RU2797312C1

RU2797312C1 - Piezoelectric shock wave pressure sensor

Info

Publication number: RU2797312C1
Application number: RU2023103117A
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Власов; Геннадий Алексеевич Калинин; Игорь Александрович Кузнецов; Виктор Анатольевич Пестов; Юрий Николаевич Полуэктов; Арсений Валериевич Третьяков
Filing date: 2023-02-09
Publication date: 2023-06-02

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to piezoelectric pressure sensors designed to measure rapidly changing pressures in a gaseous medium. In a piezoelectric pressure sensor of shock waves, containing a conductive housing, on one side of which a membrane is fixed, on the other side of which a base is fixed, two piezoelements with a current-collecting plate between them, a conductive inertial mass and a vibration-compensating piezoelement polarized in the opposite direction relative to the piezoelements are located behind the membrane. The novelty is that the vibration-compensating piezoelectric element is electrically connected to one of the piezoelectric elements and a capacitor is introduced, electrically connected in parallel to the vibration-compensating piezoelectric element with one output through the base, and the other output through the conductive inertial mass.

EFFECT: reduced amplitude of oscillations in the electrical signal of the piezoelectric sensor caused by vibrational accelerations in the sensor design.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к пьезоэлектрическим датчикам давления, предназначенным для измерения быстропеременных давлений в газообразной среде. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано для определения параметров воздушной ударной волны при взрыве боеприпасов.The invention relates to instrumentation, in particular to piezoelectric pressure sensors designed to measure rapidly changing pressures in a gaseous medium. The invention can be most effectively used to determine the parameters of an air shock wave during an explosion of ammunition.

В этой области измерений широко применяются различные датчики давления пьезоэлектрического типа.In this area of measurement, various pressure sensors of the piezoelectric type are widely used.

Известен, например, пьезоэлектрический датчик давления по авторскому свидетельству СССР №1383120, G01L 9/08, опубл. 23.03.1988 г. Датчик содержит корпус с мембраной, основание и расположенный между ними пакет пьезоэлементов (ПЭ) с размещенными между ними токосъемными пластинами. При действии ударной волны на датчик мембрана передает деформацию на ПЭ, в которых возникает электрический заряд, пропорциональный измеряемому давлению, поступающий с токосъемных пластин через выводы на вход регистрирующего устройства. Недостатком данного датчика является искажение формы электрического сигнала из-за виброударных ускорений, возникающих в конструкции датчика при воздействии ударной волны.Known, for example, a piezoelectric pressure sensor according to the author's certificate of the USSR No. 1383120, G01L 9/08, publ. March 23, 1988. The sensor contains a housing with a membrane, a base and a package of piezoelectric elements (PE) located between them with current collecting plates placed between them. When a shock wave acts on the sensor, the membrane transfers the deformation to the PE, in which an electric charge arises, proportional to the measured pressure, coming from the current collector plates through the terminals to the input of the recording device. The disadvantage of this sensor is the distortion of the shape of the electrical signal due to vibro-impact accelerations that occur in the design of the sensor when exposed to a shock wave.

Наиболее близким к заявляемому пьезоэлектрическому датчику является датчик давления общего назначения фирмы «РСВ Piezotronics, Inc.», США, модели 111А26, описанный в руководстве по установке и эксплуатации и зарегистрированный в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений №52162-12. Датчик содержит корпус с мембраной, за ней расположены в пакете рабочие ПЭ с токосъемными пластинами. Вплотную к рабочим ПЭ установлена токопроводящая инерционная масса, за которой установлен дополнительный виброкомпенсирующий ПЭ, одинаковый по характеристикам с рабочими ПЭ, поджатый в корпусе в общем пакете основанием. В электрической схеме датчика рабочие и компенсирующий ПЭ соединены параллельно и включены встречно.The closest to the claimed piezoelectric sensor is a general-purpose pressure sensor manufactured by RSV Piezotronics, Inc., USA, model 111A26, described in the installation and operation manual and registered with the Federal Information Fund for Ensuring the Uniformity of Measurements No. 52162-12. The sensor contains a housing with a membrane, behind it are working PEs with current collecting plates in a package. A conductive inertial mass is installed close to the working PE, behind which an additional vibration-compensating PE is installed, which is identical in characteristics with the working PE, pressed into the housing in a common package by the base. In the electrical circuit of the sensor, the working and compensating PE are connected in parallel and are connected in opposite directions.

