Пьезоэлектрический преобразо-ватель ускорений

1 н 1794539 О П И С А Н И ЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ союз Советских Социалистических РеслубликДополнительное к авт. свид-вч 2) Заявлено 05.12,77 (21) 255051018-1 с присоединением заявки Мо 1) М. Кл."6 01 Р 15/08(23) 11 рнорнгст Государственный комитет СССР по делам нзоореений(43) Опубликовано (45) Дата опублнк н открытнн 2) Автор изобретения 1) Заявитель Ч. К, Ерофеевадский ордена Красно механический инстит Знамен 1 Лепит 54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕ УСКОРЕНИЯектрон корИзобретение относится к измерительнои технике и может быть использовано для измерения ускорений, усилий, давлений и других физических величин.Известны пьезоэлектрические преобразователи ускорения, содержащие инерционную массу, пьезоэлементы с электродами и корпус 1,Наиболее близким по технической сущности является акселерометр, содержащий инерционное тело, пьезоэлемент с эл дами, соединенными с усилителем, пус 2,Недостатком известных преобразователей ускорения является неравномерность амплитудно-частотной характеристики сильно выраженный резонанс механической системы преобразователя, Добротность механической системы при резонансе преобразователя лежит в пределах от 10 до 200, в связи с чем при измерении кратковременных ударных ускорений в механической системе возникает неустановившийся переходный процесс, приводящий к значительным динамическим погрешностям.С другой стороны, при измерении малых по амплитуде и сравнительно медленно изменяющихся ускорений не требуется столь широкий частотный диапазон, зато требуется высокая чувствительность,Целью изобретения является повышениеточности преобразователя ускорения.Поставленная цель достигается тем, чтов преобразователь введены динамический 5 корректор и дополнительный пьезоэлементс электродами, жестко связанный с корпусом и инерционной массой, причем электроды дополнительного пьезоэлемента соединены с выходом динамического корректора, 10 вход которого связан с выходом усилителя.На фиг. 1 изображен предлагаемый преобразователь ускорения, осевое сечение; на фиг. 2 - схема соединения узлов преобразователя; на фиг, 3 - блок-схема динами ческого корректора; на фиг. 4 - амплитудно-частотные характеристики первичного преобразователя с естественным демпфированием ф(0,1) и предлагаемого преобразователя с электрическим демпфированием 20 (Дю 0,5) .В корпусе 1 преобразователя размещеносновной пьезоэлемент 2, выполненный в виде двух шайб, соединенных электрически параллельно, а механически - последова тельно, Направление поляризации совпадает с осью первичного преобразователя, а на плоских торцах шайб нанесены проводящие обкладки. Одна пара одноименных обкладок шайб 2 соприкасается с электродом 3, 30 а другая пара - с инерционным телом 4 и3корпусом 1, причем детали 4 и 1 электрически соединены друг с другом проводником с помощью пайки, Между инерционным телом 4 и верхней шайбой пьезоэлемента 2 расположен электрод 5, введенный для подготовки высоты пакета деталей 2, 3 и 5. Детали 2, 3 и 5 склеены между собой, а деталь 5 приклеена, кроме того, к инерционному телу 4. Электрод 3 припаян к центральному проводнику 6 антивибрационного кабеля 7, оплетка которого припаяна к втулке 8, запрессованной в корпус 1 и электрически соединенной таким образом со второй парой электродов пьезоэлемента 2. Для обеспечения жесткости крепления места паек пустоты залиты эпоксидным клеем 9.Дополнительный пьезоэлемент 10 выполнен в виде кольца, высота которого точно равна высоте пакета из деталей 2, 3 и 5, что обеспечивается совместным шлифованием при изготовлении, Направление поляризации радиальное, обкладки выполнены на наружной и внутренней поверхностях кольца. Наружная обкладка с помощью проводника 11 соединена с корпусом 1, внутренняя обкладка припаяна к центральному проводнику 12 антивибрационного кабеля 13 (фиг. 1). Оплетка кабеля 13 припаяна к втулке 14, запрессованной в корпус 1 и соединенной электрически с корпусом 1, а следовательно, и с наружной обкладкой дополнительного пьезоэлемента 10, Крышка 15 обеспечивает защиту первичного преобразователя от воздействия внешней среды. Кабель 7 (фиг. 2) соединен с согласующим усилителем 16, выход которого связан со входом регистратора и одновременно с входом динамического корректора 17. В состав динамического корректоравходят (фиг. 3) электрический дифференциатор 18, инвертирующий усилитель 19, переключатель 20 на два положения и сумматор 21. Вход корректора связан с входами блоков 18 и 19 и с контактом 22 переключателя 20. Вход сумматора связан с перекидным контактом 23 и выходом электрического дифференциатора 18. Выход сумматора - это выход динамического корректора связан с обкладками дополнительного пьезоэлектрического элемента 10 (фиг. 1). Выход инвертирующего усилителя 19 связан с контактом 24 переключателя 20.