SU1000919A1

SU1000919A1 - Piezoresonance accelerometer

Info

Publication number: SU1000919A1
Application number: SU813352847A
Authority: SU
Inventors: Евгений Викторович Андреев
Original assignee: Научно-Исследовательский Институт Интроскопии
Priority date: 1981-11-11
Filing date: 1981-11-11
Publication date: 1983-02-28

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения линейных и вибрационных ускорений, преимущественно малых - единицы и доли единиц м/с^.The invention relates to measuring technique, namely to a technique for measuring linear and vibrational accelerations, mainly small - units and fractions of units m / s ^.

Известны пьезорезонансные акселе- ⁵рометры, содержащие пьезоэлементы и инерционную массу tl ] .Piezoresonance accelerometers ^{5 are} known that contain piezoelectric elements and inertial mass tl].

Конструкция этих акселерометров предусматривает работу пьезоэлемен- ₁₍тов в режиме сжатия-растяжения, что не всегда обеспечивает необходимую ’ чувствительность.The design of these accelerometers provides for the operation of piezoelectric elements _{1 (} com in compression-tension mode, which does not always provide the necessary sensitivity.

Известен также виброакселерометр, 1 построенный на основе рамной конст- рукции (.2) .Also known is a vibration accelerometer, 1 constructed on the basis of a frame construction (.2).

Пьезоэлементы данной конструкции работают на изгиб, что увеличивает чувствительность акселерометров, но ²приводит также к увеличению и боковой 'чувствительности. Но во многих случдях чувствительность рамной конст2 рукции оказывается также недостаточ-: ной.The piezoelectric elements of this design work on bending, which increases the sensitivity of the accelerometers, but ² also leads to an increase in lateral sensitivity. But in many cases the sensitivity of the frame construction is also insufficient:

Цель изобретения - повышение чувствительности и помехозащищенности акселерометра.The purpose of the invention is to increase the sensitivity and noise immunity of the accelerometer.

Указанная .цель достигается тем, что корпус выполнен в виде кольца, на противоположных торцах которого расположены взаимно перпендикулярно пьезоэлементы, между которыми на их серединах установлена инерционная масса.The indicated goal is achieved by the fact that the housing is made in the form of a ring, on the opposite ends of which are piezoelectric elements mutually perpendicular, between which an inertial mass is installed at their midpoints.

Пьезоэлементы предварительно напряжены посредством винтов, расположенных параллельно одному из пьезоэлементов по обе его стороны, соединяющих противоположные поверхности корпуса.Piezoelectric elements are prestressed by means of screws located parallel to one of the piezoelectric elements on both its sides, connecting opposite surfaces of the housing.

Внутри корпуса расположены два винта для создания начальной стяжки корпуса.Inside the housing are two screws to create the initial screed of the housing.

Инерционная масса под действием измеряемого ускорения оказывает возThe inertial mass under the influence of measured acceleration

1000919 4 действие на середины жестко закрепленных по концам пьезоэлементов перпендикулярно их продольной оси. При этом небольшое воздействие инерционной массы вызывает значительные g напряжения растяжения в материале пьезоэлементов в соответствии с законами сопротивления материалов: напряжение растяжения в тонкой длинной пластине, жестко защемленной по кон- ю цам, обратно пропорционально стреле прогиба.1000919 4 action on the midpoints of the piezoelectric elements rigidly fixed at the ends perpendicular to their longitudinal axis. At the same time, a small inertial mass effect causes significant g tensile stresses in the piezoelectric material in accordance with the laws of material resistance: tensile stress in a thin long plate rigidly clamped at the ends is inversely proportional to the deflection arrow.

Этот эффект вызывает повышение чувствительности акселерометра.This effect causes an increase in the sensitivity of the accelerometer.

Расположение пьезоэлементов взаим- 15 .но перпендикулярно приводит к увели- , чению поперечной жесткости системы пьезоэлементы - инерционная масса,, а это обеспечивает уменьшение поперечной чувствительности. 20The arrangement of the piezoelectric elements mutually 15. Perpendicularly leads to an increase in the transverse stiffness of the system of piezoelectric elements - inertial mass, and this ensures a decrease in the transverse sensitivity. 20

На фиг.1 представлен предлагаемый акселерометр; на фиг. 2 - то же 'вид сверху.Figure 1 presents the proposed accelerometer; in FIG. 2 - the same 'top view.

Акселерометр содержит кольцевой* корпус 1, на котором с разных < ²⁵ торцов взаимно перпендикулярно закреплены два кварцевых пьезорезонатора 2 и 3· К пьезорезонаторам, между ними, жестко укреплена инерционная масса 4. Корпус стянут двумя винтами 5, котог ³» рые,. деформируя его, создают в пьезорезонаторах начальные механические 'напряжения^ в пьезореаонаторе 2 сжатие, а в пьезорезонаторе 3 * растяжение. .35The accelerometer contains an annular * case 1, on which two quartz piezoresonators 2 and 3 are mutually perpendicularly fixed from different < ²⁵ ends. To the piezoresonators, the inertial mass 4 is rigidly fixed between them. The housing is pulled together with two screws 5, which are ³ ”. deforming it, they create initial mechanical stresses in the piezoresonators ^ in the piezoelectric resonator 2 compression, and in the piezoresonator 3 * tension. .35

Устройство работает еледующим_образом.The device works with image_.

