Пьезоэлектрический акселерометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСВИМИЪНеснииРЕСПУБЛИК 0% 01) 4 (51) С 01 Р 15/09 ОБРЕТЕНИ ЬСТВУ О АНИЕ ВТОРС СВ перкалзацигорл ещени ые со о изонтал ежащих пь ы в проти том угол тноситель ометра оп К,Д,0 =Огс 5 иС 1 э 1К - относительный коэффи 1циент влияния поперечного ускорения, изме- френный в плоскости пое стяжения - сжатия. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И (ЛЙРЫТИ(56) 1. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара. Справочник под ред. проф. В.В.Клюева. М., "Машиностроение", 1978.2. Каталог фирмы "Эндевко", США, 1979.(54)(57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий основание с установленными на нем пьезоэлементами вертикальной поляризации и инерционными элементами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения влияния поперечных ускорений, он снабжен площадками, ортогонально расположенными на основании, а пьезоэлементы установлены на площадках с возможностио я таким образом, что вертиставляющие векторов поляриадают по направлению, аьные составляющие противоезоэлементов ориентировавоположные стороны, приустановки пьезоэлементано вертикальной оси акселеределяется по формуле ворота, выраженный в процентах;- пьеэомодули, соответ "ственно сдвиговый и11373Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания высокоточных пьезоэлектрических акселерометров вчастности для образцовых акселерометров,Пьезоэлектрические акселерометрыпо принципу деформации чувствительного элемента можно разделить на триосновные группыакселерометры с чув Оствительным элементом, работающим нарастяжение - сжатие; акселерометрыс чувствительным элементом, подвергаемым деформации изгиба; акселерометры с чувствительным элементом, 15подвергаемым деформации сдвига Я .До последнего времени в СССР и за,рубежом в основном выпускались акселерометры первых двух групп,Вследствие повышенной чувствитель ности к воздействию влияющих факторов:поперечного ускорения, деформацииобъекта, температуры,акселерометры 1группы имеют недостаточную точность.Аксеперометры П группы имеют невы сокие прочностные и динамические характеристики, большие габариты.Сдвиговые акселерометры имеют лучшие характеристики, чем акселерометрыпервых двух групп. 30Наиболее близким к предлагаемомуявляется пьезоэлектрический сдвиговыйакселерометр, содержащий основаниес установленными на нем пьезоэлементами вертикальной поляуизации и инерционными элементами 2 .Известный акселерометр имеет недостаточную точность вследствие чувствительности акселерометра к пара-зитному воздействию - поперечномуускорению. Количественно чувствитель"ность акселерометра к поперечномуускорению характеризуется коэффициентом влияния поперечного ускоренияК. Для известного акселерометра коэффициент влияния поперечного уско"рения составляет ЗХ, Если составляющие ускорения в основном и поперечном направлениях равны, то погрешность измерений в этом случае достигает З ,Целью изобретения является повышение точности пьезоэлектрического сдвигового акселерометра за счет уменьшения влияния поперечных ускоренийеУказанная цель достигается тем, что акселерометр, содержащий основа 96ние с установленными на нем пьезоэлементами вертикальной поляризации н инерционными элементами, снабжен площадками, ортогонально расположенными на основании а пьезоэлементы установлены на площадках с возможностью перемещения таким образом, что вертикальные составляющие векторов поляризации совпадают по направле- нию, а горизонтальные составляющие противолежащих пьезоэлементов ориентированы в противоположные стороны, при этом угол установки пьезоэлемента относительно вертикальной оси акселерометра определяется по формуле"450( =ОРС 5 п 7Ычгде К - относительный коэффициент влияния поперечного ускорения, измеренный в плоскости поворота, выраженный впроцентах;с 1 - пьезомодули, соответственно сдвиговый ирастяжения/сжатияНа фиг. 1 изображен предлагаемыйпьезоэлектрический акселерометр, фронтальный разрез; на фиг. 2 - тоже, вид сверху; на фиг. 3 - схема разрезки пьезоэлементов из поляризованной заготовки.