Пьезоэлектрический датчик давления и способ его настройки

(51)5 6 01 Е, 9708 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР БРЕТЕНИЯ ОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВИД ТЕЛЬСТ 2 (21) 4766995/10.: .;: :измерейия быстропеременных, ударных и (22) 03.12,89-, . :. акустических давлений. Цель изобретения - (46)23;07.,92. Бюл, %27 .:уменьшение погрешностей от воздействия (71) Научно-исследовательский инстйтут фи- вибраций и повышение точности настройки зических измеренийво всем частотном диапазоне вибраций. (72) Н, Й, Мордовин, В. Н. Марин, 8. Н. Датчикдавлениясодержиткорпус 1,заодно Кузин и И, П. Винокуров, .; целое с которым Выполнена воспринимаю(бб) Авторское свидетельство СССР, . щая мембрана 2, подушка 3 и рабочий пье- Ь 317928, кл. О 01 1. 9/08, 1971.:.:. зозлемент 4; Корпус 1 через основание 5 .Авторское свидетельство СССР ., герметично соединен с помощью сварки с Ь ЗЗОЗ 63, кл,601 .9(ОО, 1972;нижним корпусом 6, в котором размещен. Заявка Великобрйтании %2148008,6 виброкомпенсирующий узел, который со 1.9 Ю 8, 1986. ,. : : : . стоитиз компенсирующей мембраны 7, вибДатчйкдавления 522 М 4,Проспектфир-. рогруза 8и. компенсирующегомы Епбесо, США 1985.: .:.: . пьезоэлемента 9, идентичных с 6 ответствен- (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК . но воспринимающей мембране 2, подушке ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО НАСТРОЙКИ . 4 и рабочему пьезоэлементу 4, Компенсиру- Я (57) Изобретение отйосится к измерйтель- ющий пьезозлемент 9 йоджат к компенсиру-, нойтехникеиможетбытьисоользованодля ющей мембране 7 с помощью нижнего(ЪС".1749733 25 40 основания 10 эквивалентно усилию поджатия рабочего пьезоэлемента, Для точного задания усилия на компенсирующий пьезоэлемент 9 введена коническая винтовая пара, состоящая из втулки-шестерни 11 и конического винта 12. Настройка датчика по виброкомпенсации осуществляется в два этапа, На первом этапе в процессе сборки датчика компенсирующий пьезоэлемент 9 предварительно поджимают к компенсирующей мембране 7 за счет резьбовой втулки- шестерни 11- с усилием, эквивалентным Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано при конструировании и-производстве пьезоэлектрических датчиков, предназначенных для измерения быстропеременных, ударных и акустическихдавлений, а также для измерения параметров вибраций,Известен пьезоэлектрический датчикдавлейия, содержащий корпус с мембранойи установленный внутри коРпуса пьезоэлемент, выполненный в виде цилиндра. В данном устройстве с целью повышенияточности и уменьщенйя влияния ускорения,: опора пьезоэлемента в корпусе расположена в плоскости, разделяющей цилиндр надве сймметричные части Ц,Известен пьезоэлектрический датчикдавления, в котором с целью снижения влияния вибраций на точность измерения цилиндрический пьезоэлемент разделенкольцевой прорезью на внутреннюю цилиндрическую и внешнюю кольцевую частиравной площади, причем на внутренней части пьезоэлемента установлен воспринимающий давление диск,Недостатком указанных датчиков является то, что они до конца не обеспечиваюткомпенсацию паразитного сигнала от вибрации.Известен пьезоэлектрический датчикдавления, содержащий корпус, в которомвыполнены две камеры, в первой из которыхразмещен рабочий пьезоэлемент, а во второй - компенсирующий. Для повышениявиброустойчивости компенсирующий элемент конструктивно изолирован от действия измеряемого давления.Недостаток известной конструкции датчика заключается в том, что рабочий пьезоэлемент находится в предварительнонагруженном состоянии, а компенсирующий - в ненагруженном, Это ведет к разнице собственных частот рабочего икомпенсирующего элементов, к различной усилию поджатия рабочего пьезоэлемента 4, На втором этапе датчик устанавливают на вибростенд, подключают к нему измерительную аппаратуру и при воздействии на него вибрации определенной величины, регистрируя характеристики, регулируют собственную частоту компенсирующего пьезоэлемента до совпадения с собственной частотой рабочего пьезоэлемента путем изменения силы поджатия компенсирующего пьезоэлемента. 2 с, и, ф-лы, 2 ил. чувствительности их к воздействию вибрации во всем рабочем диапазоне частот и, как следствие этого, погрешность от вибрации оказывается достаточно велика.