Пьезоэлектрический преобразователь ускорения

(54) ПЬЕЗ ЗОВАТЕЛЬ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1138745, кл. 8 01 Р 15/09, 1990,Авторское свидетельство СССРМ 737838, кл. 6 01 Р 15/08, 1983. ЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАОРЕНИЯ Изобретение относится к области контроля параметров движения, а именно - к первичным пьезоэлектрическим преобразователям, применяемым в ключевых системах контроля движения различных объектов, оборудования, инженерных сооружений, грунта и т.п,Применение известных пьезоэлектрических преобразователей ускорения в ключевых системах контроля движения ограничивается низкой помехоустойчивостью при действии механических возмущений с уровнем ускорений ниже порогового (несанкционированных механических возмущений). Собственный электрический шум при этом накладывается на сигнал преобразователя, вызванный механическим возмущением, и может вызвать при превышении заданного уровня напряжения непредусмотренное срабатывание системы (включение, выключение и т,п.), Влияние помех особенно, ощутимо в ключевых системах контроля сейсмических колебаний, возникающих при землетрясениях, вибра(57) Использование: в области контроля параметров движения, Сущность изобретения: пьезоэлектрический преобразователь ускорения содержит корпус, два инерционных элемента, взаимодействующие с ним посредством упругих элементов, Между инерционными элементами размещен пьезоэлемент. Величины масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов выбраны из соотношения М 1 С 2 = М 2 С 1, где М 1, М 2 - массы первого и второго инерционных элементов, соответственно, С 1, С 2 - жесткости первого и второго инерционных элементов, соответственно. б ил. ции оборудования и т.п., в результате чрезвычайно слабых сигналов от пьезоэлектрических преобразователей (десятки мкВ - Я мВ).Известные пьезоакселерометры, обладающие высокой чувствительностью, как а правило, имеют относительно низкую проч- Я ность, что ограничивает их применение весьма тяжелыми и стационарными обьектами,Для увеличения прочности в пьезоэлектрическом акселерометре, выполненном по О схеме с использованием изгиба тонкого 1 Я пьезокерамического диска, инерционнь 1 й элемент выполнен в виде диска с равномерно распределенными по его периметру выступами, Тем не менее, при изгибе пьезокерамический диск испытывает напряжения растяжения, что ограничивает амплитудный диапазон в результате меньшей прочности пьезокерамики при растяжении, чем при сжатии. Так, например, предел прочности при. растяжении(арсе) широко применяемой высокоэффективной пьезокерамики ЦТС - 19 более чем в 4 разаменьше предела прочности при сжатии осж,В пьезокерамическом акселерометре, выполненном также по схеме с использованием деформаций изгиба тонкого пьезокерамического диска, для повышения прочности упругую пластину с пьезокерамическим диском при сборке изгибают таким образом, чтобы обеспечить предварительно-напряженное сжатое состояние пьезоэлемента. Однако и такая конструкция не исключает деформаций растяжения пьезоэлемента при действии ускорения от основания в корпус акселерометра,В рассмотренных конструкциях отсутствует возможность регулировки порога чувствительности по ускорениям, ниже которого механические возмущения не вызывают появления электрического сигнала, Выходное напряжение акселерометров прямо пропорционально действующему ускорению во всем амплитудном диапазоне. Нижний уровень воспринимаемых ускорений очень низок и зависит от способа крепления пьезоэлемента, упругой мембраны и других конструктивно-компоновочных параметров. Отсутствие регулируемого порога чувствительности по ускоренйям ограничивает применение пьезоэлектрических акселерометров в ключевых системах контроля параметров движения.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, инерционный элемент, упругий элемент и пьезоэлемент.Предварительное поджатие осуществляется за счет затяжки корпуса к основанию акселерометра, При действии разнополярных ускорений пьезоэлемент испытывает только деформации сжатия, чем обеспечивается высокая ударная прочность.. При действии ускоренйя в направлении от упругого элемента к инерционному элементу уменьшается усилие поджатия и, та. ким образом, существует возможность отрыва упругого элемента от корпуса (в дальнейшем по тексту - возможность взаимодействия инерционного элемента с корпусом посредством упругого элемента). При этом образуется зазор между корпусом и упругим элементом, При уменьшении силы предварительного поджатия снижается и уровень ускорений, прй котором происходит отрыв упругого элемента от корпуса. При действии ускорения в обратном направлении существует возможность отрыва пьезоэлемента от основания корпуса, При отрыве упругого элемента от корпуса или пьезоэлемента от основания происходит ис кажение сигнала. Для этой конструкции необходимо выбирать амплитудный диапазон ускорений таким образом, чтобы не происходили укаэанные отрывы.