RU71773U1

RU71773U1 - SMALL HIGH-SENSITIVE ACCELERATION SENSOR

Info

Publication number: RU71773U1
Application number: RU2007117172/22U
Authority: RU
Inventors: Леонид Михайлович Игнатов; Александр Сергеевич Кусков
Original assignee: Государственное учреждение войсковая часть 35533
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-03-20

Abstract

Датчик может быть использован для измерения ускорений различных машин и механизмов с высокой точностью. Датчик содержит основание, на котором размещены пьезочувствительный элемент (ПЧЭ) и груз. Между ПЧЭ и основанием и ПЧЭ и грузом установлены распределительные вставки из материала с большим модулем упругости так, что контуры их сечения полностью покрывают контуры сечения ПЧЭ. ПЧЭ соединен с усилителем напряжения. Величина электрической емкости ПЧЭ Со выбирается из условия оптимального шумового согласования с усилителем напряжения равной Св+i(ωe)^-1, где Св - емкость входа усилителя, включая емкость монтажа, i - шумовой ток усилителя, е - шумовая ЭДС усилителя, ω - рабочая частота датчика, а масса груза m=1/ω₀ ²/Ск, где ω₀ - частота механического резонанса датчика, Ск - суммарная механическая гибкость распределительных вставок и ПЧЭ, соответствующая его электрической емкости Со. Распределительные вставки позволяют, не изменяя емкости ПЧЭ Со, повысить жесткость стыков ПЧЭ-основание и ПЧЭ-груз без уменьшения усилий давления груза на ПЧЭ, что приводит к увеличению коэффициента преобразования ПЧЭ. Использование усилителя напряжения и его оптимальное согласование по шумам с ПЧЭ позволяет максимизировать отношение сигнал/шум при ограничениях, накладываемых на объем малогабаритного датчика ускорений. Выбор массы, исходя из условия оптимального согласования ПЧЭ с усилителем, позволяет повысить отношение сигнал/шум при ограничениях, накладываемых на массу датчика ускорений. Таким образом предлагаемое устройство при меньших габаритах позволяет реализовать датчики ускорений с высокой чувствительностью.The sensor can be used to measure the acceleration of various machines and mechanisms with high accuracy. The sensor contains a base on which a piezosensitive element (PCE) and a load are placed. Distribution inserts made of a material with a large modulus of elasticity are installed between the PCE and the base and the PCE and the load so that the contours of their section completely cover the contours of the section of the PCE. PCE is connected to a voltage amplifier. The value of the electric capacity of the PChE Co is selected from the condition of optimal noise matching with the voltage amplifier equal to CB + i (ωe) ^-1 , where CB is the input capacitance of the amplifier, including the mounting capacitance, i is the noise current of the amplifier, e is the noise emf of the amplifier, ω is the working the frequency of the sensor, and the mass of the load m = 1 / ω ₀ ² / Ck, where ω ₀ is the frequency of the mechanical resonance of the sensor, Ck is the total mechanical flexibility of the distribution inserts and the PCE corresponding to its electric capacity Co. Distribution inserts allow, without changing the capacity of the PChE Co, to increase the stiffness of the joints of the PChE-base and PChE-load without reducing the pressure load of the load on the PChE, which leads to an increase in the coefficient of conversion of the PChE. The use of a voltage amplifier and its optimal matching in noise with PCE allows you to maximize the signal-to-noise ratio under the restrictions imposed on the volume of a small acceleration sensor. The choice of mass, based on the condition of optimal matching of the PCE with the amplifier, allows to increase the signal-to-noise ratio under the restrictions imposed on the mass of the acceleration sensor. Thus, the proposed device with smaller dimensions allows you to implement acceleration sensors with high sensitivity.

Description

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении динамических ускорений различных машин и механизмов с высокой точностью.The proposed device relates to measuring technique and can be used to measure dynamic accelerations of various machines and mechanisms with high accuracy.