Первичный преобразователь прикрепляют с помощью резьбовой шпильки, завинчиваемой в резьбовое отверстие, заранее подготовленное в объекте. Ось отверстия совпадает с направлением измеряемой компоненты ускорения.Преобразователь работает следующим образом.При воздействии измеряемого ускорения инерционное тело давит на пьезоэлемент, в результате на обкладках пьезоэлементов 2 возникают заряды (прямой пьезоэффект),о 15 20 25 30 35 40 45 50 55 оо б 5 создающие электрическое напряжение на входе усилителя 16. После усиления этот сигнал поступает на вход корректора 17. Напряжение со входа корректора идет на вход электрического дифференциатора 18, в качестве которого использован операционный усилитель, и на вход инвертирующего усилителя 19, осуществляющего изменение фазы сигнала на 180,Если перекидной контакт 23 находится в верхнем положении и замкнут с контактом 22, то на вход сумматора подается сигнал с выхода усилителя 16 и с дифференциатора 18, Сумматор производит суммирование входных сигналов, так что его выходной сигнал равеналгебраической сумме входных сигналов. Сигнал с выхода сумматора в виде электрического напряжения поступает на обкладки пьезоэлемента 10. Под действием электрического поля, возникающего в пьезоэлементе 10, возникает механическое напряжение, создающее в результате усилие, отталкивающее инерционное тело 4 от корпуса 1 и частично уравновешивающее инерционное усилие, вызванное внешним ускорением. В результате пьезоэлемент 2 разгружается, Такое взаимодействие эквивалентно увеличению жесткости механической системы первичного преобразователя и приводит к увеличению собственной частоты (т. е. расширению рабочего диапазона частот) при соответствующем снижении коэффициента преобразования. Врезультате происходит обмен запаса чувствительности на, повышение динамических свойств.Наличие в составе напряжения, поступающего от сумматора, компоненты, пропорциональной производной сигнала, поступающего с усилителя 16, приводит к тому,что напряжение на пьезоэлементе будет тем больше, чем выше частота измеряемого ускорения и, следовательно, по мере увеличения частоты измеряемого ускорения увеличивается отрицательная обратнаясвязь. Наличие дифференциатора, дополнительного пьезоэлемента и указанных выше соединений эквивалентно введению в механическую систему демпфера, благодаря чему амплитудно-частотная характеристика выравнивается и приобретает вид, показанный на фиг. 4 (при р=0,5).Таким образом, происходит коррекция АЧХ первичного преобразователя, расширение рабочего диапазона частот и дополнительное увеличение динамических свойств первичного преобразователя,Если переходной контакт 23 переключателя 20 находится в нижнем положении, то на входы сумматора 21 подаются сигналы с выхода дифференциатора 18 и с усилителя 19, В результате на выходе сумматора создается напряжение такой полярности, при которой деформация дополнительного элемента 10, происходящая вследствие обрат,1 ного пьезоэлемента, увеличивает давление на основной пьезоэлемент 2 (положительная обратная связь). По этой причине собственная частота системы падает и одновременно увеличивается чувствительность 5 преобразователя к ускорению. В результате происходит обмен запаса по динамическим свойствам на повышение чувствительности преобразователя. Действие дифференциатора, как и в первом случае, приводит к 10 демпфированию механической системы первичного преобразователя и к расширению рабочего диапазона частот. Ф ор мул а изобретения Пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий корпус, инерционное тело, пьезоэлемент с электродами, соединенными с усилителем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены динамический корректор и дополнительный пьезоэлемент с электродами, жестко связанный с корпусом и инерционным телом, причем электроды дополнительного пьезоэлемента соединены с выходом динамического корректора, вход которого связан с выходом усилителя. Источники информации,принятыс во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР150714, кл. 6 01 Р 15/08, 1962.2. Пик Л. Д, Измерение вибрации. Новосибирск, Наука, 1972, с. 189, 195 (прототип),