Пьезоэлектрический акселерометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 3(59 6 01 Р 15/09 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ терна ой та,ния м ерамик элеме ерами стат еско- ичесвстваксел ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Ростовский ордена ТрудовогоКрасного Знамени государственныйуниверситет(5 б) 1. Авторское свидетельство СССРВ 547696, кл. Ь 01 Р 15/09, 1975.2. Патент США Р 3397329,кл. 310-84, 1968.( 54) (57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий основание, накотором установлен чувствительныйэлемент с электродами, которыевместе составляют монолит, крышкуи соединительный кабель, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения надежности путем повышения.сопротивления иэоляции и механической прочности, в нем электродывыполнены с выводами, которые на бо ЯО 36 А ковой поверхности чувствительногоэлемента обраэуют коммутируюциедорожки и размещены внутри объемачувствительного элемента на расстоянии от торцовых поверхностей,равном толщине межэлектродного промежутка, а от боковой обраэукщейна расстоянии от минимаЛьного, равного толщине межэлектродного промежутка, до максимального, определяемого иэ формулы г - радиус электрода э прочность сцепле ла электрода с к чувствительного6 - прочность пьезок го. материала при ком растяжении; сила поджатия чу ного элемента в метре.15 45 50 55 6 О б 5 Изобретение относится к измерительной технике.Известны пьезоэлектрические акселерометры, содержащие основание,на котором установлены чувствительный элемент с электродами, вместесоставляющие монолит, крыику и соединительный кабель 1,21.К недостаткам указанных акселерометров следует отнести невысокиесопротивление изоляции и механическую прочность при высоких уровняхвибрации (свыае 1000) и ударныхнагрузках большой длительности(своде 100 мс),Недостаточно высокое сопротивле"ние изоляции, являющееся следствиемтого, что электроды выходят наповерхность чувствительного элемента, а межэлектродные слои керамикималы, оказывает существенное влияние на качество и технологичностьсборки акселерометра.Невысокая механическая прочностьакселерометра заключается в том,что при высоких уровнях вибрации иударных нагрузках большой длительности наблюдаются случаи разрушения чувствительного элемента, аименно расслоение (разрыв) чувствительного элемента по какому-нибудь из электродов. Одной иэ причинэтого является несовершенство операции нанесения металлиэирующегопокрытия (электрода), сложностькоторой заключается в том, что навсю поверхность сырой (не спеченной)пьезокерамической заготовки практи"чески невозможно нанести равномер"ный слой платиносодержащей пасты,используемой в качестве металлизирующего покрытия, и тем более про"контролировать его толщину. Неравномерность (разнотолщинность) металлизируацего покрытия приводитк различной степени диФФуэии платины в пьеэокерамическую основу приспекании пакета чувствительногоэлемента. Это явление в свою очередь приводит к неоднородной степени адгезии платинового электро"да с керамикой и, как следствие,к различной механическсй прочностии к разрыву (отслоению) как по площади одного электрода, так и междуразными электродами,Гель изобретения - повышение надежности путем повьвения сопротивления изоляции и механической прочности пьезоэлектрического акселерометраПоставленная цель достигаетсятем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержщем основание,на котором установлен чувствительныйэлемент с электродами, которыевместе составляют монолит, крышкуи соединительный кабель, электродывыполнены с выводами, которые набоковой поверхности чувствительного,элемента образуют коммутирующиедорожки и размещены внутри объемачувствительного элемента на расстоянии от торцовых поверхностей, равном толщине межэлектродного промежутка, а от боковой образукщейна расстоянии от минимального, равного толщине межэлектродного промежутка до максимального, определяемого иэ Формулы б г г - радиус электрода;6 - прочность сцепления материла электрода с керамикой чувствительного элемента 6 к - прочность пьезокерамики прстатическом растяжении; "и - сила поджатия чувствительного элемента в акселерометре. и На Фиг. 1 схематически представен пьезоэлектрический акселерометр; на Фиг.2 - поперечное сечение блока чувствительного элемента.