Способ построения измерительной системы

ГОГОВ СОВЕ ТСКИХСОЦИЛ ЛИС ТИЧЕГКИРЕГПУВЛИК г 9) г АЗ 55 Н 01 1 41/:.)ОБ ЕТЕН ОПИСА АТЕН ной емкостью Сн. яют на упругом эой опорой лнительно о рода Оэ,реобразователь заменте с цилиндрииаметром Оп. изируют диаметр пределяют соотнодят соотношение вход креп ческ Доп алек пти для чего оСн- нахопэ ение Опэ В= 00 ва кри х -2(1-4 А( аВа В)-2 А(аа 13 Оэ - . Поп Оо х уравнению )пх 41+ ВО, неравен- эмпирический ученной ноициент, а х = тношения А и В оп ествования знач комый диаметр эле мограмме через соо ляют область сущсоотношения х и исда Оэ,2 ил,еде- ний с нои нии Опэ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(54) СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ(57) Использование: приборостроение, построение измерительных систем для параметров физических процессов, Сущность.изобретения:,по исходной резонансной частоте изготавливают первичный пьезоэлектрический дисковый преобразовательдиаметром Оэ с электродами диаметром Оэ,емкостью Спэ, предназначенный для работы мирователем сигнала с известно Изобретение относится к области контроля параметров физических процессов измерительными системами, а именно - к способам построения системы измерения параметров физических процессов, например. вибрация, движение. удар. давление.Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности системы при сохранении заданной резонансной частоты, габаритов и массы первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя.Цель достигается тем, что в известном способе построения измерительной системы, состоящей из первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя и формирователя сигнала с известной входемкостью Сн, основанном на изготовледис ко в ого и ьезоэлемента диаметром, с электродами диаме оом Оэ, емкостью Спэ, который закрепляют на упругом элементе с цилиндрической опорой диаметром Оп, по исходной резонансной частоте, дополнительно оптимизируют диаметр электрода. Оэ для чего определяют соотношениеСн Опэ А= - , находят соотношение В= -- , стропэ О ят номограмму в виде семейства кривых, удовлетворяющих уравнениюх -2(1-А)( а В) х -4 А( а В)и х+4 1 + +А(аВ)(аВ) 1 п(аВ)2 А(аВ) =-0и неравенству 1х В, по которой через соотношения А и В определяют область существования значений соотношения х иискомый диаметр электрода Оэ, где1,1а1,3 - эмпирический коэффициент,Оах=ОПовышение чувствительности системыпри сохранении резонансной частоты, габаритов и массы датчика достигается выборомопределенного размера электрода Оэ, прикотором чувствительность измерительнойсистемы с известной входной емкостью максимальна. При этом размеры пьезоэлемента и упругого элемента не изменяются, а,следовательно, сохраняются резонанснаячастота, габариты и масса датчика.В результате оптимизации диаме ра 15электрода О, уменьшается собственная емкость пьезоэлемента. При этом, хотя иуменьшается коэффициент преобразованияпо заряду датчика, но не столь резко, каксумма собственной емкости пьезоэлементаи входной емкости формирователя сигнала.Уменьшение коэффициента преобразования по заряду происходит медленнее, чемуменьшение суммы (Спэ+С). Чувствительость измерительной системы увеличивается с уменьшением диаметра электрода Оэдо вышеопределенного значения, достигаяв нем максимального значения. При дальнейшем уменьшении диаметра О чувствительность измерительной системыгтановится меньше, поскольку коэффициент преобразования по заряду датчика убывает быстрее, чем сумма собственнойемкости пьезоэлемента и входной емкостиформирователя сигнала,35Суть заявляемого технического решения ясна из прилагаемых разьяснений и иллюстраций, где Фиг, 1 - конструктивнаясхема измерительной системы; на фиг. 2 -полученная номограмма.40На фиг. 1 показано:Оп., - диаметр пьезоэлемента;О, - диаметр электрода;Оо - диаметр основания;Сн - емкость нагрузки.45Особенность конструктивной схемы акселерометра с дисковым пьезоэлементом,закрепленным на упругом элементе с ци-линдрической опорой заключается в том,что для реализации высокого коэффициентапреобразования по заряду диаметр пьезоэлемента О, должен быть во много раз больше его толщины, Такое соотношениеразмеров и обуславливает высокие значения собственной емкости пьезоэлемента,достигающих значений единиц - десятковнФ. В то же время, входные емкости формирователя сигнала измерительных систем достаточно малы (в том числе, в результате ограниченной длины соединительного кабеля), Нерациональное соотношение собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя сигнала приводит к относительно низкой чувствительности системы, несмотря на высокий коэффициент преобразования по заряду датчика, Изменение размеров пьезоэлемента с целью увеличения чувствительности, как ранее отмечалось приведет либо к изменению резонансной частоты, либо к увеличению габаритов и массы датчика.Процесс оптимизации диаметра электрода Оэ представляет собой весьма сложную задачу, поскольку в известных способах построения измерительных систем отсутствуют решения, позволяющие воедино связать диаметр электрода, входную емкость формирователя и геометрические размеры чувствительного элемента датчика, Нахождение диаметра электрода аналитическим способом весьма трудоемко, поскольку уравнения изгиба многослойных элементов достаточно сложны. Тем не менее, задача нахождения оптимального диаметра электрода О при котором обеспечивается максимальное значение чувствительности измерительной системы для заданных резонансной частоты датчика и входной емкости формирователя сигнала, имеет единственное решение, В заявляемом способе решение представлено в виде кривых номограммы, удовлегворяющих уравнению х -2(1-А(а В) х -4(а В) пхф 4 1 +А( а В) ) ( а В)и( а В)-2 А( а В) =0 (1) и неравенству 1х .