Датчик модели 111А26 работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану, которая передает усилие на пакет рабочих ПЭ. Под воздействием измеряемого давления как в рабочих, так и в компенсирующем ПЭ возникает электрический заряд, пропорциональный приложенному усилию. Величина суммарного заряда через электрические цепи датчика измеряется регистрирующим устройством, например, запоминающим осциллографом.Model 111A26 sensor works as follows. The measured pressure acts on the membrane, which transfers the force to the working PE package. Under the influence of the measured pressure, both in the working and in the compensating PE, an electric charge arises proportional to the applied force. The value of the total charge through the electrical circuits of the sensor is measured by a recording device, for example, a storage oscilloscope.

В процессе воздействия ударной волны на конструкцию датчика в ней возникают вибрационные колебания, которые вызывают как в рабочих, так и в компенсирующем ПЭ электрические заряды. Величина этих зарядов прямо пропорциональна ускорению и приведенной массе, воздействующей на каждый из ПЭ. Так как рабочие и компенсирующий ПЭ включены встречно, их сигналы от вибрации в процессе работы вычитаются. В этом случае искажения формы электрического сигнала с датчика давления от вибрационных колебаний конструкции датчика при действии ударной волны уменьшаются. Равенство суммарного электрического заряда от рабочих ПЭ и компенсирующего ПЭ является условием виброкомпенсации. Это достигается варьированием величины инерционной массы.In the process of impact of a shock wave on the design of the sensor, vibrational oscillations arise in it, which cause electric charges both in the working and in the compensating PE. The magnitude of these charges is directly proportional to the acceleration and reduced mass acting on each of the PE. Since the working and compensating PE are connected in opposite directions, their vibration signals are subtracted during operation. In this case, distortions of the shape of the electrical signal from the pressure sensor due to vibrational vibrations of the sensor structure under the action of a shock wave are reduced. The equality of the total electric charge from the working PE and the compensating PE is a condition for vibration compensation. This is achieved by varying the value of the inertial mass.

Однако, так как при изготовлении элементов конструкции датчика, в частности таких, как корпус, мембрана, инерционная масса и ПЭ, имеют место отклонения по размерам, массе, а также по электрофизическим характеристикам, таким как пьезомодуль ПЭ, то полной виброкомпенсации не происходит, а замена инерционной массы в уже изготовленном датчике на другую с оптимальными параметрами не представляется возможной по технологическим причинам. Искажение формы электрического сигнала с датчика давления, хотя и в меньшей степени, но сохраняется. Это является существенным недостатком данного прототипа и вносит погрешность, обусловленную влиянием вибрации.However, since in the manufacture of sensor structural elements, in particular, such as a housing, a membrane, an inertial mass and PE, there are deviations in size, mass, and also in electrophysical characteristics, such as a PE piezoelectric module, then complete vibration compensation does not occur, and replacement of the inertial mass in an already manufactured sensor with another one with optimal parameters is not possible for technological reasons. The distortion of the shape of the electrical signal from the pressure sensor, although to a lesser extent, but remains. This is a significant drawback of this prototype and introduces an error due to the influence of vibration.

Целью настоящего изобретения является создание датчика с повышенной точностью регистрации профиля импульсного давления в ударной волне.The aim of the present invention is to create a sensor with increased accuracy of registration of the impulse pressure profile in the shock wave.

Техническим результатом является снижение амплитуды колебаний в электрическом сигнале пьезоэлектрического датчика, вызванных вибрационными ускорениями в конструкции датчика.The technical result is to reduce the amplitude of oscillations in the electrical signal of the piezoelectric sensor caused by vibration accelerations in the sensor design.

