SU1760465A1 - Пьезоэлектрический акселерометр - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано при измерении динамических процессов в машинах и механизмах. Сущность изобретени : акселерометр содержит основание со стойкой, перпендикул рной основанию, сдвиговый пьезопреобразова- тель и инерционный элемент, расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с ней. инерционный элемент и обращенна  к нему поверхность основани  выполнены наклоненными к периферии основани . Оптимальные значени  угла наклона к посадочной плоскости акселерометра наход тс  в интервале 15-45°. 1 э.п. ф-лы. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к измерению вибрационных и ударных ускорений.

Пьезоэлектрические акселерометры подвергаютс  во врем  эксплуатации различным внешним воздействи м, поэтому их конструкци  должна обеспечивать устойчивость (малую дополнительную погрешность измерени ) и прочность (способность неразрушени ) к этим воздействи м.

Наиболее устойчивы к тепловым и механическим воздействи м акселерометры со сдвиговым пьезопреобразователем 1. В таких акселерометрах измер емое ускорение вызывает сдвиговую деформацию пье- зопреобразовател , в то врем  как паразитные воздействи  вызывают главным образом раст жение-сжатие, в результате чего ложный сигнал от них (а. следовательно, и дополнительна  погрешность ) оказываетс  малым.

Наиболее близким по технической сущности к за вл емому  вл етс  пьезоэлектрический акселерометр, описанный в 2. Он содержит основание со стойкой, перпендикул рной основанию, преобразователь, работающий на сдвиг, и инерционный элемент , расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с ней. Измерительна  ось акселерометра совпадает с осью стойки, а осевое сечение д инерционного элемента  вл етс  пр моугольником . Неизмер емые механические и тепловые воздействи  передаютс  от основани  к пьезопреобразователю через нижнюю часть стойки, вызыва  ее симметричное раст жение-сжатие, убывающее с рассто нием до основани . Эта деформаци  стойки почти не приводит к сдвиговой деформации преобразовател , вследствие чего паразитный сигнал акселерометра почти отсутствует. Поэтому сдвиговые акселерометры этого вида имеют самые малые дополнительные погрешности при воздействии внешних вли ющих факторов . Известно несколько конструктивных разновидностей сдвиговых пьезоэлектрических акселерометров, отличающийс  числом и формой составных частей преобразовател  и инерционного элемента

(Л

С

XI ON О

Јь О

сл

2. Однако высока  помехоустойчивость такого акселерометра сочетаетс  с низкой вибропрочностью, обусловленной относительно малой собственной частотой в направлении ,перпендикул рном измерительной оси (поперечна  собственна  частота). Реальные вибрационные и ударные процессы имеют несколько пространственных составл ющих, возбуждающих колебани  чувствительного элемента акселерометра во всех направлени х. Дл  обеспечени  надежности иточности акселе- ромера необходимо, чтобы ускорение на частоте любого резонанса не превосходило 1/30 статического значени  допустимого и этот резонанс не попадал в рабочий диапазон частот. Поперечна  собственна  частота тем выше, чем меньше масса инерционного элемента и больше изгибна  жесткость стойки. Но уменьшение массы приводит к потере чувствительности, а увеличение жесткости (достигаемое уменьшением , длины или увеличением толщины стойки) - к изменению характера деформации стойки при воздействии на основание, росту паразитной деформации преобразовател  и в конечном счете увеличению погрешности акселерометра. Значени  жесткости о известных конструкци х соответствуют компромиссу между этими проти- воречивыми требовани ми и обеспечивают значени  поперечной собственной частоты, R 3-4 раза меньше основной, то есть соответствующие верхней границе частотного диапазона или попадающие в пего. Таким образом, мала  поперечна  вибропрочность приводит к снижению не только надежности , но и реального диапазона частот.