Кроме того, в рассматриваемом акселерометре также отсутствует регулируемый порог срабатывания по ускорениям.Таким образом, наличие электрического сигнала при действии несанкционированных механических возмущений (с амплитудой ускорений ниже пороговых) снижает устойчивость пьезоэлектрического преобразователя ускорений. Целью настоящего изобретения является повышение устойчивости к влиянию несанкционированных механических возмущений. Цель достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом преобразователе ускорения, содержащем корпус, первый инерционный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом посредством первого упругого элемента, и пьезоэлемент, дополнительно введен второй инерционйый элемент, установленный с возможностью 5 10 15 20 второго упругого элемента, а пьезоэлемент размещен между инерционными элементами, при этом величины масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов 30 выбраны из соотношения М 1 С 2 = М 2 С 1, 35 40 45 50 55 где М - масса первого инерционного элемента;М 2 - масса второго инерционного элемента;С 1 - жесткость первого упругого элемента;С 2- жесткость второго упругого элемента.Известен пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий корпус, два инерционных элемента, один из которых связан с корпусом посредством упругого элемента, и два пьезоэлемента, один из которых размещен между инерционными элементами. Введение второго инерционного элемента вызвано наличием второго пьезоэлемента, сигнал от которого сравнивается с показаниями первого пьезоэлемента для нечувствительности к воздействию волн давления, Наличие в устройстве второго инерционного элемента позволяет устранить влияние импульсного давления путем вычитания электрических сигналов от обоих пьезоэлементов. Однако в такой конструкции также. как и; в ранее рассмотренных, отсутствует порог срабатывания по ускорениям, что ограничивает применение таких 25 взаимодействия с корпусом посредствомдатчиков в ключевых системах контроля движения из-за низкой устойчивости к влиянию несанкционированных механических возмущений.Повышение устойчивости к влиянию не санкционированных механических возмущений достигается путем образования регулируемого порога срабатывания по ускорениям, ниже которого пьезоэлемент не испытывает деформаций. Отсутствие де формаций пьезоэлемента достигается при условии равенства перемещений первого и второго инерционных элементов, т,е. д 1 =д 2,15 где д 1 - перемещение первого инерционного элемента;д 2 - перемещение второго инерционного элемента. 20С другой стороны; перемещение инерционных элементов определяется жесткостями упругих элементов и массами инерционных элементов и не зависит от жесткости пьезоэлемента 25 д: М 1 А ид, - М 2 А С 1С 2 где А - величина действующего ускорения, 30Отсюда М 1 А М 2 А С 1: С 2 - или М 1 С 2 = М 2 С 1 35Приведенное соотношение масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов определяет условие образования порога срабатывания по ускорениям. Регулировка порога срабатывания обеспе чивается предварительным поджатием пьезоэлемента и упругих элементов.Порог срабатывания по ускорениям Апор определяется по формуле45 Рподж Апор= М +Мгде Апор - порог срабатывания по ускорениям;50. Еподж - сила предварительного поджатия.При действии ускорения выше пороговых инерционные силы превышают силу предварительного поджатия Рподж и один55из. инерционных элементов в зависимости от направления ускорения отрывается от упругого элемента, образуя зазор. При этом скачкообразно изменяется чувствительФ ность преобразователя. Дальнейшее увеличение ускорений приводит к появлению электрического сигнала, прямо пропорционального в рабочем частотном диапазоне произведению массы оторвавшегося от упругого элемента инерционного элемента на разность ускорений (А-Апор). Причем, выбирая равными значения масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов, получаем равную чувствительность при действии противоположно направленных (разнополярных). ускорений, что является обязательным условием в ключевых системах контроля движения, направление которого заранее неизвестно.На фиг. 1, 2 и 3 представлены конструктивные схемы пьезоэлектрического преобразователя ускорения с пьезоэлементом, испытывающим деформации сжатия, сдвига и изгиба, соответственно, где 1 - первый инерционный элемент; 2 - корпус; 3 - первый упругий элемент; 4 - второй инерционный элемент; 5 - второй упругий элемент; 6 - пьезоэлемент; 7 - электрические выводы; 8 - упругая мембрана,На фиг, 4, 5, 6 - механические схемы пьезоэлектрического преобразователя ускорения при действии ускорений ниже порога срабатывания, при действии ускорений выше порога срабатывания в направлении от второго инерционного элемента к первому и при действии ускорений выше пороговых в обратном направлении, соответственно,Пьезоэлектрический преобразователь ускорения содержит первый инерционный элемент 1, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом 2 посредством первого упругого элемента 3. Второй инерционный элемент 4 установлен с возможностью взаимодействия с корпусом 2 посредством второго упругого элемента 5. Пьезоэлемент 6 размещен между инерционными элементами 1, 4. Величины масс инерционных элементов и упругих элементов выбраны из соотношенияМ 1 С 2 = М 2 С 1.