Пьезоэлектрический акселерометр содержит основание 1 акселерометра с резьбовь 1 м штырем для крепления акселерометра к испытуемому объекту,л рож Величина эаглубления электродов в тело блока чувствительного элемента, т. е. расстояние крайних элек тродов от торцов чувствительного эл мента и краев электродов от боковой образукщей, принимается равной толщине межэлектродного промежутка. Это расстояние считается оптимальным, так как при меньшей его ве личине может произойти пробой по телу керамики на поверхность в случае ее загрязнения или с крайних электродов на металлоконструкцию да чика, к которой прикреплен чувстви" тельный элемент. Большая величина эаглубления электрода также нецелесообразна, так как пробойная толщина диэлектрика определяется межэлектродным промежутком, а масса и габариты чувствительного элеблок 2 чувствительного элемента, криаку 3, соединительный кабель 4, электроды 5 чувствительного элемента, выводы 6, коммутирующие до ки 7, соединяющие электроды одинаковой полярности.Величина заглубления электродов в тело блока 2 чувствительного элемента определяется величиной сопротивления изоляции, требованиями, предъяв ляемыми к механической прочности акселерометра и его конструкции.1076836 5 Й, ( е В метро дятся стоян ное п ны ча рует ности(ь) силы, на котор о увеличит вствительно для того, что х исходить и ьезокерамиче ла. рмуле (4) силу ГЭ И Э( чинаходимь чу велинеобиостментарасчетностиматериив в Ао Из при а . Дл расчет пр элемента,лерометра риала кер прочность та на вель прочго элебы приз прочского н аменлучим 5(ЭКи (5) что достигае керамики вок мента с элек ружу, и соот одставив (9) Э П . (ло к к ем окончатель его случая58=5 +5=59 б Э поперечногоэлемента. Этпо формуле Из (10) полу5 выражение для о 585- -- площадь,вается почувствите 2- -ля общег а выражение (7)примет вид на которую увеличперечное сечениельного элемента имому изобретению.площадь блока чуента равна случая гд предла га Таким образом твительного элем1 . ( мента и, следовательно акселерометра, возрастают.Для того, чтобы механическая прочность акселерометров на растяжение определялась из механической прочности на растяжение пьезокерамических материалов, а не механической прочностью сцепления электродов с керамикой, добавляется слой керамики вокруг чувствительного элемента с электродами, выходящими наружу, т.е. площадь поперечного сечения чувствительного элемента увеличивается. Оптимальная величина максимального расстояния электродов от боковой образующей определяется из следующего расчета. Усилие, необходимое для разрыва чувствительного элемента с электродами, выходящими на поверхность, равно где 59 - площадь электрода;6 Э - прочность сцепления электрода с керамикой.Усилие, необходимое для разрыва чувствительного элемента с электродами, выходящими на поверхность, при условии, что его прочность определяется прочностью на растяжение пьезокерамического материала, а не прочностью сцепления электродов с керамикой, будет равно прочность пьезокерамического материала при статическом растяжении, еденных данных видно, что того, чтобы производить чности чувствительного а следовательно и аксеисходя из прочности мате" мики, необходимо увеличить чувствительного элемен- чину ся добавлением слоя уг чувствительного эле родами, выходящими наетственно увеличением ечения чувствительного увеличение определяем 9( К Э) Э 5:5.5-5 +"=5 г- - ,э ээ бк к5 где 0 - площадь поперечного сеченияблока чувствительного элемента.Из (5) пол уча ем10 - = 2- - (Ь)Э к Из этого соотношения и определяется величина максимального заглубления электродов в тело блока от боковой образующей. Для простейшего случая блока чувствительчого элемента круглой формы, она имеет вид с: гу Р 1 - максимальное расстояние от концов электродов до боковой образующей; радиус электрода. некоторых конструкциях акселеров чувствительные элементы нахов предварительно поджатом сони. В этом случае предварительоджатие в зависимости от величистично или полностью компенсинедостаток механической проччувствительного элемента, компенсирует силу Ри в этом е формула (3) имеет вид1076836 30 Составитель Н.ИараховскаяТехред М,Надь Редактор Н.Стащишина Корректор Г Решетник Заказ 739/42 Тираж 823 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, госква, Е, Раушская паб., д. 4/5Филиал ППП фПатент, Г, Ужгород, ул. Проектная, 4 При достаточно больших энаяениях выраЖение (11) может принимать нулевое или отрицательное значения, а значение выражения (12) соответственно может быть меньше толщины межэлектродного промежутка, равняться нулю или принимать мнимое значение. В этом случае расстояние от концов электродов до обраэукщей выбирается иэ требований сопротивления изоляции и принимается равным межэлектродному промежутку. Тдлщина керамического слоя между крайними электродами и торцовыми поверхностями чувствительного элемента при разрывных усилиях не имеет значения и определяется по требованиям сопротивления изоляции.Таким образом, предлагаемая конструкция пьезоэлектрического акселерометра позволяет повысить его надежйость путем повышения сопротивления изоляции и механической прочнос.ти.