Пьезоэлектрический преобразователь ускорения

НИЕ ИЗОБР ОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 53) 531.768(0 56) 1. Автор ССР Р 129351, 9592, Пеллинец В дарных ускорени тандартов, М ис. 56 (прототи ЯО 1 А(54)(57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ, содержащий чувствительный элемент из пьезоматериала, соединительный кабель, электрически связанный с основанием о т.л и ч а ю щ и й с я 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 высотацилиндрического участка основания больше его диаметра.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности для измеренияударных и вибрационных ускоренийв широко% диапазоне частот иамплитуд.Известен пьезоэлектрическийпреобразователь ускорения, которыйсостоит из корпуса, инерционноготела и пьезоэлектрического элемента 1) .Пьезоэлектрический элемент.вы,полнен в виде отдельной детали,несущей механическую нагрузку,создаваемую инерционной силой,обусловленной измеряемым ускорением, и несущей также все другие меха-.нические воздействия, вызванныенеизмеряемыми влияющими величинами.Недостатком данного преобразователя является наличие в.его конструкции стыков пьезоэлемента и деталей датчика, воспринимающих иуравновешивающих действующие приизмерении нагрузки, что сопряжено с повышенной чувствительностьютаких преобразователей к деформации корпуса преобразователя и объекта измерения, и сопряжено также с повышенной поперечной и ротационной чувствительностью.Наиболее близким к предлагаемому является пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий чувствительный элемент иэ пьезоматериала, соединительный кабель, электрически связанный с основанием 21 .Недостатком известного преобра зователя является сравнительно низкая точность измерения. Это обусловлено тем, что в конструкциях таких преобразователей имеет место передача механических усилий (нагрузок), возникающих в процессе измерения через посредство стыков пьезоэлемента и других де.талей преобразователя, вследствие чего картина распределения механических напряжений и степень нагружения пьезоэлемента оказываются в большой мере зависящими не толькоаот инерционных усилий, возникающих под действием измеряемого ускорения, но и от ряда других механических воздействий, а также технологических факторов. Механические характеристики стыков волнистость, шероховатость, контактная жесткость и ряд других) полностью определяются технологией и являются случайными. Разброс этих характеристик, изменение распределения давления внутри стыка под действием приложенных нагрузок, изменение температуры, времени воздействия и сочетания этих факторов делают весьма нестабильными характеристики преобразователя, особенно в отношениичувствительности к неиэмеряемымфизическим величинам. С цельюуменьшения этого влияния прибегаютк тщательной шлифовке и полировкеконтактных поверхностей, однаковлияние контактов остается все-такиочень значительным, Поэтому чувствительность такого пьезоакселерометра к деформации исключить практи О чески невозможно.Цель изобретения, - повышениеточности измерения ускорений.Поставленная цель достигаетсятем, что в пьезоэлектрическом 15 преобразователе ускорений, содержащем чувствительный элемент изпьезоматериала, соединительный кабель, электрически связанный с основанием, основание выполнено в виде 2 О цельного осесимметричного тела наповерхности которого нанесены слойпьезоматериала и проводящий слой,связанный с кабелем, причем высота цилиндрического участка основаниябольше его диаметра.На чертеже показан предлагаемыйпреобразователь.В преобразователе на основании1 с резьбовым хвостовиком 2, служащим для привинчивания преобразователя на объекте, имеется цилиндрический осесимметричный выступ 3,на котором напылен слой 4 пьезоэлектрического материала, а наслое 4 нанесена проводящая пленка З 5 5. Кабель б связи входит в поперечное отверстие, выполненное восновании 1, и закрепляется в немпутем пропайки оплетки этого кабеля по наружной поверхности вокруг 40 отверстия, в которое бн входит.Кабель использован с фторпластоьойизоляцией, выдерживающей нагревание во время пайки без нарушениямеханической и электрической прочм 45 ности. Проводящая пленка 5, предварительно электрически соединеннаяс тонким проводником 7, имеющимизоляционное покрытие, напримерпроводом марки ПЭВ 0,1, пропущенасквозь отверстие 8 в выступе 3 иэлектрически связана с центральнойжилой кабеля б, например, пайкбй.Таким образом, внутренняя поверхность пьезоэлектрического слоясоединена электрически с экраномкабеля б, а наружная - с центральной жилой этого кабеля. Пьезопреобра"зователь защищен от внешних воздействий крышкой 9, которая припаива. ется к основанию 1, а полости в 6 О основании 1 заливают изоляционнойзаливочной массой. При изготовлении пьезоэлектрический слой 4 необходимо поляризо". вать, что можно обеспечивать подачей соответствующего напряженияпо кабелю связи.