Известны датчики ускорений, содержащие пьезочувствительный элемент (ПЧЭ), груз, RC-фильтр, схему преобразования полного сопротивления и схему обработки сигнала /1. Патент Японии JP 131839. Ямашита Мунехари, Датчик ускорения/. ПЧЭ осуществляет преобразование механических сил, вызываемых ускорением груза, в электрическое напряжение. Затем электрический сигнал ПЧЭ подается на фильтр и далее на схемы преобразования сопротивлений и обработки сигнала. RC-фильтр формирует необходимую частотную характеристику датчика, преобразователь сопротивлений Known acceleration sensors containing a piezosensitive element (PCE), a load, an RC filter, an impedance conversion circuit, and a signal processing circuit / 1. Japan Patent JP 131839. Yamashita Munehari, Acceleration Sensor. PCE converts the mechanical forces caused by the acceleration of the load into electrical voltage. Then the electrical signal of the PCE is fed to the filter and then to the resistance conversion and signal processing circuits. RC filter generates the necessary frequency response of the sensor, a resistance converter

осуществляет усиление сигнала и согласование выходного сопротивления ПЧЭ, которое обычно составляет десятки и сотни мегом, с входным сопротивлением схемы обработки сигнала, которое, как правило, единицы и десятки килоом. Точность измерения ускорений определяется отношением сигнал/шум, которое может быть реализовано на входе схемы обработки сигналов при заданном ускорении а. Реализуемое значение отношения сигнал/шум зависит от собственных электрических шумов усилителя, используемого в преобразователе сопротивлений, коэффициента преобразования ПЧЭ и качества шумового согласования ПЧЭ со входом усилителя. Для усиления сигнала могут быть использованы усилители заряда или усилители напряжения. И в том и в другом случае для шумового согласования ПЧЭ с усилителем /2. Коган С.Л. Тез. докл. 2-й Дальневосточной акустической конф. «Человек и океан», Владивосток. 1982, ч. 4./ выходная емкость ПЧЭ Со должна выбираться вполне определенной величины, определяемой эквивалентной шумовой емкостью входа усилителя, зависящей от шумового тока i и шумовой ЭДС е усилителя, емкости монтажа Св, а также рабочей частоты ω датчика. В то же время от величины Со зависит и частотная характеристика RC- фильтра. По этой причине в рассматриваемом устройстве в качестве усилителей целесообразно использовать усилители заряда, в которых за счет введения обратной связи можно влиять на величину эквивалентной шумовой емкости усилителя и, соответственно, на величину емкости Со. Это позволяет при оптимальном согласовании ПЧЭ с усилителем по шумам обеспечить требуемый вид частотной характеристики датчика. Однако при этом потенциально реализуемое отношение сигнал/шум хуже, чем при использовании усилителей напряжения, в которых наличие обратных связей не является принципиально необходимым /2/.carries out signal amplification and matching of the output resistance of the PCE, which is usually tens and hundreds of megohms, with the input resistance of the signal processing circuit, which, as a rule, is one and tens of kilo-ohms. The accuracy of the acceleration measurement is determined by the signal-to-noise ratio, which can be implemented at the input of the signal processing circuit for a given acceleration a. The real value of the signal-to-noise ratio depends on the intrinsic electrical noise of the amplifier used in the resistance converter, the conversion coefficient of the frequency element and the quality of the noise matching of the frequency element with the input of the amplifier. To amplify the signal, charge amplifiers or voltage amplifiers can be used. In both cases, for the noise matching of the PCE with the amplifier / 2. Kogan S.L. Thes. doc. 2nd Far Eastern Acoustic Conf. “Man and the ocean”, Vladivostok. 1982, part 4. / the output capacitance of the PCHE Co should be selected of a well-defined value, determined by the equivalent noise capacity of the amplifier input, depending on the noise current i and the noise emf of the amplifier, mounting capacitance Sv, and also the operating frequency ω of the sensor. At the same time, the frequency response of the RC filter also depends on Co. For this reason, in the device under consideration, it is advisable to use charge amplifiers as amplifiers, in which, due to the introduction of feedback, it is possible to influence the value of the equivalent noise capacity of the amplifier and, accordingly, the value of the capacitance Co. This allows for optimal matching of the PCE with the amplifier in terms of noise to provide the required form of the frequency response of the sensor. However, in this case, the potentially realized signal-to-noise ratio is worse than when using voltage amplifiers in which the presence of feedbacks is not fundamentally necessary / 2 /.