Известен способ настройки пьезоэлектрического датчика давления по виброкомпенсации, заключающийся в том, что пьезоэлемент в конструкции прибора размещают так, что его опора располагается в 10 плоскости, которая разделяет укаэанный пьезоэлемент на две симметричные части; Вследствие этого, при действии ускорений в направлении оси датчика суммарный выходной сигнал датчика от действия вибрации стремится к нулю, а .при действии поперечных составляющих ускорений параэитного сигнала не возникает из-эа симметрии пьезоэлемента относительно его продольной оси 1,20 Недостаток известного способа заключается в том, что освободить компенсирующую часть пьезоэлемента от рабочего давления практически до конца никогда не удаетсй, а это полностью отражается на точности настройки(снижает ее), кроме того, не удается добиться полной симметрии рабочей и компенсирующей частей условно разделенного при закреплении пьезоэлемента Известен способ настройки пьезоэлек трического датчика быстропеременных давлений; заключающийся в том, что виброкомпенсирующий узел в конструкции прибора размещают отдельно от рабочего пьезОэлемента, -исключая воздействие на35 компенсирующий пьезоэлемент быстропеременного давления, а затем поджимают его к опорному основанию с помощью постоянного груза,Недостатком способа является то, что пьезоэлементы оказываются нагруженыразличными усилиями, отсюда разница собственных частот, неравномерность частотных характеристик поджатых пьезоэлементов и, как следствие, их разная 45 чувствительность к вибрации,Цель изобретения - уменьшение погрешностей от воздействия вибраций и повышение точности настройки во всемчастотном дйапазоне вибраций датчика.Изобретение делает возможным реализацию двух совершенно идентичных чувствительных элементов; один из которых(основной - рабочий) воспринимает как давление, так и вибрацию, другой же (дополнительный - компенсирующий) тольковибрацию, причем чувствительность к вибрации обоих пьезоэлементов при их оконча тельном закреплении становится равной, атак как между собой пьезоэлементы электрически соединены встречно, вследствиечего сигнал с пьезомодулей складывается впротивофазе; с выхода измерительной схемы датчика снимается сигнал, пропорциональный только измеряемому давлению.Идентичность расположения и закреплениячувствительных элементов обеспечиваетсякак конструктивными признаками датчика,так и его методом настройки, обеспечивающим одинаковые усилия поджатия рабочегои компенсирующего пьезоэлемейтов,На фиг, 1 показан пьезоэлектрическийдатчик, общийвйд; на фиг, 2 - схема настройки датчика предлагаемым способам.Пьезоэлектрический датчйк содержиткорпус 1, за одно целое с которым выполнена воспринимающая мембрана 2, связаннаячерез подушку 3 с рабочим пьезоэлементом4, Рабочий пьезоэлемент 4 защемлен междумембраной 2 и основанием 5 с определенным усилием, зависящим от величины воздействующего давления и конструктивныххарактеристик устройства. Корпус 1 черезоснование 5 герметично соединен с помощью сварки с нижним корпусом 6, в котором размещен виброкомпенсирующийузел, Виброкомпенсирующий узел состоитиз компенсирующей мембраны 7, котораявыполнена идентично воспринимающеймембране 2 и за одно целое с нижним корпусом 6, виброгруза 8 и компенсирующегопьезоэлемента 9, также идентичных соответственно подушке 3 и рабочему пьезоэлементу 4. Компенсирующий пьезоэлемент 9поджат к компенсирующей мембране 7 спомощью нижнего основания 10 и резьбовой конической втулки-шестерни 11 с усилием, близким к усилию поджатия рабочегойьеэоэлемента 4,Для более точного задания.усилиянакомпенсирующий пьезоэлемент 9 и создания возможности настройки собранногодатчика в датчик введен конический винтшестерня 12, входящий совместно с втулкой11 в коническую винтовую пару. Для обеспечения ее нормальной работы коническаяпередача выполнена, исходя иэ условия: отношение шагов резьб равно передаточному числу конической передачи, т.