RU2815862C1 - Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим датчикам давления. Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн содержит токопроводящий корпус, с одной стороны которого закреплена токопроводящая мембрана, с другой - токопроводящее основание. За мембраной расположены два рабочих пьезоэлемента с токосъемной пластиной между ними, токопроводящая инерционная масса, виброкомпенсирующий пьезоэлемент, поляризованный в противоположном направлении относительно рабочих пьезоэлементов и соединенный с одним из рабочих пьезоэлементов электрически последовательно. Конденсатор подключен электрически параллельно рабочему пьезоэлементу одним выводом через токосъемную пластину, а другим выводом через токопроводящую инерционную массу. На основание установлена печатная плата с токопроводящими площадками для подключения средств измерений и конденсатора. Технический результат - снижение амплитуды колебаний в электрическом сигнале пьезоэлектрического датчика, вызванных вибрационными ускорениями в конструкции датчика. 2 ил.

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.

В этой области измерений широко применяются различные датчики давления пьезоэлектрического типа.

Известен, например, пьезоэлектрический датчик давления 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 виброкомпенсирующий ПЭ соединены параллельно и включены встречно.

Наиболее близким к заявляемому является пьезоэлектрический датчик давления ударных волн по патенту №2797312, дата регистрации в Государственном реестре изобретений 02.06.2023, содержащий токопроводящий корпус, с одной стороны которого закреплена мембрана, с другой - основание, за мембраной расположены два рабочих ПЭ с токосъемной пластиной между ними, токопроводящая инерционная масса и виброкомпенсирующий ПЭ, поляризованный в противоположном направлении относительно рабочих ПЭ. Виброкомпенсирующий ПЭ соединен с одним из рабочих ПЭ электрически последовательно и введен конденсатор, соединенный электрически параллельно виброкомпенсирующему ПЭ одним выводом через основание, а другим выводом через токопроводящую инерционную массу. Для реализации в прототипе режима виброкомпенсации должно быть выполнено условие соответствия инерционной массы такому ее значению, которое бы обеспечило избыточную величину электрического заряда от виброкомпенсирующего ПЭ, превышающую суммарный заряд от рабочих ПЭ при воздействии вибрации. При выполнении указанного условия увеличиваются размеры инерционной массы, уменьшается быстродействие датчика и точность регистрации профиля импульсного давления в ударной волне, что является существенным недостатком прототипа.

При снижении размеров инерционной массы, а также из-за разброса электрофизических и геометрических параметров уже изготовленных деталей, использованных для сборки датчика, заряд от виброкомпенсирующего ПЭ может оказаться недостаточным для реализации режима виброкомпенсации. В этом случае введение конденсатора, соединенного электрически параллельно виброкомпенсирующему ПЭ (как в прототипе), дополнительно уменьшает его заряд и режим виброкомпенсации не достигается в полной мере.

Целью настоящего изобретения является создание датчика с повышенной точностью регистрации профиля импульсного давления в ударной волне.

Техническим результатом является снижение амплитуды колебаний в электрическом сигнале пьезоэлектрического датчика, вызванных вибрационными ускорениями в конструкции датчика с недостаточной инерционной массой.

Указанный технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрический датчик давления ударных волн, содержащий токопроводящий корпус, с одной стороны которого закреплена токопроводящая мембрана, с другой - токопроводящее основание, за мембраной расположены два рабочих ПЭ с токосъемной пластиной между ними, токопроводящая инерционная масса, виброкомпенсирующий ПЭ, поляризованный в противоположном направлении относительно рабочих ПЭ и соединенный с одним из рабочих ПЭ электрически последовательно, введен конденсатор, подключенный электрически параллельно рабочему ПЭ одним выводом через токосъемную пластину, а другим выводом через токопроводящую инерционную массу, и на основание установлена печатная плата с токопроводящими площадками для подключения средств измерений и конденсатора.

Наличие у пьезоэлектрического датчика давления ударных волн конденсатора, подключенного электрически параллельно рабочему ПЭ, соединенному последовательно с виброкомпенсирующим ПЭ, позволяет осуществлять виброкомпенсацию датчика давления при недостаточной величине электрического заряда от компенсирующего ПЭ при воздействии вибрационных ускорений.

Наличие печатной платы повышает технологичность настройки виброкомпенсации датчика.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлен предлагаемый датчик давления и его электрическая схема.

Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн содержит токопроводящую мембрану 1, токопроводящие 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 изолирующей втулке 9 между мембраной 1 и основанием 3. Токовывод 10 используется для подключения датчика через измерительный кабель к входу регистрирующего устройства. Конденсатор 12, соединен по электрической схеме параллельно ПЭ 5, одним выводом через токовывод 10 и токосъемную пластину 6, а другим выводом через токовывод 11 и токопроводящую инерционную массу 7.

Токовыводы 10, 11, конденсатор 12 и корпус 2 подключены к токопроводящим площадкам на печатной плате 13.

Пьезоэлектрический датчик давления работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика в рабочих ПЭ 4, ПЭ 5 и виброкомпенсирующем ПЭ 8 возникают электрические заряды, пропорциональные приложенному усилию.

При воздействии на датчик вибрационных ускорений колебания корпуса датчика вызывают в рабочих ПЭ 4, ПЭ 5 и виброкомпенсирующем ПЭ 8 деформации сжатия или растяжения, приводящие к возникновению в них электрических зарядов соответственно положительной или отрицательной полярности относительно корпуса датчика. На электродах рабочих ПЭ 4 и ПЭ 5, включенных по электрической схеме встречно с ПЭ 8, возникают заряды противоположного относительно ПЭ 8 знака, что приводит к снижению амплитуды колебаний в электрическом сигнале пьезоэлектрического датчика, вызванных вибрационными ускорениями.

