Пьезоэлектрический датчик давления (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 3 С 59 0 0 БРЕТЕНЬСТВУ поем,из- ль- с СУДАРСТБЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕК АВТОРСКОМУ СВИД 21) 3527990/18-10(71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н.Е.Жуковского(56) 1. Авторское свидетельство СССР 654866, кл. 0 01 ь 9/08, 1977.2. Авторское свидетельство СССР9 737798, кл, С 01 Ь 9/08, 1979(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ( ЕГО ВАРИАНТЫ 1,(57) 1. Пьезоэлектрический датчикдавления, содержащий пьезоэлемент,установленный на одном торце волновода, выполненного в виде стержняпостоянного сечения, другой конецкоторого перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутреннийдиаметр которого больше диаметрастержня, и скрепленного с наборомпустотелых коаксиальных цилиндров,причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано сволновым сопротивлением материаластержня и основного цилиндра, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности измеренийимпульсных давлений за счет устранения влияния переотражений волн вволноводе на результат измерений,соединение стержня с основным цилиндром выполнено в виде обращенного основанием в сторону пьезоэлемен.та конуса, по центру при вершинекоторого имеется коническая выемка,а набор цилиндров размещен по обеимсторонам основного цилиндра с радиальным зазором по отношению к наружной поверхности стержня, причемцилиндры жестко соединены друг сдругом и с основным цилиндром, аволновое сопротивление материалакаждого последующего цилиндра меньЯО 1080043 А ше волнового сопротивления соответствующего внутреннего цилиндра.2. Пьезоэлектрический датчик п. 1, отличающийся т что, с целью повышения точности мерений, в него введен .дополните ный волновод в виде двух конусов общим основанием, выполненных за одно целое, один из которых усеченный, и стакан с коническим отражателем, выполненным на наружной стороне дна, охватывающий набор цилиндров снаружи, причем вершина усе ченйого конуса контактирует с дном стакана, а вершина другого - с вершиной конической выемки конуса. 3. Пьезоэлектрический датчикдавления, содержащий пьезоэлемент, установленный на одном торце волно-, вода, выполненного в виде стержня постояного сечения, другой конец которого перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновым соп-. ротивлением материала стержня и основного цилиндра, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повы" щения точности измерений импульсных давлений за счет устранения влияния переотражений волн в волноводе на результат измерений, соединение стерж ня с основным цилиндром выполнено в виде обращенного вершиной в сторону пьезоэлемента конуса, по центру основания которого имеется коническая выемка, набор цилиндров размещен по обеим сторонам основного цилиндра, а пьезоэлемент со стержнем,выполнены со сквозным осевым каналом, при этом цилиндры жестко соединены друг с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала1080043 10 15 каждого последующего цилиндра меньше волнового сопротивления соответИзобретение относится к контрольно-измерительной технике и можетбыть использовано для измерения импульсного давления большой длительности и амплитуды, например, в пресспушках при ударе снаряда о жидкостьили серии импульсов давлений большойдлительности и амплитуды.Известны пьезоэлектрические датчики давления, содержащие размещенные в корпусе пьезоэлемент и акустический волновод, выполненный за одноцелое с расширителем с развитой рассеивающей поверхностью Г 1 3.Такйе датчики сложны в изготовлении и имеют низкую точность из-запереотражений волн расширения в волноводе,Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результатук изобретению является пьезоэлектрический датчик давления, содержащийпьезоэлемент, установленный на одномторце волновода, выполненного в виде стержня постоянного сечения, другой конец которогО перемычкой соединен с концом основного цилиндра,внутренний диаметр которого большедиаметра стержня, и скрепленного снабором пустотелых коаксиальныхцилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласогано с волновым сопротивлениемматериала стержня и основного цилиндра 23.Недостатком известного устройства является низкая точность измерения из-за переотражений волн. расширейия от,торцевых поверхностей волноводов.