Указанный технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике давления ударных волн, содержащем токопроводящий корпус, с одной стороны которого закреплена мембрана, с другой - основание, за мембраной расположены два рабочих пьезоэлемента с токосъемной пластиной между ними, токопроводящая инерционная масса и виброкомпенсирующий пьезоэлемент, поляризованный в противоположном направлении относительно рабочих пьезоэлементов. Новым является то, что виброкомпенсирующий пьезоэлемент соединен с одним из рабочих пьезоэлементов электрически последовательно и введен конденсатор, соединенный электрически параллельно виброкомпенсирующему пьезоэлементу одним выводом через основание, а другим выводом через токопроводящую инерционную массу.This technical result is achieved by the fact that in the piezoelectric pressure sensor of shock waves, containing a conductive housing, on one side of which the membrane is fixed, on the other - the base, behind the membrane there are two working piezoelectric elements with a current collecting plate between them, a conductive inertial mass and a vibration-compensating piezoelectric element, polarized in the opposite direction relative to the working piezoelectric elements. What is new is that the vibration-compensating piezoelectric element is electrically connected to one of the working piezoelectric elements and a capacitor is introduced, electrically connected in parallel to the vibration-compensating piezoelectric element with one output through the base, and the other output through the conductive inertial mass.

Соединение виброкомпенсирующего ПЭ последовательно с одним из рабочих пьезоэлементов дает возможность изменения заряда на выходе датчика с помощью подключения конденсатора, соединенного электрически параллельно виброкомпенсирующему пьезоэлементу.The connection of a vibration-compensating PE in series with one of the working piezoelectric elements makes it possible to change the charge at the sensor output by connecting a capacitor electrically connected in parallel to the vibration-compensating piezoelectric element.

Наличие у пьезоэлектрического датчика давления ударных волн конденсатора, соединенного электрически параллельно виброкомпенсирующему пьезоэлементу, позволяет осуществлять виброкомпенсацию датчика давления регулировкой электрической емкости конденсатора,The presence of a capacitor in the piezoelectric pressure sensor of shock waves, connected electrically in parallel to the vibration-compensating piezoelectric element, makes it possible to carry out vibration compensation of the pressure sensor by adjusting the electrical capacitance of the capacitor,

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчик давленияIn FIG. 1 shows the proposed pressure sensor

На фиг. 2 показана электрическая схема датчика.In FIG. 2 shows the electrical circuit of the sensor.

Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн содержит мембрану 1, токопроводящий корпус 2 и основание 3, рабочие ПЭ 4 и 5, токосъемную пластину 6, токопроводящую инерционную массу 7, виброкомпенсирующий ПЭ 8, включенный встречно и соединенный с рабочим ПЭ 5 по электрической схеме последовательно, размещенные в корпусе 2, в центрирующей втулке 9 между мембраной 1 и основанием 3. Токовывод 10 используется для подключения датчика через измерительный кабель к входу регистрирующего устройства. Конденсатор 11, соединен по электрической схеме параллельно ПЭ 8, одним выводом через основание 3, а другим выводом через токовывод 12 и токопроводящую инерционную массу 7.The piezoelectric pressure sensor of shock waves contains a membrane 1, a conductive body 2 and a base 3, working PE 4 and 5, a current collector plate 6, a conductive inertial mass 7, a vibration-compensating PE 8, connected in the opposite direction and connected to the working PE 5 according to the electrical circuit in series, placed in housing 2, in centering sleeve 9 between membrane 1 and base 3. Current output 10 is used to connect the sensor through a measuring cable to the input of the recording device. Capacitor 11 is connected according to the electrical circuit in parallel to PE 8, with one output through the base 3, and with the other output through the current output 12 and the conductive inertial mass 7.

Пьезоэлектрический датчик давления работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика в рабочих ПЭ 4, 5 и в компенсирующем ПЭ 8 возникают электрические заряды, пропорциональные приложенному усилию. При этом, конденсатор 11 заряжается от ПЭ 8, тем самым уменьшая на нем напряжение, что в соответствии с электрической схемой уменьшает вклад ПЭ 8 в суммарный электрический заряд на выходе 10 датчика, поступающий на регистрирующее устройство.The piezoelectric pressure sensor works as follows. Under the influence of the measured pressure on the sensor membrane, in the working PE 4, 5 and in the compensating PE 8, electric charges arise that are proportional to the applied force. In this case, the capacitor 11 is charged from the PE 8, thereby reducing the voltage on it, which, in accordance with the electrical circuit, reduces the contribution of the PE 8 to the total electric charge at the output 10 of the sensor supplied to the recording device.

