SU964549A1

SU964549A1 - Piezoelectric acceleration transducer

Info

Publication number: SU964549A1
Application number: SU803005103A
Authority: SU
Inventors: Николай Константинович Ерофеев
Original assignee: Ленинградский Ордена Ленина И Ордена Красного Знамени Механический Институт
Priority date: 1980-11-17
Filing date: 1980-11-17
Publication date: 1982-10-07

Description

(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ(54) ACCELERATION PIEZOELECTRIC CONVERTER

1one

Изобретение относитс к взмерителм ной технике и может быть использовано, в частности, дл измерени ударных ускорений , усилий, давлений и других физ1ь ческнх величин The invention relates to a measuring technique and can be used, in particular, to measure shock accelerations, forces, pressures and other physical quantities.

Р вестен пьезоэлектрический преобразователь ускорени , состо щий из корпуса инерционного тела, пьезоэлектрическо--; го элемента. Пьезоэлектрический элемент иыеет электроды дл сн ти генерируемы : зар дов, причем эти электроды приклеены и, следовательно, жестко св зань с ко{ пусом и инерционным .элементом l.The piezoelectric acceleration transducer, consisting of an inertial body case, is piezoelectric; th element. The piezoelectric element has electrodes to remove the generated: charges, and these electrodes are glued and, therefore, rigidly connected with the coke and the inertial element l.

Известен пьезопреобразователь ускорени , состо ш } из таких же элементов, пьезоэлектрический элемент которого таюке жестко св зан с инерпж шшм телом и корпусом и имеет электроды дл сн ти оар дов на свободных поверхноот х , не св занных с другими элементами 2о преобразовател 2.An acceleration piezoelectric transducer, consisting of the same elements, is known, the piezoelectric element of which is also rigidly connected with the internal body and body and has electrodes for removing bodies on free surfaces that are not connected to other elements 2 of the transducer 2.

Недостатком указанных преобразователей вл етс наличие в конструкции жесткой механической св зи между пьезоэлементом и корпусом преобразовател , что сопр жено с повышенной чувствительностью таких преобразователей к неиз- мер емой деформации корпуса преобразс -, вател и объекта измерени .The disadvantage of these transducers is the presence in the structure of a rigid mechanical connection between the piezoelectric element and the transducer case, which is associated with a heightened sensitivity of such transducers to the permanent deformation of the transducer case, paddle and the object to be measured.

Наиболее близким к изобретению вл етс пьезоэлектрический преобразователь ускорени , который состоит из раоположенного в корпусе инерционного тела и пьезоэлемента, припа нного к корпусу и инерционному телу СЗ .Closest to the invention is a piezoelectric acceleration transducer, which consists of an inertial body located in the body and a piezoelectric element, soldered to the body and the inertial body of the NW.