В,Приведенное уравнение связывает между собой через соотношения А,В и х, диаметр электрода Оэ, диаметр пьезоэлемента Опэ, диаметр цилиндрической опоры О 0, емкость пьезоэлемента Спэ и входную емкость формирователя С,. Нахождение соотношений, в общем, позволяет перейти к приведенным характеристикам и, таким образом, охватить все диапазоны изменения перечисленных характеристик системы,Решение приведенного уравнения может быть представлено в виде множества корней, Однако, необходимость учета при проектировании технологических допусков изготовления пьезоэлемента и упругого элемента, допуска на длину соединительных кабелей, и как следствие допускаемого разброса входной емкости и т.п., не позволяет процесс оптимизации свести к численному расчету диаметра Оэ. Для обеспечения выбора диаметра Оэ с учетом допускаемых изменений характеристик системы требуетсязнание области существования соотношения х и диаметра О. При одновременномизменении соотношений А и В искомый диаметр электрода Оэ может изменяться как всторону уменьшения, так и в сторону увеличения. В этой связи, целесообразно множество корней приведенного уравнения представить в виде кривых номограммы, позволяющих определить область существования диаметра электрода Оэ для конкретного соотношения В и, при необходимости, учесть технологический разбросхарактеристик системы. В этом случае процесс нахождения диаметра Оэ сводится к графическому определению соотношения х через соотношения А и В, расчету диаметра Оэ по формуле Оэ=хО 0. Неравенство 1х В ограничивает область существования диаметра электрода, с одной стороны, диаметром цилиндрической опоры, а с другой - диаметром пьезоэлемента. Область пьезоэлемента, размещенная непосредственно на цилиндрической опоре, не испытывает деформаций изгиба, и поэтомучувствительность системы с датчиком, пьезоэлемент которого имеет электрод ОэО,э, во всех случаях равна нулю, что вызывает необходимость ограничения х 1.Неравенство 1х В представляетсобой множество решений, охватывающих область всевозможных сочетаний собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя, Следует отметить, чтоусловие х=В (сплошного нанесения электрода на торцевую поверхность пьезоэлелдента), в большинстве случаев нежелательно в результате реализации более высокого значения собственной емкости пьезоэлемента по сравнению с входной емкостью формирователя сигнала. Такое соотношение емкостей вытекает вследствие особенностиконструкции пьезоэлемента ( соотношения диаметра и толщины пьезоэлемента) и ограниченной размерами автомобиля длины соединительного кабеля, В то же время, работа системы наиболее эффективна в случае сравнимых собственной емкости пьезоэлемента и входной емкости формирователя, т.к, с увеличением собственной емкости пьезоэлемента уменьшается чувствительность системы. Эта особенность датчика системы, проектирование которой осуществлено заявляемым способом, предопределяет отличие от конструкции по схеме в связи с существенным различием диаметров электрода Оэ и пьезоэлемента Рпэ,уравнение получено путем нахождениялокального максимума функции чувстви 35 40 45 5055 51015 202530 тельности систел 1 ы от переменных: диал 1 етра электрода Оэ, диаметра пьезоэлемента Опэ, диаметра опоры О собственной емкости пьезоэлемента С,. входной емкости формирователя сигнала СПределы эмпирического коэффициента а обуславливаются соотношениями размера скругления (или фаски) и диаметра цилиндрической опоры для различных соотношений В.Для соотношений В, близких и сравнимых с единицей, характерны относительно толстые цилиндрические опоры. диаметр которых не превышает единиц-десятков миллиметров,а для соотношений В, значительно превышающих единицу - наиболее тонкие опоры, размер которых не меньше долей единиц миллиметров. Таким образом, нижний предел эмпирического коэффициента а=1,1 показывает, во сколько раз увеличивается диаметр наиболее толстых цилиндрических опор, а верхний ( а =1,3) - наиболее тонких опор.По номограмме, построенной по точкам, удовлетворяющим уравнению (1) в диапазоне 1 х В через соотношения А и В определяется отношение х и диаметр электрода Оэ, при котором обеспечивается наибольшая чувствительность измерительной системы,Формула изобретения Способ построения измерительной системы, состоящей из первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя и формирователя сигнала с известной входной емкостью Сн, основанный на изготовлении дискового пьезоэлемента диаметром О,э с электродами диаметром Оэ, емкостью Спэ, который закрепляют на упругом элементе с цилиндрической опорой диаметром Оо. по исходной резонансной частоте, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения чувствительности измерительной сист ы при сохранении заданной резонансной частоты, габаритов и массы первичного пьезоэлектрического измерительного преобразователя, дополнительно оптимизируют диаметр электрода Оэ, для чего определяют соотноСншение А= С, находят соотношениеСпэ ОпэВ- - , строят номограмму в виде семейст-фова кривых, удовлетворяющих уравнению х -2(1-А)(а В)2 х -4(а В) 1 пх+4 (1+ А(аВ)х(а В) 1 п(аВ)-2 А(аВ) =-0,г4 УГ 1 Составитель В.Яров Техред М.Моргентал ая Редак Корре фил Заказ 2553 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж; Раушская наб 4/5 НТ СС роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 ЮЮ торой через соотношения А и В определяетобласть существования значений соотношения х и диаметр электрода Оэ.