Многокомпонентный пьезоэлектрический тендем-вибродатчик

Етских ТИЧЕСК ОКЗЗ С ОЦИАЛИ 50 1792537 ЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТСССР) ОПИСАНИЕ К ЙАТЕНТУ5/О 6 01 ПАТЕНТНОЕ ЗОХРЕ1.:.: .:." 2(21) 4817655/10 . - .: . вибродатчикам, Функционирующим в режи- (22) 02,03,90." .: ,: ме акселерометра. Сущность изобретения., (46) 30.01.93, Бвл, М 4, - вибродатчик состоит из общего инерцион- (71) Научно-исследовательский институт ин-: ного элемента в аиде твердого тела (напритросскопии . - ,: . .мер, в форме куба, шара йли двух конусов;(72) Ю.И; Иориш, - сложенных основаниями) и расположенных (73) Ю,И; Иориш .:.пораэныеегостороны;-вобщемслучаетрех (56) Авторское свидетельство СССР : пар пакетов пбнесколько пьезопластин в . %167379, кл, 6 01 Р 15/09, 1963., . каждом, в нише корпуса, укрепленного ос-Авторское свидетельство СССР нованием на контролируемом "объекте, ВМ 1545171; кл. О 01 Р 15/09, 1985. вибродатчике использована сдвигавшая де- (54) МНОГОКОМПОНЕНТНЪЙ ПЬЕЗОЭ- формация пластин. поляризованных в пло- , ЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕНДЕМ-ВИБРОДАТ- скости и расположенных так, чтобы ЧИ 1(.: .: направления векторов поляризации были (57 Использование: изобретение относитсявэаимйо йерпендикулярны в сбседних пла- Б . квиброметрии и сейсмометрии, а именно к стинах каждого пакета и в одинаковых слоях многокомпонентным пьезоэлектрическим соседних. 2 з,п,ф-лы, 4 ил.ц Изобретение относится к измерительнойтехнике, а именно к устройствам, испольэующичся для контроля и исследования механичесских колебаний в задачах виброметрии исейсмометрии,Целью изобретения является повышение точноСти измерения многокомпонентного пьезоэлектрического вибродатчика,преимущественно в режиме акселерометра.Известны двух- и трехкомпонентныейьезозлектрйческие вибродатчики, состоящие из двух или трех однокомпонентныхдатчиков, конструктивно обьединеннйх общим корпусом. Сущес швейное их преимущество перед однокомпонентными датчиками,. мойтйруемыми на контролируемом объектесамостоятельно, точность взаимной ортогонаЛьности трех измерительных осей, прочность и удобство монтажа, а основной недостаток - разобщенность трех инерционных элементов и, следовательно, невозможность фиксации точки, в которой ЬЭ производится измерение,ИИзвестен лишенный этого недостатка (фЭ трехкомпонентный датчик с общим инерци- сонным элементом, конструктивно оформленный по центрировавной схеме "тендем", принятый за прототип, Общая точка измерения совпадает здесь с центром инерции подвижной части системы, В этом устройстве и ему аналогичных используется "компрес-сйонная" деформаций пьезопластин и пьеэомодуль бзз, Точнсстные характеристикидатчика могли бы быть существенно улучше- йЫ эа счет использования "сдвиговой" деФормаци пластин и пьезомодуля б 15, что, однако, до настоящего времени не удавалось из-за отсутствия конструктивных схем, 179253710 15 20 25 30 35 Ц = Яб 150,обеспечивающих одновременность и однородность процесса измерения всех трех ортогональных компонентов ускорения,Указанная задача одновременного совмещения схемы тендем и сдвиговой деформации пластин вместе с условием однородности выполняется благодаря предлагаемому расположению и объединению пластин и пакетов,На фиг,1,2 и 3 представлен трехкомпонентный вибродатчик; на фиг,4 - двухкомпонентный.Вибродэтчик соСтоит из общего инерционного элемента 1 в виде твердого тела (например, в форме куба, шара или двух конусов, сложенных основаниями) и расположенных по разные его стороны в общем случае трех пар пакетов 2,3,4 по несколько пьезопластин в каждом, в нише 5 корпуса 6, укрепленного основанием на контролируемом объекте 7. В пакетах для определенности по две пластины, плоские электроды и изоляционные прокладки йе показаны,В вибродатчике использована сдвиговая деформация пластин, поляризованных в плоскости и расположенных так, чтобы направления векторов поляризации были взаимно перпендикулярны в соседних пластинах каждого пакета и в одинаковых слоях соседних пакетов, как поясняется стрелками,При вибрации на каждой пластине возникает заряд где 3 - площадь пластины с одной стороны;015 - ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ПЬЕЗОМОДУЛЬ;. о - упругое напряжение в пластине при сдвиге,образующееся под действием силы, вызванной компонентом, направленным вдоль вектора поляризации.Из фиг,1-4 видно, что каждый пакет контролирует по два компонента виброускорения вдоль осей ХУ и 7, а каждый из трех компонентов одинаковым образом контролируется четырьмя пакетами двух пар.Знак заряда на электродах пластины определяется направлением поляризации,Одновременно на электродах пластины может возникнуть помеха - электрическое напряжение от воздействия внешних физических полей, не зависящих от пьезоэффекта, а связанных, например, с условиями эксплуатации.При надлежащем выборе направлений поляризации для каждой пары, образованной смежными пластинами, находящимися в двух противолежащих пакетах (в одну и ту же или противоположные стороны),и соответствующем включении пластин в общую цепь со второй парой из соседних пакетов, тоже контролирующих данный компонент, заряды этих пар складываются и усредняются, а помехи попарно взаимовычитаются.