Кроме того, в малогабаритных датчиках ускорений для уменьшения его габаритов необходимо уменьшать высоту h ПЧЭ, а это, при постоянстве емкости Со, приводит к уменьшению площади S поперечного сечения ПЧЭ, т.к. In addition, in small acceleration sensors, in order to reduce its dimensions, it is necessary to reduce the height h of the PCE, and this, with a constant capacitance Co, leads to a decrease in the cross-sectional area S of the PCE, since

Co=###U1108S/h, где ###U1108 - диэлектрическая проницаемость материала ПЧЭ. Уменьшение площади ПЧЭ приводит к увеличению эквивалентной гибкости механических стыков ПЧЭ-опора и ПЧЭ-груз, в результате чего падает коэффициент преобразования ПЧЭ и, соответственно, отношение сигнал/шум и точность измерения ускорений.Co = ### U1108S / h, where ### U1108 is the dielectric constant of the PCE material. The reduction in the area of the PCE leads to an increase in the equivalent flexibility of the mechanical joints of the PCE-support and the PCE-load, as a result of which the conversion coefficient of the PCE and, accordingly, the signal-to-noise ratio and the accuracy of the measurement of accelerations decrease.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является датчик ускорений, содержащий в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический модуль и груз, совместно образующие механическую резонансную систему, который является прототипом /3. Патент Японии JP 5084871 В4. Сэкисуй Касэйхин, Охари Есинобу и др. Датчик ускорений, например, в машине для ударных испытаний/. Пьезоэлектрический модуль прототипа является комбинированным и содержит матрицу из синтетической смолы, внутри которой расположены пьезоэлектрические стержни из неорганического материала, поляризованные по длине. Смола матрицы имеет модуль упругости меньше модуля упругости стержней. Матрица и стержни образуют монолитную конструкцию. Наличие матрицы позволяет увеличить площадь опоры пьезомодуля на основание и груз и, тем самым, обеспечить их более жесткое соединение при фиксированной емкости Со и высоте h ПЧЭ.Closest to the claimed device in technical essence is an acceleration sensor containing as a sensitive element a piezoelectric module and a load, together forming a mechanical resonant system, which is the prototype / 3. Japan Patent JP 5084871 B4. Sekisui Kaseikhin, Ohari Yoshinobu et al. Acceleration sensor, for example, in a shock test machine. The piezoelectric module of the prototype is combined and contains a matrix of synthetic resin, inside of which there are piezoelectric rods of inorganic material, polarized in length. The matrix resin has an elastic modulus less than the elastic modulus of the rods. The matrix and rods form a monolithic structure. The presence of the matrix makes it possible to increase the area of the piezoelectric module support on the base and load and, thereby, provide their more rigid connection at a fixed capacitance Co and height h ПЧЭ.

Недостатком прототипа является то, что смола матрицы, внутрь которой вставлены ПЧЭ, увеличивая жесткость стыков элементов конструкции датчика, одновременно воспринимает часть усилий давления груза на пьезоэлектрический модуль, в результате чего сила давления на пьезоэлектрические элементы снижается. Уменьшение силы давления приводит к некоторому уменьшению коэффициента преобразования чувствительного элемента и, соответственно, к ухудшению отношения сигнал/шум и точности измерения ускорений. Увеличить силу давления Р при тех же измеряемых ускорениях а можно увеличив массу груза m, т.к. F=ma, P=Fα, где α - некоторый коэффициент пропорциональности. Однако такое решение не применимо в малогабаритных датчиках, объем и масса m груза которых не должны превышать The disadvantage of the prototype is that the matrix resin, inside which the PCEs are inserted, increasing the stiffness of the joints of the sensor structural elements, simultaneously perceives part of the load pressure forces on the piezoelectric module, as a result of which the pressure force on the piezoelectric elements decreases. A decrease in the pressure force leads to a certain decrease in the conversion coefficient of the sensitive element and, consequently, to a deterioration in the signal-to-noise ratio and the accuracy of the measurement of accelerations. To increase the pressure force P at the same measured accelerations a, you can increase the load mass m, because F = ma, P = Fα, where α is a certain proportionality coefficient. However, such a solution is not applicable in small sensors, the volume and mass m of which should not exceed

величин, заданных в технических требованиях на проектирование. Кроме того, рассматриваемая конструкция является весьма трудоемкой в изготовлении и сложной в регулировке.values specified in the design specifications. In addition, the design in question is very laborious to manufacture and difficult to adjust.

