SU1040423A1

SU1040423A1 - Пьезоэлектрический преобразователь ускорени

Info

Publication number: SU1040423A1
Application number: SU823435950A
Authority: SU
Inventors: Юрий Николаевич Вильдтгрубе; Николай Константинович Ерофеев; Эрнст Дмитриевич Молчанов
Original assignee: Ленинградский Ордена Ленина И Ордена Красного Знамени Механический Институт; Предприятие П/Я А-1298
Priority date: 1982-05-03
Filing date: 1982-05-03
Publication date: 1983-09-07

Abstract

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ , содержащий чувствительный- элемент из пьезоматериала , соединительный кабель, электрически св занный с основанием, от. личающийс тем, что, с целью повышени точности измерени , основание выполнено в виде цельного осесимметричного тела, на поверхности которого нанесены слой пьезрматериала и провод щий слой, св занный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основани больше его диаметра.

Description

j

(Л

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано , в частности дл измерени ударных и вибрационных ускорений в широко диапазоне частот и амплитуд.

Известен пьезоэлектрический преобразователь ускорени , который состоит из корпуса, инерционного тела и пьезоэлектрического элемен М .

Пьезоэлектрический элемент, вы .полнен в вийе отдельной детали, несущей механическую нагрузку, создаваемую инерционной силой, обусловленной измер емым ускорением , и несущей также все другие механические воздействи , вызванные неизмер е1 ыми вли ющими величинами

Недостатком данного преобразовател вл етс наличие в.его конструкции стыков пьезоэлемента и деталей датчика, воспринимающих и уравновешивающих действующие при измерении нагрузки, что сопр жено с повы1иенной чувствительностью таких преобразователей к деформации корпуса преобразовател - и объекта измерени , и солр жено также с повышенной- поперечной и ротационной чувствительностью.

Наиболее близким к предлагаемому вл етс пьезоэлектрический преобразователь ускорени , содерл ащий чувствительный элемент из пьезоматериала , соединительный кабеЛь, электрически св занный с основанием 2 .

Недостатком известного преобразовател вл етс сравнительно низка точность и.змерени . Это обусловлено тем, что в конструкци х таких преобразователей имеет место передача механических усилий (нагруз.ок.) , возникающих в процессе измерени через посредство стыков пъезоэлемента и других де .талей преобразовател , вследствие чего картина распределени механических напр жений и степень нагружени пьезоэлемента оказываютс в большой мере завис щими не только от инерционных усилий, возникающих под действием измер емого ускорени , но и от р да других механических воздействий,, а также технологических факторов. Механические характеристики стыков (волнистость, шероховатость, контактна жесткость и р д других) полностью определ ютс технологией и вл ютс случайными . Разброс этих характеристик, изменение распределени давлени внутри стыка под действием приложенных нагрузок, изменение температуры , времени воздействи и сочетани этих факторов делают весьма нестабильными характеристики преобразовател , особенно в отношении чувствительности к неизмер емым физическим величинам. С целью уменьшени этого вли ни прибегают к тщательной шлифовке и полировке контактных поверхностей, однако вли ние контактов остаетс все-таки очень значительным. Поэтому чувствительность такого пьезоакселерометра к деформации исключить практически невозможно.

Цель изобретени .- повышение точности измерени ускорений.

Поставленна цель достигаетс тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе ускорений, содержащем чувствительный элемент из пьезоматериала, соединительный кабель , электрически св занный с основанием , основание выполнено в виде цельного осесимметричного тела на поверхности которого нанесены слой пьезоматериала и провод щий слой, св занный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основани больше его диаметра.

На чертеже показан пpeдлaгae iый преобразователь.

В преобразователе на основании 1 с резьбовым хвостовиком,2, служащим дл привинчивани преобразовател на объекте, имеетс цилиндрический осесимметричный выступ 3, на котором напылен слой 4 пьезоэлектрического материала, а на слое 4 нанесена провод ща пленка 5. Кабель б св зи входит Б поперечное отверстие, выполненное- в основании 1, и закрепл етс в нем путем пропайки оплетки этого кабел по наружной поверхности вокруг отверсти , в которое он входит. Кабель использован с фторпластовой изол цией,- выдерживающей нагревание во врем пайки без нарушени , механической и электрической проч ности. Провод ща пленка 5, предварительно электрически соединенна с тонким проводником 7, имеющим изол ционное покрытие, например проводой марк ПЭВ 0,1, пропущена сквозь отверстие 8 в выступе 3 и электрически св зана с центральной жилой кабел 6, например, пайкой. Таким образом, внутренн поверхность пьезоэлектрического сло соединена электрически с экраном кабел б, а наружна - с центральной жилой этого кабел , Пьезопреобразов&тель защищен от внешних воздействий крышкой 9, котора припаиваетс к основанию 1, а полости .в основании 1 заливают изол ционной заливоч.ной массой.