Цель изобретения - повышение точности измерений импульсных давленийза счет устранения влияния переотражений волн в волноводе на результатизмерений,Поставленная цель достигаетсятем, что в пьезоэлектрическом датчике давления (по первому варианту),содержащем. пьезоэлемент, установленный на одном торце волновода, выполненного в виде стержня постоянногосечения, другой конец которого перемычкой соединен с концом основногоцилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, искрепленного с набором пустотелыхкоаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьеэо ствующего внутреннего цилиндра. элемента согласовано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилиндра, соединение стержня с основным цилиндром выполненов виде обращенного основанием в сторону пьезоэлемента конуса, по центру при вершине которого имеется коническая выемка, а набор цилиндровразмещен по обеим сторонам основного цилиндра с радиальным зазоромпо отношению к наружной поверхностистержня, причем цилиндры жесткосоединены друг с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала каждого последующего цилиндра меньше волнового сопротивления соответствующего внутреннего цилиндра.При этом в него может быть вве- О ден дополнительный волновод в видедвух конусов с общим основанием,выполненных за одно целое, один изкоторых усеченный, и стакан с коническим отражателем, выполненнным нанаружной стороне дна, охватывающийнабор цилиндров снаружи, причемвершина усеченного конуса контактирует с дном стакана, а вершина другого - с вершиной конической выемкиконуса.Согласно второму варианту в пьезоэлектрическом датчике давления, содержащем пьезоэлемент, установлен. -ный на одном торце волновода, выполненного в виде стержня постоянного 35 сечения, другой конец которого перемычкой соединен с концом основногоцилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, искрепленного с набором пустотелых 40 коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновымсопротивлением материала стержня иосновного цилиндра, соединение стерж.ня с основным цилиндром выполненов виде обращенного вершиной в сторону пьезоэлемента конуса, по центруоснования которого имеется коническая выемка, набор цилиндров размещен 5 О по обеим сторонам основного цилиндра, а пьезоэлемент со стержнем выполнены со сквозным осевым каналом,при этом цилиндры жестко соединеныдруг с другом и с основным цилиндвром, а волновое сопротивление материала каждого последующего цилиндра меньше волнового сопротивления40 соответствующего внутреннего цилиндра.На фиг. 1 и 2 схематически представлен датчик, первый вариант; на фиг. 3 - то же, второй вариант исполнения.5Датчик давления состоит из пьезо. элемента 1, стержня 2, основного цилиндра 3, конуса 4 с конической выемкой с образующей аЬ, набора пустотелых коаксиальных цилиндров 5, 10 стакана 6 с коническим отражателем 7 и выполненных за одно целое двух конусов 8 с общим основанием, один из которых усеченный.Устройство работает следующим 15 образом.При воздействии импульса давления (фиг. 1) на пьезоэлемент 1 возникает упругая волна сжатия (расширения) в стержне 2, дойдя до конца которо О го она отражается от свободной границы аЬ конической выемки. При этом возникают две волны: волна расширения и волна искажения, которые по конусу 4 попадают в основной цилиндр 5 3, а затем демпфируются в коаксиальных цилиндрах 5. Волна расширения отражается под углом, равным углу падения, а отражение волны искажения подобно преломлению света, причем коэффициент преломления равен отношению скорости волны расширения к скорости волны искажения, т.е.1 Г 2 + 377) , где о н р. - константы Ляме. Амплитуда отраженной волны искажения достигает максимума при угле падения около 48 и это максимальное значение больше амплитуды падающей волны. Амплитуда отраженной волны расширения достигает минимума при угле падения около 65 . Поток энергии волны искажения меньше, чем поток энергии волны расширения при .той же амплитуде, поэтому оптимальное значение угла падения волны расширения должно быть близким к 65 , 45 т.