Задачей предлагаемого устройства является повышение точности измерения ускорений при уменьшении габаритов датчика.The objective of the proposed device is to increase the accuracy of measuring accelerations while reducing the size of the sensor.

Поставленная задача решается тем, что между пьезочувствительным элементом и основанием и пьезочувствительным элементом и грузом установлены распределительные вставки так, что контуры их сечения полностью покрывают контуры сечения пьезочувствительного элемента, причем распределительные вставки изготовлены из материала с модулем упругости больше модуля упругости материала основания и груза, выход пьезочувствительного элемента соединен со входом малошумящего усилителя напряжения, при этом величина электрической емкости пьезочувствительного элемента Со выбирается равной Св+i(ωe)^-1, где Св - емкость входа усилителя, включая емкость монтажа, i - шумовой ток усилителя, е - шумовая ЭДС усилителя, ω - рабочая частота датчика, а масса груза выбирается из условия m=1/ω₀ ²/Cк, где ω₀ - требуемая частота механического резонанса датчика, Ск - суммарная механическая гибкость распределительных вставок и пьезочувствительного элемента, соответствующая его электрической емкости Со.The problem is solved in that between the piezosensitive element and the base and the piezosensitive element and the load distribution inserts are installed so that the contours of their cross-section completely cover the contours of the cross-section of the piezo-sensitive element, and the distribution inserts are made of a material with an elastic modulus greater than the elastic modulus of the base and load material, output the piezosensitive element is connected to the input of a low-noise voltage amplifier, while the magnitude of the electric capacitance of the piezoelectric sensing device of the component Co is chosen equal to Cv + i (ωe) ^-1 , where Cv is the amplifier input capacitance, including the mounting capacitance, i is the amplifier noise current, e is the amplifier noise emf, ω is the sensor operating frequency, and the load mass is selected from the condition m = 1 / ω ₀ ² / Cк, where ω ₀ is the required frequency of the mechanical resonance of the sensor, Ck is the total mechanical flexibility of the distribution inserts and the piezosensitive element, corresponding to its electric capacity Co.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом (фиг.1). Датчик ускорений содержит основание 1, ПЧЭ 2, груз 3. Между ПЧЭ и основанием и ПЧЭ и грузом установлены распределительные вставки 4.1 и 4.2. Усилитель напряжения 5 монтажными проводами 6 соединен с выходом ПЧЭ. Высота ПЧЭ h выбирается максимально возможной из допустимых по габаритным ограничениям значений. Площадь сечения распределительных вставок выбирается больше площади сечения ПЧЭ, а устанавливаются они так, что контуры их сечения полностью покрывают контуры сечения ПЧЭ. В качестве материала вставок используются диэлектрические или металлические материалы с модулем упругости больше модуля упругости материалов основания и груза.The proposed device is illustrated in the drawing (figure 1). The acceleration sensor contains a base 1, a PCE 2, a load 3. Between the PCE and the base and the PCE and the load, distribution inserts 4.1 and 4.2 are installed. The voltage amplifier 5 by mounting wires 6 is connected to the output of the PChE. The height of the BSE h is selected as high as possible from the values admissible according to the overall restrictions. The cross-sectional area of the distribution inserts is selected larger than the cross-sectional area of the PChE, and they are installed so that the contours of their cross-section completely cover the contours of the cross-section of the PCE. As the material of the inserts, dielectric or metallic materials with an elastic modulus greater than the elastic modulus of the base and load materials are used.

