тем самым коэффициент электромеханической связи. Изменяя длину упругой пластины 4 и соответственно количество пьезоэлементов 1 и инерционных масс 3 на ней, можно сдвигать рабочую полосу частот в нужную область.

Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение рабочего диапазона в низкочастотную область и повышение чувствительности пьезоэлектрического приемника, а также повышение ударопрочности.

Источники информации

[1] SU 304447 инерционная масса закреплена на конце, неравномерность изгиба.

[2] SU 487312 инерционная масса закреплена на конце, неравномерность изгиба.

[3] RU 84977 низкая ударопрочность из-за отсутствия армирующей упругой пластины, и чувствительность в области низких частот.

[4] RU 2212736 низкая ударопрочность из-за отсутствия армирующей упругой пластины, и низкая чувствительность в области низких частот.

[5] Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры): монография - Ростов н/Д: Изд-во, ЮФУ, 2010 (прототип).

Claims (3)

1. Пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации, содержащий основание, на котором одним концом жестко закреплена упругая пластина с размещенными на ней пьезоэлектрическим элементом и инерционной массой, отличающийся тем, что введены по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент и по меньшей мере три инерционные массы, другой конец упругой пластины жестко закреплен на втором основании, при этом упругая пластина выполнена с пазами или с канавками, пьезоэлектрические элементы закреплены на упругой пластине в местах, содержащих направленные навстречу друг другу пазы или канавки; инерционные массы расположены между пьезоэлектрическими элементами напротив друг друга, а также между крайними пьезоэлектрическими элементами и основаниями с двух сторон упругой пластины соответственно, причем пьезоэлектрические элементы соединены или последовательно, или параллельно.

2. Пьезоэлектрический приемник по п. 1, отличающийся тем, что пазы выполнены длиной до 40% от ширины пластины.

3. Пьезоэлектрический приемник по п. 1, отличающийся тем, что канавки выполнены глубиной до 50% от её толщины, шириной от 0,1 до 0,5 мм.

Images