Пьезоэлектрический акселерометр

)5 601 Р 15/ САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ИДЕТЕЛЬС 8 ТОРСКО(57) Использк измерителпользованопроцессов в ование: изобретение ьной технике и може при измерении дина машинах и механиз относится быть исмических мах. Сущя как т глав- резульих (а, огрешГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР. МЗЗдовательский институт изникин и Б.Н, Голыженков ТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОИзобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению вибрационных и ударных ускорений,Пьезоэлектрические акселерометры подвергаются во время эксплуатации различным внешним воздействиям, поэтому их конструкция должна обеспечивать устойчивость (малую дополнительную погрешность измерения) и прочность (способность не- разрушения) к этим воздействиям,Наиболее устойчивы к тепловым и механическим воздействиям акселерометры со сдвиговым пьезопреобразователем (1). В таких акселерометрах измеряемое ускорение вызывает сдвиговую деформацию пьезопреобразователя, в то врем паразитные воздействия вызываю ным образом растяжение-сжатие, в тате чего ложный сигнал от н следовательно. и дополнительная и ность) оказывается малым.Наиболее близким по технической сущности к заявляемому яоляе 1 ся пьезоэлектрический акселерометр. описанный в(2), Он содержит основание со стойкой, перпендиАЗ 176046 ность изобретения: акселерометр содержит основание со стойкой, перпендикулярной основанию, сдвиговый пьезопреобразователь и инерционный элемент, расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с ней. инерционный элемент и обращенная к нему поверхность основания выполнены наклоненными к периферии основания. Оптимальные значения угла наклона к посадочной плоскости акселерометра находятся в интервале 15 - 45. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. кулярнои основанию, преобразователь, работающий на сдвиг, и инерционный элемент, расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с ней. Измерительная ось акселерометра совпадает с осью стойки, а осевое сечение инерционного элемента является прямоугольником. Неизмеряемые механические и тепловые воздействия передаются от основания к пьезопреобразователю через нижнюю часть стойки, вызывая ее симметричное растяжение-сжатие, убывающее с расстоянием до основания. Эта деформация стойки почти не приводит к сдвиговой деформации преобразователя, вследствие чего паразитный сигнал акселерометра почти отсутствует. Поэтому сдвиговые акселерометры этого вида имеют самые малые дополнительные погрешности при воздействии внешних влияющих факторов. Известно несколько конструктивных разновидностей сдвиговых пьезоэлектрических акселерометров, отличающийся числом и формой составных частей преобразователя и инерционного элемента(21. Однако высокая помехоустойчивость та- Как видно из чертежа, при дацнои конкого акселерометра сочета,тается с низкой фигурации инерционного элемента еговибропрочностью, о у ль об словленной относи- центр инерции лежит ближе к посадочнойтелы о малой собственной частотой в на- поверхности, нежели при отсутствии наклое нди куля рн ом 5 на ( а= О), Поэтому изгибающий момент приизмерительной оси (" поперечная собствен- действии поперечного ускорения оказываная частота ). еальные ви"). Р е вибрациоцные и ется меньшим, что при неизменных лассеф, ессы имеют несколько про- инерционного элемента и размерах стойкистранственных составляющих, возбуждаю- эквивалентно увеличению жесткткости на изщих колебания чувствительного элемента 10 гиб, т,е. Увеличению поперечной собствецакселерометрд во всех цаправлециях. Для ной частоты.Форма верхней поверхности основаромера необходимо чтобыускорениенача- ния, повторяющая наклон инерционногостоте любого резонанса не превосходило элемента, выбранасцельюсохранениядли 1/30 статического значения допустимого и 15 ны стойки и жесткости основания.этот резонанс не попадал в рабочий диапа- Оценка эффективности заявляемогозоц частот. Поперечцдл собс 1 вецная часто- технического решения произведена на притд тем выше, чем меньше масса мере конструкции одного из наиболее соинерционного элемента и больше изгибндя вершенцых современных акселерометровжесткость с 1 ойки, Но уменьшение массы 20 7701 - 1000 фирмы Эндвеко, выполненногокприводит к потере чувствительности, а уве- по конструктивной схеме, приведенной вличецие жесткости (достигаемое уменьше- . 