Недостатком известной конструкции вл етс сравнительно низка точность измерени ускорений. Низка точность пьезоакселерометров такого типа обусло&лена наличием жесткой механической св аи между пьезоэлементом и корпусом преобразовател , вследствие чего n|ie3i преобразователи ускорени оказываютс весьма чувствительными к воздействию , нeизмep 0vlыx деформаций объекта, всеЬха присутствующих при юмерении ускорени . В преобразователе ускорени измер емое ускорение в конечном счете также прео&39 разуетс в деформацгао пьезоэлемента, вы аываалую воздействием инерционного тела на пьезоэлемент. Поэтому чувствитеп ность пьезоакселерометра к деформации бывает весьма труднр устранить. В р де случаев вли ние изгиба иви раст жени сжати поверхности объекта, на которой закрепл етс преобразователь ускорени , оказываетс преавалирующим, и тогда выходной сигнал преобразовател рпредел етс не сколько воздействующим ускорением поверхности , сколько изменением ее геометрии и размеров. Целью изобретени вл етс повышение точности измерени ускорений за счет исключени вли ни деформации объекта . Поставленна цель достигаетс тем, что инерционна масса установлена с возможностью перемещени вдоль корпуса , образу две герм.етичные полости, одна из которых заполнена жидким электроизол ционным материалом. На чертеже показана конструкци предлагаемого преобразовател ускорени В; преобразователе в корпусе 1 раоположены инерционна масса 2 и пьезоэлемент 3. Пьезоэлемент 3 выполнен из пнроэлектрика и находитс в расточке инерционной массы 2 и приклеен к нему. .Пьезоэлемент 3 пол ризован по оси симметрии акселерометра и имеет на торцевых поверхност х электроды, причем верхний электрод приклеен к инер ционной массе 2, а нижний электрод свободен. К нижнему электроду припа н провод 4, -изолированный от инерционного тела втулкой 5 и св занный посредством пайки со штырем электрического разъема, образованного детал ми 6 и 7 и резьбовым выступом 8 корпуса 1. Ине ционна масса 2 расположена в централь ной части полости 9 корпуса 1, что обео печиваетс с помощью двух спиральных пружин 10 и 11, наход щихс в состо нии предварительного поджати . Одновременно с помощью этих пружин осуществл етс электрическа св зь между верхним электродом пьезоэлв 1ента 3 и корпусом 1 преобразовател . Пространст во между корпусом и инерционным телом как между торцами инерционной мас сы, так и между цилиндрической поверхностью инерционной массы и корпусом, заполнено конденсаторным маслом (не показано), С помощью прокладки 12 и пробки 13 обеспечиваетс герметичность полости О. Пробка 13 имеет щлиц 14 9 ДЛЯ завинчивани пробки 13 в корпусе 1, а корпус 1 имеет шлицы на наружной поверхности 15 дл завинчивани преобразовател в объекте измерени . При завинчивании пробки 13 в полости 9 преобразовател создаетс некоторое начальное давление. Перед измерением пре образователь завинчивают в резьбовое отверстие, предварительно изготовленное в объекте измерени , ось которого расположена в направлении измер емого ускорени . К разъему преобразовател привинчивают электрический кабель дл св зи с вторичндэй измерительной аппаратурой. Пьезоэлектрический преобразователь ускорени работает следующим образом. В первом приближении можно считать, что при удэре все элементы объекта и преобразовател испытывают инерционные усили , пропорциональные действующему ускорению, и если измен етс ускорение, то и инерционные усили измен ютс пропорционально ускорению. Пусть дл определенности ускорение направле:. от пробки 13 к разъему преобразовател , тогда инерционное усилие, действующее на инерционное тело, направлено в сторону пробки 13, Под действием этого усили инерционна масса 2, име слабую упругую св зь с корпусом 1 посредством пружин 10 и 11, щ. еодолева их сопротивление , перемещаетс вштз, сжима жидкость, расположенную в нижней части полости 9. При перемещении инерционной массы 2 происходит некоторое увеличение давлени в нижней части полости 9 и соответствующее уменьшение давлени в верхней части полости 9. При изменении направлени ускорени знаки приращений давлени измен ютс на противоположные . Изменение давлени жидкости, приложенное к пьезоэлементу 3, вызывает по вление на его обкладке зар дов, пропорциональных измер емому ускорению. Электрические зар ды вызывают по вление электрического напр жени на электродах пьезоэлемента 3. Это напр жение по проводу 4 через инерционную массу 2 и пружины 10 и Г1 поступает на разъем преобразовател и далее через соединительный кабель во вторичную аппаратуру дл преобразовани и регистрации. Возникающа при ударе деформаци объекта измерени передаетс на корпус 1 преобразовател , который жестко св зан с объектом и подвержен по этой причине изменению размеров и геометрииA disadvantage of the known construction is the relatively low accuracy of the measurement of the accelerations. The accuracy of this type of piezoaccelerometer is low due to the presence of rigid mechanical connection between the piezoelectric element and the converter case, as a result of which the acceleration transducers are very sensitive to the effects, incompatible deformations of the object, which are present during acceleration. In the acceleration transducer, the measured acceleration ultimately also transforms & 39 develops into a deformation of the piezoelectric element, caused by the action of an inertial body on the piezoelectric element. Therefore, the sensitivity of the piezo accelerometer to deformation can be very difficult to eliminate. In a number of cases, the effect of bending and stretching the surface of the object, on which the acceleration transducer is fixed, turns out to be dominant, and then the output signal of the transducer is determined not only by the surface acceleration, but by the change in its geometry and dimensions. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring accelerations by eliminating the effect of deformation of an object. The goal is achieved by the fact that the inertial mass is mounted with the possibility of moving along the body, forming two hermetic natural cavities, one of which is filled with a liquid electrically insulating material. The drawing shows the structure of the proposed accelerator converter B; The transducer in housing 1 contains the inertial mass 2 and the piezoelectric element 3. Piezoelectric element 3 is made of a mono-electric and is located in the bore of the inertial mass 2 and is glued to it. The piezoelectric element 3 is polarized along the axis of symmetry of the accelerometer and has electrodes on the end surfaces, with the upper electrode glued to the inertia mass 2 and the lower electrode free. The wire 4 is welded to the lower electrode, insulated from the inertial body by the sleeve 5 and connected by soldering to the pin of the electrical connector formed by parts 6 and 7 and the threaded protrusion 8 of housing 1. The external mass 2 is located in the central part of cavity 9 of the housing 1, which is heated by means of two coil springs 10 and 11, which are in the state of pre-compression. At the same time, with the help of these springs, electrical connection is made between the top electrode of the piezoelectric element 1 and 3 and the converter case 1. The space between the body and the inertial body, both between the ends of the inertial mass and between the cylindrical surface of the inertial mass and the body, is filled with condenser oil (not shown). The gasket 12 and the plug 13 ensure the tightness of the cavity O. The plug 13 has slots 14 9 For screwing the plug 13 in the housing 1, and the housing 1 has slots on the outer surface 15 for screwing the converter in the measurement object. When screwing the plug 13 in the cavity 9, the transducer creates some initial pressure. Before measuring, the transducer is screwed into a threaded hole, previously made in the measurement object, the axis of which is located in the direction of the measured acceleration. An electrical cable is connected to the converter connector for communication with the secondary instrumentation. The piezoelectric acceleration transducer operates as follows. In the first approximation, it can be assumed that with a uder all the elements of the object and the converter experience inertial forces proportional to the actual acceleration, and if the acceleration changes, then the inertial forces change in proportion to the acceleration. Let for definiteness the acceleration be directed :. from the plug 13 to the converter connector, then the inertial force acting on the inertial body is directed towards the plug 13. Under the action of this force, the inertial mass 2 has a weak elastic connection with the housing 1 by means of springs 10 and 11, y. Understanding their resistance, the pistons move, compressing the fluid located in the lower part of cavity 9. When moving inertial mass 2, there is some increase in pressure in the lower part of cavity 9 and a corresponding decrease in pressure in the upper part of cavity 9. When the direction of acceleration changes, the signs of pressure increments change on the opposite. The change in fluid pressure applied to the piezoelectric element 3 causes the appearance of charges on the lining, which are proportional to the measured acceleration. Electric charges cause the appearance of electrical voltage on the electrodes of the piezoelectric element 3. This voltage is transmitted through the wire 4 through the inertial mass 2 and the springs 10 and G1 to the converter connector and then through the connecting cable to the secondary equipment for conversion and recording. The deformation of the measurement object arising upon impact is transmitted to the converter case 1, which is rigidly connected with the object and is therefore subject to change in size and geometry.

Claims

Claim

A piezoelectric acceleration transducer 20 comprising a housing with an inertial mass and a piezoelectric element disposed therein, characterized in that, in order to increase the accuracy of the measurement. due to the exclusion of the influence of the deformation of the object, inertial, the mass is installed with the ability to move along the body, forming two sealed cavities, one of which is filled with liquid insulating material. ’