При воздействии на датчик вибрационных ускорений колебания корпуса датчика вызывают в компенсирующем ПЭ 8 деформации сжатия или растяжения, приводящие к возникновению в нем электрических зарядов соответственно положительной или отрицательной полярности относительно корпуса датчика. На электродах рабочих ПЭ 4 и 5, включенных по электрической схеме встречно с ПЭ 8, возникают заряды противоположного относительно ПЭ 8 знака, что приводит к уменьшению суммарного заряда на выходе датчика от воздействия ускорения. Например, при воздействии ускорения на корпус датчика в направлении ударной волны (фиг. 1) ПЭ 4, 5 и 8 испытывают деформацию растяжения. При этом заряд от ПЭ 8, расположенного между инерционной массой и основанием, должен компенсировать заряды ПЭ 4 и 5 в суммарном заряде на выходе датчика от воздействия ускорения. По причине отклонений размеров и характеристик элементов конструкции датчика полной виброкомпенсации не происходит. Искажение формы электрического сигнала с датчика давления от воздействия виброударных ускорений, хотя и в меньшей степени, но сохраняется. Конденсатор 11 уменьшает напряжение на ПЭ 8, равное отношению заряда ПЭ 8 к сумме емкостей конденсатора 11 и ПЭ 8, и уменьшает вклад ПЭ 8 в суммарный электрический заряд на выходе датчика, обусловленный воздействием вибрационных ускорений. В результате снижаются колебания в электрическом сигнале датчика, вызванные вибрационными ускорениями и повышается точность регистрации профиля импульсного давления в ударной волне.When the sensor is exposed to vibrational accelerations, vibrations of the sensor housing cause compression or tension deformations in the compensating PE 8, leading to the occurrence of electric charges in it, respectively, of positive or negative polarity relative to the sensor housing. On the electrodes of the working PE 4 and 5, connected according to the electrical circuit opposite to PE 8, there are charges of the opposite sign relative to PE 8, which leads to a decrease in the total charge at the sensor output from the impact of acceleration. For example, under the influence of acceleration on the sensor body in the direction of the shock wave (Fig. 1) PE 4, 5 and 8 experience tensile deformation. In this case, the charge from PE 8, located between the inertial mass and the base, must compensate for the charges of PE 4 and 5 in the total charge at the output of the sensor from the impact of acceleration. Due to deviations in the dimensions and characteristics of the structural elements of the sensor, full vibration compensation does not occur. The distortion of the shape of the electrical signal from the pressure sensor from the impact of vibro-impact accelerations, although to a lesser extent, but remains. Capacitor 11 reduces the voltage on PE 8, equal to the ratio of the charge of PE 8 to the sum of the capacitances of capacitor 11 and PE 8, and reduces the contribution of PE 8 to the total electric charge at the output of the sensor, due to the impact of vibrational accelerations. As a result, fluctuations in the electrical signal of the sensor, caused by vibrational accelerations, are reduced and the accuracy of recording the pulse pressure profile in the shock wave is increased.

Настройка виброкомпенсации датчика осуществляется в процессе его изготовления изменением величины емкости конденсатора при воздействии вибрации, например, на вибростенде. Увеличение емкости конденсатора, подключенного к ПЭ 8, приводит к уменьшению вклада компенсирующего ПЭ 8 в суммарный заряд на выходе датчика. Уменьшение емкости конденсатора, наоборот, увеличивает вклад ПЭ 8 в суммарный заряд. В результате можно подобрать такое значение емкости конденсатора, для которого при воздействии вибрации суммарный заряд будет минимальным, что соответствует оптимальному режиму виброкомпенсации. Подбор емкости конденсатора легко осуществляется конденсатором переменной емкости с последующей установкой в конструкцию датчика давления конденсатора постоянной емкости.The adjustment of the vibration compensation of the sensor is carried out in the process of its manufacture by changing the value of the capacitance of the capacitor when exposed to vibration, for example, on a vibration stand. An increase in the capacitance of the capacitor connected to PE 8 leads to a decrease in the contribution of the compensating PE 8 to the total charge at the sensor output. Reducing the capacitance of the capacitor, on the contrary, increases the contribution of PE 8 to the total charge. As a result, it is possible to choose such a value of the capacitance of the capacitor, for which, when exposed to vibration, the total charge will be minimal, which corresponds to the optimal mode of vibration compensation. Capacitor capacitance selection is easily carried out by a variable capacitance capacitor with subsequent installation of a constant capacitance condenser in the design of the pressure sensor.