Электрический сигнал с пьезоэлемента 6 снимается посредством электрических выводов 7,В конструктивной схеме рис,1 пьезоэлемент испытывает деформации сжатия. При действии ускорений ниже пороговых Апор инерционные элементы 1 и 4 перемещаются, при этом расстояние между ними не изменяется, что обеспечивает отсутствие деформаций пьезоэлемента 6. При превышении ускорений порога срабатывания Апородин.из инерционных элементов отрывается от упругого элемента, образуя зазор между инерционным и упругим элементом. Инерционная сила оторвавшегося инерционного элемента приводит к деформации 5 пьезоэлемента 6 и, соответственно, к появлению электрического сигнала, пропорционального массе инерционного элемента и разности действующего ускорения (А-Апор). При действии ускорения в направлении от 10 первого инерционного элемента 1 ко второму инерционному элементу 4 образуется зазор между вторым инерционным элементом 4 и вторым упругим элементом 5, При движении в обратном направлении образуется 15 зазор между первым инерционным элементом 1 и первым упругим элементом 3. В обоих случаях пьезоэлемент испытывает напряжения сжатия, что позволяет обеспечить приемлемую ударную стойкость, Дополни резонансной частотой, Изменение упругих 25 30 осуществляется вдоль оси цилиндра. Съем 40электрического заряда производится посред 45 50 тельное увеличение прочности вносит изменение упругих свойств при отрыве одного иэ инерционных элементов от упругого элемента и срыве механических колебаний с свойств при превышении порога срабатывания вызывает изменение резонанснойчастоты и уменьшение деформаций пьезоэлемента 6,На фиг. 2 и 3 показаны варианты конструктивных схем пьезоэлектрического преобразователя ускорения с пьезоэлементом 6, использующим деформации сдвига и изгиба, соответственно;Пьезоэлемент 6 преобразователя по схеме рис,2 выполнен в виде полого пьезоэлектрического цилиндра, на цилиндрических поверхностях которого образованы электроды. Поляризация пьезоэлемента 6 ством электрических выводов 7, При этом инерционные элементь 1 1 и 4 служат токосьемниками. При действии ускорения выше порогового инерционные элементы 1 и 4 смещаются относительно друг друга и тем самым вызывают сдвиг пьезоэлемента 6.Пьезоэлемент 6 преобразователя по схеме фиг. 3 выполнен в виде тонкого пьезоэлектрического диска. При смещении относительно друг друга инерционных элементов 1 и 4 происходит изгиб пьезоэле. мента 6, Пьезоэлемент 6 опирается на выступ первого инерционного элемента 1. Второй инерционный элемент 4 шаровой поверхностью опирае.ся на пьезоэлемент 6. Выполнение пьезоэлектрического преобразователя ускорений по схеме с использованием деформаций изгиба пьезоэлемента, а также выполнение опоры второго инерционного элемента 4 в виде шаровой поверхности позволяет реализовать весьма высокую чувствительность для обеспечениявозможности регистрации сейсмических колебаний,Для обеспечения ударной стойкостипьезоэлемент 6 может быть подкреплен упругой мембраной поз.8, опираюцейся навыступ первого инерционного элемента 1.Тогда при изгибе составного чувствительного элемента пьезоэлемент 6 испытывает деформации сжатия,Последний вариант исполнения пьезоэлектрического преобразователя являетсяпредпочтительным, т.к, позволяет реализовать высокую чувствительность при сохранении достаточной прочности.Во всех вариантах исполнения конструктивных схем инерционные элементы 1 и4 сопряга 1 отся с упругими элементами 3 и 5с обеспечением возможности отрыва от нихпри минимальном усилии,Упругие элементы 3 и 5 могут быть как поджаты к корпусу 2, таки жестко соединены с ним. Последний вариант является более предпочтительным дляисключения смещения упругих элементов 3и 5 при отрыве от них соответствующихинерционных элементов 1 и 4. Пьезоэлемент 6 в процессе сборки зажимается между инерционными элементами 1 и 4,Допускается вариант исполнения конструктивных схем с жестким соединением пьезоэлемента 6 с инерционными элементами 1 и4. Во всех вариантах инерционные элемен 5 ты 1 и 4 служат токосъемниками и должныбыть электрически изолированы друг отдруга.