При изготовлении пьезоэлектрический слой 4 необходимо пол ризовать , что можно обеспечивать подачей соответствующего на11р жени по кабелю св зи.

Перёд изменением преобразователь завинчивают в резьбовое отверстие, . предварительно подготовленное в объекте измерени ; ось которого расположена в направлении измер емого .ускорени . Кабель св зи соедин ют с согласующим усилителем.

Пьезоэлектрический преобразователь ускорени работает следующим образом.

В первом приближении, достаточном дл данного рассмотрени , можно считать, что при ударе все элементы объекта и преобразовател испытывают инерционные усили , пр мо . пропорциональные действующему ускорению , и, если ускорение измен етс во времени, то и инерционные усили измен ютс пропорционально усксретнию . Пусть дл определенности ускорение направлено от хвостовика 2 в выступу 3, тогда инерционное усилие, действующее на все уЧасткн выступа 3 направлено,в сторону хвостовика 2. .Под действием этого усили все сечени выступа 3, преодолева упругое сопротивление материала, перемещаютс вниз, причем величина перемещени будет тем больше, чем ниже располагаетс сечение. При этом будет деформироватьс и пьезоэлектрический слой 4-, средн деформаци которого будет также про- . порциональна действующему ускорению . На электроде 5 возникнет зар д , пр мо пропорциональный действующему ускорению, а зар д, в свою очередь, создает на электроде .5 и центральной жиле кабел 6 соответствующее электрическое напр жение ..

Возникающа при ударе .деформаци объекта, над1ример искривление поверхности или раст жение ее в поперечном, по отношению к оси чувствител-ьносТи преобразовател , направлении, не приводит -к возникновению сигнала на выходе пре- , образовател , так как выступ 3, выполненный за. одно целое с основанием 1 и представл к ций собой . осесимметричное тело, ось которо-, го совпадает с осью преобразовате- л , оказываетс нечувствительным к неизмер емым физическим величи-нам в силу следующих причин.

Выступ 3, выполненный за одно целое с основанием 1 и изготовленг ный так, что ось его совпадает с осью симметрии основани , представл ет собой однородное симметри ное тело, в силу чего распределе-. ние напр жений, возникающих от вли ющих величин, в выступе 3 будет симметричным. По этой причине многие вли ющие величины, например

поперечные инерционные усили , привод щие к изгибу стержн , будут компенсироватьс поскольку, с одной стороны пьезоэлектрический слой будет испытывать раст жение, а с другой стороны выступа 3 - сжатие . Возникающие при это .1 зар ды одинаковы по величине и противоположны по знаку, в силу чего они уничтожаютс .

0

Высота выступа 3 больше, чем его диаметр. По этой причине жесткость выступа по отношению к сжатию-раст жению в поперечном направлении, определ ема площадью диаметрального сечени выступа

5 выше, чем в продольном направлении, так как эта жесткость определ етс площадью радиального сечени . По этой причине и чувствительность к продольной деформации, котора воз

0 ннкает под действием измер емого ускорени , выше чувствительности к поперечной деформации, вызванной паразитной деформацией объекта и основани преоб.разовател .

5

Пьезоэлектрический слой, нанесенный на .поверхность выступа 3 мето дами интегральной технологии, может иметь значительно большую однородность и равномерность по

0 толщине по сравнению с прототипом, где стык пьезоэлемент-основание вносит большую неойределенность в картину распределени напр жений. По этой причине механические и .

5 электрические свойс.тва сло также будут значительно более однородными и равномерными, что обеспечивает высокую степень компенсации противоположных зар дов при изгибных напр жени х,поэтому чувст0 . вительность предлагаемого преобразовател к неизмер емым физическим величина будет существенно ниже..

Кроме того, предлагаемый пре5 образователь может быть изготовлен чрезвьй-айно малых габаритов и весов, ранее не доступных дл производства. Габариты преобразовател легко могут быть по край0 ней мере в 2 раза уменьшены по сравнению с.существующими миниатюрными преобразовател ми, масса при этом уменьшитс в 4 ра1за (до О,9 г).

5

Ввиду отсутстви переходных контактных жесткостеИ стыков, а .также благодар , существенному уменьшению габаритов преобразовател его собственна частота возрастает примерно в 2 раз.а по сравнению с

0 известным (резонансна частота увеличитс при этом примерно до 400 кГц), а прочность и предел измерени возрастут также примерно в 2 раза (до 2-10 ). Предлагаемый преобразователь обеспечивает значительно большую точность благодар выполнению основаии в виде немного осесимметричного тела, на поверхность которого нанесен слой пьезоматериала и провод щий слой, соединенный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основани больше его диаметра.

Claims

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ , содержащий чувствительный элемент из пьезоматериала, соединительный кабель, электрически связанный с основанием, от. лич ающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, основание выполнено в виде цельного осесимметричного тела, на поверхности которого нанесены слой пьезоматериала и проводящий слой, связанный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основания больше его диаметра.