Для реализации режима виброкомпенсации должно быть выполнено условие, согласно которому величина инерционной массы должна превышать значение, указанное в документации на датчик, с учетом допускаемых отклонений характеристик элементов конструкции датчика, например, пьезомодуля ПЭ.To implement the vibration compensation mode, the condition must be met, according to which the value of the inertial mass must exceed the value specified in the documentation for the sensor, taking into account the permissible deviations in the characteristics of the sensor design elements, for example, the PE piezoelectric module.

Для снижения частотных и фазовых искажений (составляющие динамической погрешности) рабочий диапазон частот конденсатора должен быть не менее, чем у датчика, с учетом постоянной времени, обусловленной электрическим сопротивлением выводов и емкостью конденсатора. В диапазоне частот до 1 МГц указанную погрешность можно не учитывать.To reduce frequency and phase distortions (components of dynamic error), the operating frequency range of the capacitor must be at least that of the sensor, taking into account the time constant due to the electrical resistance of the leads and the capacitance of the capacitor. In the frequency range up to 1 MHz, the specified error can be ignored.

Предприятием АО «ГосНИИмаш» разработана и проведена экспериментальная проверка заявленной конструкции датчика давления с ПЭ из пьезокерамики ЦТС-19, имеющими собственную емкость (600-700) пФ. Для опытного образца датчика без конденсатора чувствительность к ускорению (виброчувствительность), определенная на вибростенде, составила 15 Па/(м/с²). После подключения конденсатора и подбора его величины С=500 пФ, при закреплении датчика на вибростенде, виброчувствительность датчика снижена до 0,7 Па/(м/с²).JSC "GosNIIMash" has developed and carried out an experimental verification of the claimed design of a pressure sensor with PE made of piezoceramic TsTS-19, which have their own capacitance (600-700) pF. For a prototype sensor without a capacitor, the sensitivity to acceleration (vibration sensitivity), determined on a vibration stand, was 15 Pa/(m/s ² ). After connecting the capacitor and selecting its value С=500 pF, when fixing the sensor on the vibration stand, the vibration sensitivity of the sensor is reduced to 0.7 Pa/(m/s ² ).

Проверена зависимость виброчувствительности датчика от повторяемости характеристик пьезоэлементов из пьезокерамики ЦТС-19. При замене рабочих ПЭ на другие (произвольным образом, из одной партии) в опытном образце датчика, конструкция которого допускала повторную сборку, виброчувствительность возросла с 0,7 до 3 Па/(м/с²). Изменением емкости конденсатора с 500 до 670 пФ виброчувствительность снижена до значения 0,8 Па/(м/с²).The dependence of the vibration sensitivity of the sensor on the repeatability of the characteristics of piezoelectric elements made of TsTS-19 piezoceramics has been tested. When replacing the working PE with others (arbitrarily, from the same batch) in the prototype sensor, the design of which allowed reassembly, the vibration sensitivity increased from 0.7 to 3 Pa/(m/s ² ). By changing the capacitance of the capacitor from 500 to 670 pF, the vibration sensitivity is reduced to a value of 0.8 Pa/(m/s ² ).

Таким образом, технический результат (снижение амплитуды колебаний в электрическом сигнале пьезоэлектрического датчика, вызванных вибрационными ускорениями) достигнут, что обеспечивает повышение точности датчика.Thus, the technical result (reducing the amplitude of oscillations in the electrical signal of the piezoelectric sensor caused by vibration accelerations) is achieved, which improves the accuracy of the sensor.

Claims

A piezoelectric pressure sensor of shock waves, containing a conductive housing, on one side of which a membrane is fixed, on the other - a base, behind the membrane there are two working piezoelectric elements with a current-collecting plate between them, a conductive inertial mass and a vibration-compensating piezoelectric element polarized in the opposite direction relative to the working piezoelements, differing by the fact that the vibration-compensating piezoelectric element is electrically connected to one of the working piezoelements and a capacitor is introduced, connected electrically in parallel to the vibration-compensating piezoelectric element with one output through the base, and with the other output through the conductive inertial mass.