Основание 1 акселерометра (фиг,1и 2) снабжено четырьмя вертикальнымиортогонально расположенными площадками. На каждой из,площадок с помощью винтов 2 установлен с возможностью углового перемещения монолитньп 3 пакет, состоящий из склеенных между собой пьезоэлемента 3 из пьезокерамики, двух изолирующих прокладок 4 из плавленного кварца и инерционного тела 5. Пьезоэлементы 3 для ориентации при сборке снабжены меткой 6, Пьезоэлементы 3 вырезаны из одной предварительно поляризованной заготовки из пьезокерамики, выполненной в виде параллелепипеда (фиг. 3), имеющего метку 6 (например, лыску). Направление оси поляризации заготовки соответствует оси Е. На боковых сторонах пьезоэлементов 3 нанесены электроды (напылением в вакууме или химическим серебрением).Пьезоэлементы, расположенные в заготовке рядом: а и 1, с и д, установлены с противолежащих с тн он лерти1137 1 О 3 =4 щагде Й- сдвиговый пьезомодуль;ш - масса инерционного тела.При действии ускорения в попереч-. 40 ном направлении на электродах каждого пьезоэлемента 3 возникают заряды, вызванные паразитной чувствительностьюк поперечному ускорению.Для сдвиговых пьезоэлектрических акселерометров основной причиной, вызывающей появление такой чувствительности, является несовпадение пьезоэлектрической и геометрической осей пьезоэлемента вследствие накло О на вектора наведенной поляризации при изготовлении пьезоэлемента иэ пьезокерамики, В настоящее время измерения такого несовпадения возможны только для монокристаллов, напри мер кварца, с помощью рентген-гониометра. Для поликристаллических пьезоэлектриков (к таким относится пье 3кальных площадок основания 1При этом противолежащие пьезоэлементы а и , с и с развернуты в противоположные стороны относительно оси поляризации 3 .Вследствие этого векторы поляризации противолежащих пьезоэлементов равны по модулю и наклонены в противоположные стороны на одинаковые угСоответственно равны по модулю и ориентированы в противоположные стороны горизонтальные составляющие этих векторов поляризации:Х,ХХ,=-Х,1 15Уа=-Уь 3 Ус =-УВертикальные составляющие 2 векторов поляризации совпадают по направлению.Электроды пьезоэлементов 3 электрически параллельно соединены со входом согласующего усилителя (не показан).Акселерометр работает следующим образом. 25Под воздействием ускорения, направленного по измерительной оси 2 акселерометра, инерционные тела 5 создают сдвиговые усилия, приложенные к пьезоэлементам 3. Вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта на электродах пьезоэлементов 3 возникают электрические заряды одноимен ной полярности, пропорциональные измеряемому Ускорению а . Суммарный за ряд равен 396 4зокерамика) методы определения наклона вектора поляризации отсутствуют.В предлагаемом сдвиговом акселерометре вследствие наклона вектораполяризации становятся отличными отнуля пьезомодули 3 1 и 31, которыеопределяют чувствительность акселерометра к поперечному ускорению.Значения этих пьезомодулей нахо дятся из следующих выражений:), - 61 й Ц,7оЬ. 2 СЬ " Югде Ц и- углы между ося-ми координатХ, У, 2 и Х,У,2при поворотесоответственновокруг осейУиХ;Х,У,2 и Х,У,2 - соответственногеометрическиеи пьезоэлектрические оси пьезоэлемента.Отсюда для предлагаемого акселерометра суммарный электрический заряд для пьезоэлементов а, 1, с и 3(фиг. 3) при действии поперечногоускорения по осям Х и У определяетсясоответственно следующим выражениямф(в а 4 ц 2 пц 26 ю-ць 1 ьп(,5 пфО;9 =ща 42 з 1 пц,2 Я-Ц 1)ьпю(-Чф=О,Таким образом, в предлагаемом ак,селерометре при воздействии ускоре,ния а в поперечном направлении поосям Х и У на электродах противолежащих пьезоэлементов вследствие наклона вектора поляризации возникаютэлектрические заряды разноименнойполярности, которые при равенствеуглов наклона вектора поляризациипротиволежащих пьезоэлементов взаимно вычитаются.Для снижения паразитной поперечной чувствительности акселерометра,вызванной другими факторами (неоднородностью пьезоэлектрических свойствпьезоэлемента, отсутствием полногоравенства между углами наклона вектора поляризации противолежащих пьезоэлементов и т.п.) монолитные пакетыс пьезоэлементами 3 повернуты наугол Ж,При действии поперечного ускорения на пьезоэлемент 3, повернутыйТираж 898 Государственно лам иэобретени Москва, Ж-З 5,о к и РауПодписномитета СССРкрытийкая на 0., д. 4/5