е.11 25 т 2 Егде 11 и 21 - соответственно шаг резьбы и число зубьев винта-шестерни 12;12 и Х 2 - соответственно шаг резьбы ичисло зубьев втулки-шестерни 11,Настройка датчика по виброкомпенса 10 ции проводится в два этапа; первый - этап грубой настройки и второй - этап точной настройки. Грубая настройка осуществляется в процессе сборки датчика и заключается в предварительном поджатии компенсирующего пьезоэлемента 9 к компенсирующей мембране 7, за счет резьбовой втулки-шестерни 11 с усилием, эквивалентным усилию поджатия рабочего пьезоэлемента 4, Дан 20 ное усилие задается определенным моментом затяжки втулки 11, величина которого зависит дт усилия поджатия рабочего пьезоэлемента 4. Второй этап начинается после окончательной сборки датчика, Датчик устанавливают на вибростенд, подключают к не 40 45 винт 12 контрится любым известным способом (сварка, пайка, клейка и т,д.), а рабочий и компенсирующий пьезоэлементы коммутируются с помощью электрических выводов 13 в одну общую измерительную схему.Датчик давления работает следующим образом,Прй действии на приемную полость датчика измеряемого параметра, например быстропеременного давления,50 воспринимающая мембрана 2 передает деФормацию через подушку 3 на рабочий пьезоэлемент 4, Под действием деформации в указанном пьезоэлементе возникают заряды, которые снимаются с электродов через выводы 13 и подаются на вторичную аппаратуру. При одновременном действии измеряемого параметра и вибрации сигнал,связанный с возникновением зарядов в раму измерительную аппаратуру и при воздействии на него вибрации определенной величины, регистрируя характеристики с рабочего и компенсирующего пьезоэле ментов во всем заданном частотном диапазоне, определяют конкретную частоту, на которой имеется наибольшая амплитудная разница. Точную настройку осуществляют на указанной частоте, меняя за счет поворо та винта 12 усилие поджатия на компенсирующий пьезоэлемент 9 так, чтобы разница между сигналами от вибрации с рабочего и компенсирующего элементов была мини мальна. После окончательной настройки1749733 Составитель Н,МордоТехред М.Моргентэл Редактор Н.КозориЗакеэ 268 ВВНИИХИ Госуда Корре н Н,Коро Тираж;: . . Подписйоеейного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 1 ЗОЗЬ, Москва, Ж-ЗЬ, Рауаская наб 4/Ь зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 бочем пьезоэлементе 4 от действия:вибрэ- пенсирующей мембраной, выполненной зэ ции, компенсйруется встречййм сигйалом одно целое с нижней частью корпуса, и коот вибрации, возникающим в компенсирую- нической винтовой парой; выполненной в щем пьезоэлементе 9, в связи с чемс выхода виде резьбовой втулки; сопряженной с внут- измерительной сйстемы на вторйчную аппэ- б ренней поверхностью нижней части кордуратуру (нэйример; усйлитель заряда "Де- са с возможностью перемещения по его оси, виэ") поступает сигнал, пропорциональный и винта,устэновлейньговнижнейчэстикортолько измеряемому быстропеременному пуса и контактирующего с втулкой, приэтом давлению, :.:.; : , компейсирующий пьезоэлемент зажатмежТехникоэкономическйми преимущест б ду компенсирующей мембраной и резьбовами изобретения является следуюЩее: по- вой втулкой.грешность датчиков от вибрации снижена в2. Способ настройки пьеэозлектрйче, раза; виброэквивалент умвиьаеи в 2,25 ского датчика давления, включающий рек- раза; неравномерность частотной характе- лировку компенсирующего вибрацеи ристики снижена в 2,4 раза, .15 йьезоэлементэ,-о т л и ч э ю щ и й с я тем,Формула изобретени я: что,сцельюповышейияточностинэстройки " Пьезоэлектрический Датчик давления, во всей частотном диапазоне вибраций, на-содержащий полый корпуси основание, гружают кОмпенсирующий пьезоэлемент разделяащее корпус нэ верхнюю ийижяаю сосредоточеннойсилой, эквивалентной:усичэсти, в верхней частй корпуса размещены 26 лию поджатия рабочего пьезоэлемента, усмембрайа и рабочий пьезоэлемент, доджа-: - танавливэют датчик нэ вибростенд и при тый к мембране основанием, а в нйжней действии вибраций в заданномчастотном частикорпусаустановленкомпенсируащийдиапэзонерегулируютсобственнуючастоту йьеэоэлемент, при этом рабочий и кбмпен- компенсирующего пьезоэлемента до совпа сирующий пызозлементы включены элект дения с собственной частотой рабочего пьеричбскипараллельно,отли:чающийся зоэлемента путем измейенйя -силытем, что; с цельюуменьшения погрешностейподжатия компенсирующего пьезоэлеменот воэщИтвия вибраций, он снабжен ком- та.