Выходная емкость пьезочувствительного элемента Со выбирается из условия его оптимального шумового согласования с усилителем напряжения /2/ равной Св+i(ωe)^-1, где Св - емкость входа усилителя, включая емкость монтажа, i - шумовой ток усилителя, е - шумовая ЭДС усилителя, ω - рабочая частота датчика. Масса груза m выбирается исходя из требуемой частоты ω₀ механического резонанса равной 1/ω₀ ²/Cк, где Ск - суммарная механическая гибкость распределительных вставок и пьезочувствительного элемента, соответствующая его электрической емкости Со.The output capacitance of the piezosensitive element Co is selected from the condition of its optimal noise matching with the voltage amplifier / 2 / equal to CB + i (ωe) ^-1 , where CB is the input capacitance of the amplifier, including the mounting capacitance, i is the noise current of the amplifier, e is the noise emf of the amplifier , ω is the operating frequency of the sensor. The mass of the load m is selected based on the required frequency ω _{0 of the} mechanical resonance equal to 1 / ω ₀ ² / Cк, where Ck is the total mechanical flexibility of the distribution inserts and the piezosensitive element, corresponding to its electric capacity Co.

Работает датчик ускорения следующим образом. При проектировании малогабаритных датчиков ускорений необходимо уменьшать высоту ПЧЭ h. В случае, когда площадь ПЧЭ больше или равна площади груза, механические усилия в грузе и основании, вызываемые ускорением груза, распределены равномерно по сечению и коэффициент преобразования ПЧЭ достигает максимального значения. Однако при уменьшении h при фиксированной емкости Со уменьшается и площадь S механического контакта ПЧЭ с основанием и грузом. В результате этого, когда площадь ПЧЭ S становится меньше площади груза, механические усилия по сечению основания и груза перераспределяются: в месте механического контакта усилия намного выше, чем при удалении от него в толщу материала и к его периферии. Поскольку механическая гибкость ПЧЭ при этом не изменяется, то это эквивалентно увеличению гибкости механического стыка ПЧЭ-основание и ПЧЭ-груз. Увеличение гибкости, соответственно, приводит к снижению коэффициента преобразования ПЧЭ. Распределительные вставки из материала с большим модулем упругости, имеющие площадь сечения больше или равную площади ПЧЭ, позволяют без изменения емкости ПЧЭ Со уменьшить неоднородность распределения усилий и, тем самым, повысить жесткость стыков ПЧЭ-основание и ПЧЭ-груз. При этом, вследствие расположения вставок в конструкции, увеличение жесткости стыков не сопровождается уменьшением усилий давления груза на ПЧЭ, что также позволяет повысить коэффициент преобразования. The acceleration sensor works as follows. When designing small-sized acceleration sensors, it is necessary to reduce the height of the PSE h. In the case where the area of the BSE is greater than or equal to the area of the load, the mechanical forces in the load and base caused by the acceleration of the load are distributed evenly over the cross section and the conversion coefficient of the BSE reaches its maximum value. However, with decreasing h with a fixed capacitance Co, the area S of the mechanical contact of the PCE with the base and the load also decreases. As a result of this, when the area of the PSE S becomes smaller than the area of the load, the mechanical forces along the cross section of the base and the load are redistributed: at the place of mechanical contact, the forces are much higher than when moving away from it into the thickness of the material and to its periphery. Since the mechanical flexibility of the PCE does not change, this is equivalent to an increase in the flexibility of the mechanical interface of the PCE base and PCE load. The increase in flexibility, respectively, leads to a decrease in the conversion coefficient of the PCE. Distribution inserts made of a material with a large modulus of elasticity, having a cross-sectional area greater than or equal to the area of the PChE, can, without changing the capacity of the PChE Co, reduce the heterogeneity of the distribution of forces and, thereby, increase the stiffness of the joints of the PChE-base and PChE-load. In this case, due to the location of the inserts in the structure, an increase in the stiffness of the joints is not accompanied by a decrease in the load pressure forces on the PChE, which also allows to increase the conversion coefficient.

Использование усилителя напряжения и его оптимальное согласование по шумам с ПЧЭ позволяет максимизировать отношение сигнал/шум при ограничениях, накладываемых на объем малогабаритного датчика ускорений /2/. Выбор массы исходя из условия оптимального согласования ПЧЭ с усилителем позволяет обеспечить максимизировать отношение сигнал/шум при ограничениях, накладываемых на массу датчика ускорений. Таким образом, предлагаемое устройство при меньших габаритах позволяет реализовать датчики ускорений с высокой чувствительностью.The use of a voltage amplifier and its optimal matching in noise with the PCE allows you to maximize the signal-to-noise ratio under the restrictions imposed on the volume of a small acceleration sensor / 2 /. The choice of mass based on the condition of optimal matching of the PCE with the amplifier allows to maximize the signal-to-noise ratio under the restrictions imposed on the mass of the acceleration sensor. Thus, the proposed device with smaller dimensions allows you to implement acceleration sensors with high sensitivity.