Перед изменением преобразовательзавинчивают в резьбовое отверстие,.предварительно подготовленное вобъекте измерения; ось которого,расположена в направлении измеряе-мого .ускорения. Кабель связи соединяют с согласующим усилителем.Пьезоэлектрический преобразова-,тель ускорения работает следующимобразом,В первом приближении, достаточномдля данного рассмотрения, можносчитать, что при ударе все элементыобъекта и преобразователя испытывают инерционные усилия, прямопропорциональные действующему ускорению, и, если ускорение изменяетсяво времени, то и инерционные усилияизменяются пропорционально усксре-.нию. Пусть для определенности ускорение направлено от хвостоника 2в выступу 3, тогда инерционноеусилие, действующее на все участкивыступа 3 направлено в сторону хвостовика 2 Под действием этого усилия все сечения выступа 3, преодоле-.вая упругое сопротивление материала,перемещаются вниз, причем величинаперемещения будет тем больше, чемниже располагается сечение. Приэтом будет деформироваться и пьезоэлектрический слой 4, средняя деФормация которого будет также про- .порциональна действующему ускорению. На электроде 5 возникнет заряд, прямо пропорциональный действующему ускорению, а заряд, в,. свою очередь, создает на электроде5 и центральной жиле кабеля бсоответствующее электрическое нап-ряжение,Возникающая при ударе деформацияобъекта, например искр.влениеповерхности или растяжение ее впоперечном, по отношениюк осичувствителььости преобразователянаправлении, не приводит к возникновению сигнала на выходе пре-;,образователя, так как выступ 3,выполненный за.одно целое с осно-ванием 1 и представляющий собой,осесимметричное тело, ось которо-,го совпадает с осью преобразовате-,ля, оказывается нечувствительнымк неизмеряемым физическим величинам в силу следующихпричин,Выступ 3, выполненный за одноцелое с основанием 1 и изготовлен-,ный так, что ось его совпадает сосью симметрии основания, пред-ставляет собой однородное симметриЯное тело, в силу чего распределе-.ние напряжений, возникающих отвлияющих величин, в выступе 3 будетсимметричным. По этой причине мно-,гие влияющие величины, например5 10 поперечные инерционные усилия, приводящие к изгибу стержня, будуткомпенсироваться поскольку, с одной стороны пьезоэлектрическийслой будет испытывать растяжение,а с другой стороны выступа 3 - сжатие. Возникающие при это зарядыодинаковы по величине и противоположны по знаку, в силу чего ониуничтожаются,Высота выступа 3 больше, чем его диаметр, По этой причинежесткость выступа по отношению ксжатию-растяжению н поперечномнаправлении, определяемая площадью.15 диаметрального сечения выступавыше, чем в продольном направлении,так как эта жесткость определяетсяплощадью радиального сечения. Поэтой причине и чувствительность кпродольной деформации, которая возникает под действием измеряемогоускорения, выше чувствительностик поперечной деформации, вызваннойпараэитной деформацией объекта иоснования преобразователя,Пьезоэлектрический слой, нанесенный на .поверхность выступа 3 методами интегральной технологии,может иметь значительно большуюоднородность и равномерность поЗ 0 толщине по сравнению с прототипом,где стык пьезоэлемент-основаниевносит большую неопределенность вкартину распределения напряжений,По этой причине механические и .35 электрические свойства слоя такжебудут значительно более однородными и равномерными, что обеспечивает высокую степень компенсациипротивоположных зарядов при из 40 гибных напряжениях, поэтому чувст- .вительность предлагаемого преоб разователя к неизмеряемым физическим величинам будет существеннониже .45 КРоме того, предлагаемый пре"Образонатель может быть изготовлен чрезвычайно малых габаритов ивесов, ранее не доступных дляпроизводства. Габариты преобразователя легко могут быть по край 50 ней мере н 2 раза уменьшены посравнению с.существующими миниатюрными преобразователями, масса при этом уменьшится в 4 ра;за (до 0,9 г).55 " Ввиду отсутствия переходныхконтактных жесткостей стыков, а,также благодаря, существенномууменьшению габаритов преобразователяего собственная частота возрастаетЩ примерно н 2 раза по сравнению сизвестным (резонансная частотаувеличится при этом примерно до400 кГц, а прочность и пределизмерения возрастут также примернов 2 раза (до 2 10м/с),1040423 Составитель Н,МараховскаяРедактор Н. Ковалева Техред Т.Маточка Корректор Ав Повх Заказ 6922/49 Тираж 873 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Предлагаемый преобразователь обеспечивает значительно большую ,точность благодаря выполнению основания в виде немного осесимметричного тела, на поверхность которого нанесен слой пьезоматериала и проводящий слой, соединенный с кабелем,причем высота цилиндрическогоучастка основания больше егодиаметра,