Целью изобретени   вл етс  повышение надежности и точности путем увеличени  вибропрочности акселерометра,

Эта цель достигаетс  тем, что в известном акселерометре, содержащем основание со стойкой, перпендикул рной основанию, сдвиговый пьезопреобразова- тель и инерционный элемент, расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с пей, торцева  поверхность инерционного элемента и поверхность основани  обращенные друг к другу выполнены под наклоном к периферии основани .

На чертеже изображен разрез предлагаемого акселерометра, а создаваемый технический эффект - приводимым ниже расчетом (1 - основание,2 - стойка, 3 - пье- зопреобразователь, А - инерционный элемент , а - угол наклона инерционного элемента к посадочной плоскости). Измерительна  ось показана стрелкой.

Как видно из чертежа, при данной конфигурации инерционного элемента его центр инерции лежит ближе к посадочной поверхности, нежели при отсутствии наклона ( а.- 0). Поэтому изгибающий момент при действии поперечного ускорени  оказываетс  меньшим, что при неизменных массе инерционного элемента и размерах стойки эквивалентно увеличению жесткости на изгиб , т.е. увеличению поперечной собственной частоты.

Форма верхней поверхности основани , повтор юща  наклон инерционного элемента, выбрана с целью сохранени  длины стойки и жесткости основани .

Оценка эффективности за вл емого технического решени  произведена на примере конструкции одного из наиболее.совершенных современных акселерометров 7701-1000 фирмы Эндвеко, выполненного по конструктивной схеме, приведенной в 2. Поперечную собственную частоту в этом случае рассчитывают по формуле

у2 Гс ТТ

0)

где I, E, I, m - длина, изгибна  жесткость и масса стойки соответственно;

Хо - наименьший корень уравнени 

1

- (1+chxcos x)-x(sin x chx -cosx shx)2Ј x2 sinxshx-( 5+ Ј 2)x3(sinx chx+cosx shx) - n д x4 (1-chx cosx) 0(2)

где n - отношение масс инерционного эле- мента и стойки;

д - квадрат отношени  радиуса инерции инерционного элемента к длине стойки; Е - отношение рассто ни  от конца стойки до центра масс инерционного элемента к длине стойки.

Расчет был выполнен дл  двухсекционного инерционного элемента в форме параллелепипеда с отношением толщины к длине, равном 1/2, и длиной, равной восьми длинам стойки. Эти значени  близки к реальной конструкции датчика. Корень уравнени  (2) равна 0,142; 0,183; 0,194 дл  а 0; 30; 45° соответственно. Подстановка этих значений в формулу (1) дает:

fn-30

1,68

fn-45

1,88,

fn-0 uu fn-0 где число в индексе соответствует значе-- ниюугла а в градусах. Таким образом, увеличение поперечной собственной частоты составл ет 68-88% с соответственным увеличением вибропрочности, а также сдвигом поперечного резонанса за пределы рабочего диапазона частот.

Положительный эффект насто щего технического решени  достигаетс  теоретически при любых значени х угла а из интервала 0-90°. Однако практически при а (15-20°) эффект очень мал (увеличение поперечной собственной частоты не превосходит единиц процентов). С другой стороны, увеличение а сверх (45-50°) приводит к заметному снижению поперечной жесткости основани  и увеличению высоты акселерометра . Поэтому оптимальные значени  угла а заключены в интервале 15-45°.

Технический эффект изобретени  заключаетс  в повышении надежности сдвигового акселерометра, расширении области его применени  и уменьшени  частотной погрешности при измерении реальных вибрационных и ударных процессов.

0

5

Claims (2)

1.Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание со стойкой, перпендикул рной основанию, сдвиговый пьезоп- реобразователь и инерционный элемент, расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с ней, отличающийс  тем, что, с целью повышени  надежности и точности путем увеличени  вибропрочности, торцева  поверхность инерционного элемента и поверхность основани , обращенные одна к другой, выполнены под наклоном к периферии основани .

2.Акселерометр поп. 1,отличающи- й с   тем, что угол наклона составл ет 15-45° к посадочной плоскости основани .