Таким образом, вибродатчик действительно приобретает новые свойства, повышающие точность его функционирования: усреднение снимаемого сигнала по четырем пакетам двух пар, различно ориентированных в пространстве, и защищенность от помех через их самокомпенсацию. С целью дальнейшего повышения точности измерения, в частном случае, когда вибродатчик предназначен для работы в условиях гравитации и желательно устранить неоднородность ее деформирующего действия на пластины, пакеты, перпендикулярные силе тяжести, в систему не включаются, Например, если сила тяжести направлена вдоль оси Е, то отсутствует парэ пакетов 2, Однако датчик остается трехкомпонентным, так как компоненты вибрации вдоль осей Х и У продолжают контролироваться пакетэми 3 и 4,В частном случае, когда требуется измерение только двух компонентов, достаточно одной пары пакетов (фиг,4), При этом, как это видно из сравнения с фиг,1, допустимо в пределах данного пакета перемещать пластины из слоя в слой без нарушения установленных направлений поляризации и электрических соединений,Датчик остается работоспособным, если в каждом пакете содержится одна пластина, В частном слу 1 эе двух пакетов по одной пластине в каждом, датчик работает без взаимокомпенсации помех Достижение цели создания многокомпонентного. центрировэнного пьезоэлектрического вибродатчика с высокими техническими характеристиками свелось к решению задачи органического сочетания трех научно-технических идей, положенных в основу разработки и образующих обобщенные признаки устройства:а) использована центрирован ная многостепенная колебательная система типа"тендем" с общим инерционным элементом, расположенным между шестью пакетами пьезоэлектрических пластин, образующих в общем случае три пары; б) применена сдвиговая деформация пьезопластин, поляризованных в своей плоскости,в) предложена схема расположения и объединения пластин и пакетов,Сочетание всех признаков а),б) и в) вме) слабая подверженность быстрым иэсте приводит к следующим полезным свой- менениям температуры (пироэффект);ствам, определяющим сверхэффект: 13) отсутствие Органической паразит 1) однородность устройства в отноше- ной чувствительности пьезопластин к комнии одновременного измерения всех трех 5 йонентам виброускорения, ортогональнымвзаимно ортогональных компонентов виб- к подлежащему измерению;роускорения;14) минимизированная деформацион 2) повышение точности измерения бла- ная чувствительность основания;годаряусреднению выходного сигнала по 15) минимизированная и симметриэидвум парам, т,е. четырем разнесейным па рованная нелинейность системы,кетам пластин; У прототипа полностью отсутствуют3) повышение точности изм;рения бла- свойства (2 - 6) и свойства (10 - 15) хуже нагодаря защите через взаимокомпенсацию физической основе количественно, поскбльпочетырем пакетам значительной части на- ку благодаря признаку в) сделалась возможводок от внешних физических полей; 15 ной замена компрессионной деформации4) повышенйе точности измерения бла- на сдвйговую,годвря дополнительной защите через взаимо-В целом, свОйства датчика высокие,компенсацию от пироэффекта, возникающего Возможно, что предложенное техническоепри быстром изменении температуры внеш-решение поставленной задачи созданияней среды;. - .20 многокомпонентного центрированного пье 5) в частном случае наличия двух пар, зоэлектрическоговибродатчика на соврепакетов датчик остается трехкомпонент-, менном уровне" теХники являетсяным, с некоторым ухудшением усредненияоптимальным.сигйала, но приобретением свойства защиты От деформационного действия силы тя Ф о р м у л а и,з о б р е т е н и яжести на пластйны;": ., 1.Многокомпонентный пьезоэлектриче 6) в частном случае наличия одной пары ский тендем-вибродатчик, содержащий папакетов датчик становится двухкомпонент- кеты пьеэокерамических"пластин,ным. расположенные на корпусе с основаниемБлагодаря признаку а) сохраняются 30 парами по разные стороны инерционногоследующие известные полезные свойства элемента, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сизмерительного устройства; целью повышения точности, каждая пласти 7) простота принципиальной схемы, на пбляризована в плоскости ее осйования,обеСпечивающая конструктивность реаль- а направления векторовполяризации взаногО устройства, четкость функционирова имно перпендикулярны в соседних пластиния, надежностьиудобствоэксплуатации; нах каждого пакета и в одинаково8)неподверженность "растеканию" сво- расположенных пластинах соседних пакебодных колебаний инерционного элемента тов,по всем шести степеням свободы; 2.Тендем-вибродатчик по п.1, о т л и ч а ю 9) минимизация вынужденных угловьа 40 щ и й с я тем, что, с целью повышенияколебаний инерционного элемента.точности в условиях гравитации, пакетыБлагодаря признаку б) сохраняются пьезокерамическихпластинрасположенывследующие известные полезные свойства виде двух пар перпендйкулярно основаниюаналогичных измерительных устройств:корпуса,10) технологичность изготовления пре З.Тендем-вибродатчик попп.1 и 2, отл иобразовательных элементов и высокие эна- . ч а ю щ и й с я тем, что, с целью обеспечениячения точностных параметров; возможности измеРения двух линейных11) слабая подверженность внешним компонентов виброускорения, пакеты пьефизическим полям; эокерамических пластин расположены в ви 50 де одной пары.Фиг,Корректор Н.Ревская,:. оставитель Ю,Иориаехред М.Моргентал одакова но-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 Прои зво каэ 175 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыг,иям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5