Номинальная величина инерционной массы при проектировании датчика выбирается (расчетом и экспериментом) таким образом, чтобы заряд от ПЭ 8 компенсировал заряды ПЭ 4 и ПЭ 5 в суммарном заряде на выходе датчика при воздействии виброускорения. По причине отклонений электрофизических характеристик ПЭ, особенно для ПЭ из пьезокерамики, и габаритно-массовых параметров деталей датчика от номинальных значений полной виброкомпенсации не происходит. Искажение формы электрического сигнала с датчика давления от воздействия виброударных ускорений, хотя и в меньшей степени, но сохраняется.

При отклонении параметров деталей датчика от номинальных значений, которое приводит к недостаточной величине заряда от компенсирующего ПЭ 8 при воздействии вибрационных ускорений, его вклад в суммарный электрический заряд на выходе датчика необходимо увеличить. Конденсатор 12, соединенный электрически параллельно ПЭ 5, уменьшает напряжение на ПЭ 5, равное отношению заряда ПЭ 5 к сумме емкостей конденсатора 12 и ПЭ 5, что увеличивает вклад ПЭ 8 в суммарный электрический заряд на выходе датчика, обусловленный воздействием вибрационных ускорений. В результате, после подключения конденсатора электрически параллельно ПЭ 5 можно подобрать режим виброкомпенсации, для которого колебания в электрическом сигнале датчика, вызванные вибрационными ускорениями, снижаются и, тем самым, повышается точность регистрации профиля импульсного давления в ударной волне.

Поэтому важной операцией в технологическом процессе сборки пьезоэлектрических датчиков является настройка виброкомпенсации, осуществляемая изменением величины емкости конденсатора 12 при воздействии вибрации, например, на вибростенде. В результате можно подобрать такое значение емкости конденсатора 12, подключенного к ПЭ 5, для которого при воздействии вибрации суммарный заряд будет минимальным, что соответствует оптимальному режиму виброкомпенсации. Подбор емкости конденсатора 12 легко осуществляется конденсатором переменной емкости с последующей установкой в конструкцию датчика давления конденсатора постоянной емкости на печатной плате 13.

Способ определения ПЭ, параллельно которому следует подключать переменный конденсатор при настройке виброкомпенсации, заключается в следующем. Переменный конденсатор подключают на печатной плате 13 сначала к виброкомпенсирующему ПЭ 8 и регистрируют на выходе датчика величину переменного напряжения вольтметром. Если при увеличении емкости переменного конденсатора от нулевого значения напряжение уменьшается, то заряд от виброкомпенсирующего ПЭ 8 избыточный. Подбирают значение емкости конденсатора, при котором напряжение будет минимальным, что соответствует оптимальному режиму виброкомпенсации. Если при увеличении емкости переменного конденсатора от нулевого значения напряжение возрастает, то заряд от виброкомпенсирующего ПЭ 8 недостаточный. В этом случае для настройки виброкомпенсации переменный конденсатор следует подключать на печатной плате 13 электрически параллельно рабочему ПЭ 5 и подбирать значение емкости конденсатора, при котором напряжение будет минимальным, что соответствует оптимальному режиму виброкомпенсации.

С целью 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.

Предприятием АО «ГосНИИмаш» проведена экспериментальная проверка заявленной конструкции датчика давления с ПЭ из пьезокерамики ЦТС-51. Для опытного образца датчика чувствительность к ускорению (виброчувствительность), определенная на вибростенде, составила 8 Па/(м/с²). Переменный конденсатор подключали на печатной плате сначала к виброкомпенсирующему ПЭ и регистрировали вольтметром на выходе датчика величину переменного напряжения. При увеличении емкости переменного конденсатора от нулевого значения напряжение возрастало, оптимальный режим виброкомпенсации не достигался. После подключения переменного конденсатора на печатной плате к рабочему ПЭ и подбора его величины 1000 пФ при закреплении датчика на вибростенде, виброчувствительность датчика снижена до 0,4 Па/(м/с²). Конденсатор переменной емкости заменяли на миниатюрный конденсатор постоянной емкости серии SMD с таким же номиналом, который устанавливали на печатной плате в корпусе датчика.

Таким образом, технический результат (снижение амплитуды колебаний в электрическом сигнале пьезоэлектрического датчика, вызванных вибрационными ускорениями) достигнут, что обеспечивает повышение точности датчика.

Claims (1)

1. Пьезоэлектрический датчик давления ударных волн, содержащий токопроводящий корпус, с одной стороны которого закреплена токопроводящая мембрана, с другой - токопроводящее основание, за мембраной расположены два рабочих пьезоэлемента с токосъемной пластиной между ними, токопроводящая инерционная масса, виброкомпенсирующий пьезоэлемент, поляризованный в противоположном направлении относительно рабочих пьезоэлементов и соединенный с одним из рабочих пьезоэлементов электрически последовательно, отличающийся тем, что введен конденсатор, подключенный электрически параллельно рабочему пьезоэлементу одним выводом через токосъемную пластину, а другим выводом через токопроводящую инерционную массу, и на основание установлена печатная плата с токопроводящими площадками для подключения средств измерений и конденсатора.