Датчик виброускорений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 64741,0 1 Р 15/10 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ ТЕЛ ЬСТ ных помех. Целью изобретения вышение надежности датчика пенсации деформаций в ка биморфной керамической пла ставленная цель достигается т морфная пьезокерамическая имеет постоянную толщину Ь. торец, имеющий размеры Ь 0 х закрепленный в корпусе 2, и друг другу и перпендикулярны оси х,.а ширина боковых граней вдоль продольной ее оси апре формуле Ьх = щие боковые носительно и и ограани ребра симметрдольной оси. 2 ил. чиваючны от(21) 4658318/10(71) Московский горный институт(56) Авторское свидетельство СССРВ 779885, кл. 6 01 Р 15/10, 1980,Авторское свидетельство СССРМ 900191, кл, 6 01 Р 15/10, 1982,(57) Изобретение относится к измерениюпарамЕтров движения, в частности к акселерометрам, и может быть использованодля измерения виброускорений на низких исредних частотах в условиях высокочастотявляется поза счет комждой точке стины. Поем, что бипластина 1 Свободный Ь, и торец, араллельны продольнои пластины 1 деляется поИзобретение .относится к измерениюпараметров движения, в частности к акселерометрам, и может быть использовано дляизмерений виброускорений на низких исредних частотах в условиях высокочастотных помех,Целью изобретения является повышение надежности датчика за счет компенсации деформаций в каждой точке биморфнойпьеэокерамической пластины,На фиг.1 показана конструкция биморфной пьеэокерамической пластины; нафиг,2 - упрощенная функциональная схемадатчика виброускорений.Устройство содержит биморфную пьеэокерамическую пластину 1, закрепленнуюодним торцом в корпусе 2, преобразователь3 перемещения свободного конца пластины1, выход которого соединен с одной обкладкой 4 пластины 1 и входом полосового фильтра 5, последовательно соединенного сусилителем 6 и инвертором 7, Выход инвертора 7 соединен с другой обкладкой 8 пластины 1.Биморфная пьезокерамическая пластинэ 1 представляет собой пластину постоянной толщины Ь. Свободный торец пластины1, имеющий размеры Ьо х Ь, и торец, закрепленный в корпусе 2, параллельны другдругуи перпендикулярны продольной оси х, Ширина боковых граней пластины 1 вдоль продольной ее оси определяется по формуле2Ьх=Ьо е окз,а ограничивающие боковые грани ребрасимметричны относительно продольнойоси,форма боковых граней выбирается изследующих соображений.Поскольку механические напряжения,возникающие в биморфной пьеэокерамической пластине под действием приложенного электрического напряжения, одинаковыво всех ее точках независимо от формы боковых граней, для того чтобы была возможность скомпенсировать механическиенапряжения, возникающие под действиеминерционных сил, необходимо найти такуюформу боковых граней пластины, чтобыинерционные силы вызывали в ней такжеравные в каждой точке напряжения.Дифференциальное уравнение упругойлинии, характеризующее механическиенапряжения и деформации в каждой точкебиморфной пьезокерамической пластинывдоль оси х, записывается в видеМхУ (1)Е 1 хгде Ув - деформация под действием инерционных сил;Мх - изгибающий момент в точке х,Е - модуль упругости пьеэокерамики,ЬЗЬУх" момент инерции прямо-угольного сечения в точке х, 2)Выражение для определения Мх найдемс помощью выражения для приращения момента дМх в точке х10дМх=а р ЬЬххдхгде э - измеряемое ускорение;р - плотность пьезокерамики,хМх=а р ЬЬ,хдх, (3)о15 Таким образом, уравнение упругой линии для биморфной пьеэокерамической пластины с учетом (1), (2) и (3) запишется в видех12 ар) Ь, хдхУ:. (4)ЕпЬЗная, что для биморфной пьезокерамической пластины 20 У. =Здз 1 О ( )25Ьи, следовательно,у ОУэ. = 6 дз 1п(5)где Уэ - деформация под действием элект 30 рического напряжения;дз 1 - и ьезомодуль;О - электрическое напряжение,условия компенсации усилий и деформацийв каждой точке биморфной пьеэокерамиче 35 ской пластины запишем следующим образом; Уо =Уэили с учетом (4) и (5), после введения обозЬх Едз 1 О 40 начений тх = - , К = - и 3 = -Ьо2 р ах1(х)хдх=КЯ(х), (6)оРешив полученное уравнение относи тельно Щ получим:2хг (х) = е 2 к з.