Сборка датчика может быть произведена, например, путем склеивания или спекания его составных частей. Возможна также сборка путем механической стяжки частей с помощью винта и гайки (для этого в центральной части датчика необходимо образовать отверстие, которое на чертеже не показано). Способ сборки принципиального значения не имеет.The assembly of the sensor can be carried out, for example, by gluing or sintering its components. Assembly is also possible by mechanical tightening of the parts with a screw and nut (for this purpose, a hole must be formed in the central part of the sensor, which is not shown in the drawing). The assembly method is not of fundamental importance.

Экспериментально измерялись шумовые параметры предлагаемого устройства и прототипа. В качестве усилителя использовался усилитель напряжения, эквивалентная шумовая емкость которого определялась экспериментально и составила на рабочей частоте 98 пФ при емкости входа усилителя 10 пФ и емкости монтажа 35 пФ. Выходная емкость пьезочувтвительных элементов выбиралась из условия оптимального шумового согласования и составила 100 пФ при площади сечения S=12 мм² и высоте h=2 мм. Площадь сечения груза составляла 314 мм², груз изготавливался из стали марки Ст3. Распределительные вставки площадью 49 мм² и толщиной 1 мм изготавливались из конструкционной керамики, масса груза предлагаемого устройства при требуемой резонансной частоте составила 22 грамма. Матрица прототипа изготавливалась из эпоксидного компаунда, площадь сечения матрицы выбиралась равной площади вставок и составила 49 мм². Частота механического резонанса датчиков выбиралась одинаковой. Масса груза прототипа при той же резонансной частоте составила 30 грамм. При этом при одинаковой величине ускорений измеренное отношение сигнал/шум прототипа и предлагаемого The noise parameters of the proposed device and prototype were experimentally measured. A voltage amplifier was used as an amplifier, the equivalent noise capacitance of which was determined experimentally and amounted to 98 pF at an operating frequency with an amplifier input capacitance of 10 pF and an installation capacitance of 35 pF. The output capacitance of the piezo-sensing elements was selected from the condition of optimal noise matching and amounted to 100 pF with a cross-sectional area S = 12 mm ² and a height h = 2 mm. The cross-sectional area of the cargo was 314 mm ² , the cargo was made of steel grade St3. Distribution inserts with an area of 49 mm ² and a thickness of 1 mm were made of structural ceramics, the load weight of the proposed device at the required resonant frequency was 22 grams. The matrix of the prototype was made of an epoxy compound, the cross-sectional area of the matrix was chosen equal to the area of the inserts and amounted to 49 mm ² . The frequency of the mechanical resonance of the sensors was chosen the same. The mass of the prototype at the same resonant frequency was 30 grams. Moreover, with the same magnitude of acceleration, the measured signal-to-noise ratio of the prototype and the proposed

устройства практически совпадали, при массе предлагаемого устройства почти в полтора раза меньшей.the devices practically coincided, with the mass of the proposed device almost one and a half times smaller.

Claims

A small, highly sensitive acceleration sensor containing a base, a piezosensitive element and a load, characterized in that distribution inserts are installed between the piezosensitive element and the base and the piezosensitive element and the load so that their section contours completely cover the section contours of the piezosensitive element, and the distribution inserts are made of material with the elastic modulus is greater than the elastic modulus of the base material and the load, the output of the piezosensitive element is connected voltage to the input of the low noise amplifier, the value of the capacitance element pezochuvstvitelnogo Co chosen equal St + i (ωe) ^-1, where St - amplifier input capacitance, including the capacitance of installation, i - noise current amplifier, e - emf noise amplifier, ω - the operating frequency of the sensor, and the mass of the load is selected from the condition m = 1 / ω ₀ ² / Ck, where ω ₀ is the required frequency of the mechanical resonance of the sensor, Ck is the total mechanical flexibility of the distribution inserts and the piezosensitive element, corresponding to its electric capacity Co.