2. Поперечную собственную частоту в этомцием длины или увеличением толщины случае рассчитывают поформулестойки) - к изменению характера деформа(1)Гции стойки при воздействии ца основание, 2- , 21 щ фросту паразитной деформации преобРдзо где 3, Е, т, п 1 - длина, изгибная жесткость ивателя и в конечном счете Увеличению гго масса стойки соответственно;грешцости акселерометра, ЗначенияХо - наименьший корень уравненияжесткости в известных конструкциях соот 1ветствуют компромиссу между этими проти - (1+сЬх соз х) - х(з 1 п х сйх - созх з 1 х) -воречивыми требованиями и обеспечивают 22 зпх зьх-( Д+ е )х 1(зпх сйх+созхзначения поперечной собственной частоты,) - и Д х 4 (1-с 1 х созх) = 0(2)в 3-4 раза меньше основной, то есть соРт- где и - отношение масс инерционного элеетствующие верхней границе частотногомента и стойки;диапазона или попадающие в него. Таким 3 д - квадрат отношения радиуса инеробрдзом мдлдя попере Гндя вибропроч и инерционцого элемецтд к длине стойкиность приводит к снижению не только цд- " я - отношение расстояния от концадежцости, но и реального диапазона частот,стойки до центра масс ине ис нерционного элеЦелью изобретения является повыше 40 мента к длине стойки.ние надежности и точности путем увеличеРасчет был выполнен для двухсекцион 1 иЯ вибРопрочцости акселеРометРа," " эл3 та цель достигается тем, что в извест- цого ицераллелепипеда с отношением толщины кцол акселерометре, содержащем основаине, равном 1/2, и длиной, равной восьми4 г длинам стоики Эти значеция близи коснованию, сдвиговый пьезопреобразовд длцой конструкции датчика. Корець уравтель и инерционный злемецт, Расположен- (2) равна 0142; 0,183; 0,194 для а =цые симметрично относителыГо стойк=0 30; 450 соответственно. Подстановкажестко соединенные с цей, торцевая повер этх значений в формулу (1) дает:хцость инерционного элемента и поверх- " 045ность основания обращенные друг к другу 50 " - 1,68; т, - = 1,88,выполнены под наклоном к периферии осчисло в индексе соответствует значению угла а в градусах, Таким образом, увеНа чертеже изображен Разрез предла- ни Убственной частотыличение поперечной со ственной частоты68 - 88 с соответственным мличением вибропрочности, а также сдвигомасчетом (1 - основание,2 - стойка, 3 - пье- . личением. ви ипоперечного резонанса за пределы рабочезопреобразователь, 4 - инерционный элемент, а - гол наклона инерционного го диапазона частот.мент, а - угол наклонаПоложительный эффект настоящегоэлемента к посадочной плоскости). Измеритехнического решения достигается теоретительная ось показана стрелкой,1760465 Формула изобретения Составитель Т.МакароваРедактор С,Никольская Техред М,Моргентал Корректор Л.Лук Заказ 3184 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Прои город, ул, Гагарина, 10 енно-издательский комбинат "Патент чески при любых значениях 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 й сверх (45 - 50) приводит к заметному снижению поперечной жесткости основания и увеличению высоты акселерометра, Поэтому оптимальные значения угла а заключены в интервале 15 - 45.Технический эффект изобретения заключается в повышении надежности сдвигового акселерометра, расширении области его применения и уменьшения частотной погрешности при измерении реальных вибрационных и ударных процессов. 1. Пьезоэлектрический акселерометр,содержащий основание со стойкой, перпен дикулярной основанию, сдвиговый пьезопреобразователь и инерционный элемент, расположенные симметрично относительно стойки и жестко соединенные с ней, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения 10 надежности и точности путем увеличениявибропрочности, торцевая поверхность инерционного элемента и поверхность основания, обращенные одна к другой, выполнены под наклоном к периферии основания.15 2, Акселерометр по и. 1, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что угол наклона составляет 15 - 45 к посадочной плоскости основания,