е. угол при вершине конической выемки должен быть равным 130 . Когда упругая волна любого типа встречает границу раздела двух сред, возникают четыре волны. Две из них преломляются во вторую среду, две упругие отражаются, При. каждом таком отражении и преломлении происходит существенное уменьшение потока энергии волны расширения, которая продолжает распространяться с той же скоростью как и в стержне. Амплитуда такой волны будет постепенно затухать. Другие упругие волны будут распространяться с меньшей скоростью а их амплитуды в результате дробле О ния будут также уменьшаться. Волновые сопротивления материала каждого последующего цилиндра подобраны меньшими предыдущего, чтобы волна сжатия отражалась волной растяжения, 65 и обеспечивался сдвиг по фазе отраженной и набегающей волн, необходимый для их взаимного частичного поглощения при интерференции. Ностепен; ное уменьшение волновых сопротивлений материала при переходе от цилиндра к цилиндру обеспечивает более полное прохождение набегающей волны в последующие цилиндры, где продолжается процесс ее дробления на четыре волны в местах сочления цилиндров. В результате этого все цилиндры включаются в работу, в каждом .из них идет процесс затухания части первоначальной волны расширения (сжатия) вследствие интерференции и наличия диссипативных сил в материала 3 с цилиндров.Допустимая длина стержня 2 выбирается из условия его устойчивости при действии измеряемого импульса давления. Площадь сечения основного цилиндра 3 выбирается из условия равенства осевых моментов инерции стержня 2 и цилиндра 3, т.е. она будет тем меньше, чем больше будет его диаметр, и ограничивается в пре деле поперечной жесткостью, необходимой для обеспечения посадки с натягом коаксиальных цилиндров 5. Величину диаметрального натяга подбирают такой, чтобы на границах разделов цилиндров не было бы их взаим ного отскока при прохождении волны через эти границы, т.е. цилиндры 5 должны работать как одно целое.Устройство на фиг. 1 может иметь незначителвную погрешность измерения импульсов давления вследствие нормального отражения волны расширения (сжатияот площадки в вершине а конической выемки, обусловленной несовершенством инструмента используемого при выполнении этой выемки. Для устранения отражения волны расширения (сжатия) от этой площадки в сторону пьезоэлемента 1 и повышения точности измерений импульсов давления в устройстве введен дополнительный волновод (фиг. 2), выполненный в виде двух конусов 7 с общим основанием, прижатый к площадке в вершине конической выемки. При этом угол при вершине конуса, прижатого к выемке о= 90 , а при вершине усеченного конусас 90 . Волновое сопротивление материала стака. на 6 такое же как и у стержня 2 и цилиндра 3. Дополнительный волновод в виде двух конусов 7 пропускает прямую волну сжатия со стороны стержня 2 без отражения от границы сочленения, а в обратном направлении волна практически не проходит, так как система углов с и ф Образу" ет "запирающий механизм". Если полного гашения измеряемого импульса давления в коаксиальных цилиндрах5 не произошло, то волны иэ этих цилиндров, пройикая через основание при вершине ф, в основном попадают на боковую поверхность при вершине конуса ь = 90 и возвращаются в сторону боковой поверхности конуса с вершиной ф, которая фокусирует и возвращает их в стакан б. Толщина дна стакана б в месте соединения с усеченным конусом, дополнительного волновода должна быть не меньше диаметра его основания при вершине в и не больше диаметра основания при вершине )з , так как опасно нагруженной с точки зрения прочности будет зона под этим основанием, а дальнейшее увеличение толщины к снижению напряжений не приведет.Во втором варианте датчика(фиг.3)используется другой способ устраненля отражения волны расширения отвершины конической выемки. Здесьпьезоэлемент 1 и стержень 2 выполнены со сквозным осевым отверстием,а основной цилиндр 3 с набором коаксиальных цилиндров 5 развернут на180 . При этом коническая выемкавыполнена на основании конуса 4. Длина стержня 2 выбирается как можноменьшей. По сравнению с первым вариантом датчика (фиг. 1 ) упрощается 15 изготовление элементов: стержня 2,конуса 4 и основного цилиндра 3.1080043 Фивы Фиу, 3 оставитель Н.Киехред Т.Фанта вКорре Редакто Синицка Заказ 1327/44 Тираж 823 Подписн ВНИИПИ Государственного комитета ССС по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д, Филиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4