Измеряемое виброускорение, действующее по оси кольцевого корпуса перпендикулярно пьезорезонаторам, пере- 40 дается с объекта на корпус 1, ас него через пьезорезонаторы 2 и 3— на инерционную массу 4. Инерционная масса под действием ускорения оказывает воздействие на пьезорезонаторы, вызы- 45 вая в них дополнительные механические напряжения одного знака - растяжение.The measured vibration acceleration, acting along the axis of the annular body perpendicular to the piezoresonators, is transferred from the object to the housing 1, while it passes through the piezoresonators 2 and 3 to the inertial mass 4. The inertial mass acts on the piezoresonators, causing them to cause 45 additional mechanical stresses of the same sign - tension.

Например, если в данный момент времени инерционная масса стремится смес титься вверх (по чертежу.), то в пьезорезонаторе 2 начальное напряжение сжатия (at уменьшится на величину Ad, а в пьезорезонаторе 3 начальное растяжение dp увеличится на Δ<ο . Соответе ственно изменяются и резонансные частоты пьезорезонаторов. Если же инерционная масса стремится переместиться вниз, то изменения начальных механических напряжений пьезорезонаторов и их частоты получают противоположный знак.For example, if at the given moment the inertial mass tends to mix upward (according to the drawing), then in the piezoresonator 2 the initial compression stress (at decreases by Ad, and in the piezoresonator 3 the initial tensile dp increases by Δ <ο. resonant frequencies of piezoresonators If the inertial mass tends to move down, then the changes in the initial mechanical stresses of the piezoresonators and their frequencies get the opposite sign.

Пьезорезонаторы 2 и 3 включаются в схемы автогенераторов. Схема обраг ботки частотных сигналов может быть выбрана различной в зависимости от конкретных задач. Например, сигналы с автогенераторов можно подать на частотные детекторы, а далее - на суммирующий усилитель.Piezoresonators 2 and 3 are included in the schemes of oscillators. The processing circuit of the frequency signals can be selected different depending on specific tasks. For example, signals from self-oscillators can be fed to frequency detectors, and then to a summing amplifier.

Claims

The invention relates to a measuring technique, namely to a technique for measuring linear and vibration accelerations, preferably small ones — units and fractions of units m / s. Piezoresonance accelerometers are known, containing piezoelectric elements and inertial mass tl. The design of these accelerometers provides for the operation of piezoelectric elements in compression-growth mode, which does not always provide the necessary sensitivity. Also known vibroaccelerometer built on the basis of the frame structure of the L2. Piezoelements of this design work to bend, which increases the sensitivity of accelerometers, but also leads to an increase and laterally; sensitivity. But in many cases the sensitivity of the frame structure also turns out to be insufficient. The purpose of the invention is to increase the sensitivity and noise immunity of the accelerometer. This gap is achieved by the fact that the casing is made in the form of a ring, on the opposite ends of which there are mutually perpendicular piezoelements, between which inertial mass is installed at their midpoints. The piezoelectric elements are prestressed by means of screws arranged parallel to one of the piezoelectric elements on both sides of the body, connecting the opposite surfaces of the body. Two screws are located inside the body to create the initial body grip. The inertial mass under the action of the measured acceleration affects the centers of piezoelements rigidly fixed at the ends perpendicular to their longitudinal axis. At the same time, a small impact of inertial mass causes significant tensile stresses in the material of the piezoelectric elements in accordance with the laws of resistance of materials: the tensile stress in a thin long plate rigidly clamped at the ends is inversely proportional to the deflection arrow. This effect causes an increase in the sensitivity of the accelerometer. The arrangement of the piezoelectric elements is mutual. but perpendicularly leads to an increase in the transverse rigidity of the piezoelectric system — inertial mass, and this provides a decrease in the transverse sensitivity. Figure 1 presents the proposed accelerometer; in fig. 2 - the same. view from above. The accelerometer contains an annular housing 1 on which laziness is mutually perpendicularly fixed from different ends of the g face to each other. two quartz piezoresonators 2 and 3. To the piezoresonators, between them, the inertial mass k is rigidly fixed. The case is mounted with two screws 5, which are ,. To deform it, the initial mechanical stresses are created in the piezo resonators: in the piezoreaonator 2, the pressure is applied, and in the piezoresonator 3 it is stretched. The device operates as follows. The measured vibration acceleration acting on the axis of the annular body perpendicular to the piezoresonators is transmitted from the object to the housing 1, and through the piezoresonators 2 and 3 to the inertial mass k. The inertial mass under the action of acceleration affects the piezoresonators, causing additional mechanical ones in them, and the stresses of the same sign are stretched. For example, if at this time the inertial mass tends to mix up to J (up to the drawing.), Then in the piezoresonator 2 the initial compressive stress loc will decrease by the amount and in the piezoresonator 3 the initial stretch p will increase by. The resonant frequencies of piezoresonators are also changed accordingly. If the inertial mass tends to move downwards, then the changes in the initial mechanical stresses of the piezoresonators and their frequencies get the opposite sign. Piezo resonators 2 and 3 are included in auto generator circuits. The processing scheme of frequency signals can be chosen differently depending on specific tasks. For example, signals from autogenerators can be sent to frequency detectors, and then to a summing amplifier. Claim 1. Piezoresonance accelerometer, comprising a housing with 3 piezoelectric elements installed and an inertial mass, characterized in that, in order to increase the sensitivity, the housing is made in the form of a ring, on the opposite ends of which there are mutually perpendicular i piezoelements between which in their middle installed inertial mass. 2. An accelerometer as claimed in claim 1, which includes the fact that the piezoelectric elements are prestressed by means of screws arranged parallel to one of the piezoelectric elements on both sides of it, connecting the opposite surfaces of the housing. Sources of information taken into account in the examination 1.Nalov V.V. Piezoresonance sensors. M., Energie, 1978; FIG. Z-P.

2. The same figure. 5-11 e (prototype).