Зная, что т(х)=Ьхйо, получим выражение для определения изменяющейся вдоль продольной оси ширины боковых граней биморфной пьезокерамичевкой пластины2хЬх = Ьо е "з (7)При отсутствии виброускорений деформаций биморфной пьезокерамической пластины 1 не происходит и электрическое напряжение на выходе преобразователя 3 перемещения равно нулю, При возникновении виброускорений на биморфную пьезо 1647410керамическую пластину 1 действуют инерционные силы, пытающиеся деформировать ее, Начало перемещения свободногоконца пластины 1 регистрируется преобразователем 3 перемещения и на его выходе 5поя вляется электрическое напряжение. Приотсутствии в анализируемом спектре виброускорений с частотой, равной частоте 1 ф настройки полосового фильтра 5, сигнал спреобразователя 3 не проходит через полосовой фильтр 5 и поступает только на обкладку 4, в результате чего биморфнаяпьезокерамическая пластина 1 возвращаетсвой свободный конец в исходное состояние, т.е. имеет место отрицательная обратная связь. При этом описанная конструкциябиморфной пьезокерамической пластины 1позволяет компенсировать не только деформации (усилия) в точке, контролируемойпреобразователем 3, но и механические напряжения и деформации во всем теле пластины 1. Выходной сигнал преобразователя3 несет в себе информацию о текущем суммарном значении виброускорений.При появлении в анализируемом спектре вибрации с частотой, равной частоте фнастройки полосового фильтра 5, сигнал сэтой частотой проходит по цепочке; полосовой фильтр 5, усилитель 6, инвертор 7 ипоступает на другую обкладку 8, в результате чего биморфная пьезокерамическая пластина 1 стермится сдвинуть свой свободныйторец в ту же пластину, что и виброускорение на частоте 1 ф.Таким образом в устройстве появляется 35положительная обратная связь на частоте1 ф. Это приводит к резкому увеличению амплитуды напряжения с частотой 1 ф на выходе преобразователя 3, что аналогичноувеличению выходного сигнала датчика с 40резонансным элементом при совпаденииего собственной частоты с частотой вибраций,Увеличение амплитуды электрическогонапряжения на выходе преобразователя 3 45зависит от соотношения глубин положительной и отрицательной обратных связей,причем коэффициент усиления усилителя 6подбирается так, чтобы глубина отрицательной обратной связи была большей, т.е. коэффициент усиления усилителя 6 К1. Это необходимо для обеспечения компенсационного режима работы датчика, когда биморфная пьезокерамическая пластина 1остается практически неподвижной. Селективная чувствительность датчика на частоте1 ф при этом повышается в 1/1-К раз. Выходным сигналом датчика служит амплитуданапряжения на выходе инвертора 7, функционально связанная с амплитудой виброускорений на частоте 1 ф,Формула изобретенияДатчик виброускорений, содержащийбиморфную пьезокерамическую пластину,закрепленную одним торцом в корпусе, преобразователь перемещения другого торцабиморфной пьезокерамической пластины,при это выход преобразователя перемещения соединен. непосредственно с одной обкладкой биморфной пьезокерамическойпластины, а с другой - через последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель и инвертор, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения надежности датчика за счет компенсации деформаций в каждой точке биморфной пьеэокерамическойпластины, ширина боковых граней биморфной пьезокерамической пластины вдольпродольной оси, перпендикулярной торцам, определяется по формулегхЬх=Ьое гкэ,где Ьх - ширина пластины в точке, м;Ьо - ширина свободного торца (при х=О),м;х - расстояние от свободного торца пооси, м;Ебз 1К = - коэффициент, учитываюгрщий свойство пьезокерамики;Я = -- коэффициент преобразоваОания датчика;Е - модуль упругости, тН/м;г,Оз 1 - пьезомодуль, м/В;р- плотность, кг/м;з,О - электрическое напряжениег В;а - измеряемое ускорение,м/с,а ограничивающие боковые грани ребрасимметричны относительно продольнойоси,.Максимишинец рект роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж ул. Гагарина, 101 аказ 1395 Тираж 350 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб,. 4/5