Заявляемое устройство работает следующим образом. При действии ускоренийниже пороговых коэффициент преобразования ускорения заявляемого преобразователя равен нулю. Механическую схемупьезоэлектрического преобразователя ускорения для этого случая следует представить в виде колебательной системы с двумястепенями свободы, включающей два инерционных элемента и три пружины,где С 1 - жесткость верхней пружины, моделирующей первь 1 й упругий элемент 3;С 2 - жесткость нижней пружины, моделирующей второй упругий элемент 5;Сз - жесткость средней пружины моделирующей пьезоэлемент 6;М 1 - масса первого инерционного эле 5 мента 1;М 2 - масса второго инерционного элемента 4.Исходя из известного решения уравнений движения колебательной системы с двумя степенями свободы (5) находим, что1809392 10. Аналогичные рассуждения справедливы для преобразователя и при действии ускорения в обратном направлении, Динамическая схема для этого случая приведена на рис.б, Коэффициент преобразования пропорционален Ьу 1 М 1 С 2 - М 2 С 1Знак "минус" указывает на то, что при изменении направления ускорения полярность электрического сигнала не изменяется.При равенстве масс инерционных элементов 1 и 4 и жесткостей упругих элементов 3 и 5 получаем равную чувствительность при действии противоположно направленных ускорений. Следует отметить также, что при действии ускорений, превышающих порог срабатывания, скачкообразно изменяются упругие свойства преобразователя, что обеспечивает дополнительное рассеяние механических колебаний с резонансной частотой.Порог срабатывания пьезоэлектрического преобразователя ускорения обеспечивается при сборке предварительным поджатием. Величина усилия поджатия рассчитывается по формуле (1). Для ключевых систем контроля ударных процессов следует уменьшать массу инерционных элементов 1 и 4 и увеличивать усилие поджатия. Для систем же регистрации сейсмических колебаний необходимо применять более тяжелые инерционные элементы и снижать усилие поджатия.На практике было реализовано следую- щее:Были изготовлены макетные образцы по . схеме рис,З и проведены лабораторные испытания, подтвердившие возможность создания пьезоэлектрического преобразователя ускорения, устойчивого к влиянию несанкционированных механических возмущений. Величины масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов были выбраны равными и составляли =45 г и =8 10 Н/м, соответственно. Пьезоэлемент в виде диска 015 х О,З мм из пьезокерамики ЦТС - 19 был наклеен на тонкую упругую мембрану 019 х 0,4 мм из стали 36 НХТЮ. Упругие элементы были изготовлены в виде диска 0 25 х 2 мм из резины М 1 С 2 = М 2 С 1 20 м 1 сг Ьу 2 М 1 С 2 М 1Ьу 2Сг Сз Сз 45 коэффициент преобразования пьезоэлектрического преобразователя ускорения пропорционален коэффициенту Ь у 1 где в - частота вынужденных колебаний,В рабочей области частот членами уравнения (аРМ 1) и (йРМ 2) можно пренебречь.Получим Ьу 1 М 1 С 2 - М 2 С 1 С 1 С 2+Сг Сз+С 1 Сз 3Таким образом, при условии коэффициент преобразования ускорения равен нулю и не зависит от жесткости пье-зоэлемента 6,При действии ускорений выше пороговых в направлении от второго инерционного элемента 4 к первому, первый инерционный элемент 1 отрывается от упругого элемента 3.Динамическая схема для этого случая представлена на рис. 5, Коэффициент преобразования увеличивается скачкообразно и становится пропорциональным коэффи- циенту(4)40В рабочем диапазоне частот зависимость (4) может быть представлена. в виде Характерно, что увеличение коэффициента преобразования происходит также в результате уменьшения жесткости чувствительного элемента при отрыве первого 50 инерционного элемента 1 от упругого элемента 3, о чем свидетельствует уменьшение знаменателя зависимости (5), Причем коэффициент преобразования в этом случае не зависит от жесткости упругих эле ментов 3 и 5, что позволяет выбором определенной жесткости упругих элементов 3 и 5 добиваться приемлемого отношения сигнал/помеха при срабатывании преобразователя,(с 1+сз - иР М 1) (сз - иР мг) - С 3Н 0-68-1, Предварительное поджатие присборке усилием = 10 Н обеспечило порогсрабатывания по ускорениям (8-12) д, нижекоторого коэффициент преобразования непревышал (10-20) мВ/д, а выше порога срабатывания 1 В/д. Выбор порога срабатывания исполнительного устройства понапряжению (4 - 5) В позволяет обеспечитьконтроль ускорений с амплитудой (13 - 18) д,Изменением предварительного поджатия 10может быть получен порог срабатыванияпо ускорениям от 1 до 20 д. Макеты пьезоэлектрического преобразователя ускорений выдерживали однократное ударноевозмущение с амплитудой = 200 д, длительностью 1 мс.Динамический подъем амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте составлял (7-13) дБ. Характерно, чтодинамический подъем недемпфированных 20пьезоэлектрических преобразователей, какправило, не ниже (20-25) дБ,Заявляемое техническое решение позволяет увеличить устойчивость к влияниюнесанкционированных механических возмущений. Кроме того, позволяет упроститьв целом систему регистрации механических колебаний, в которую он входит, путем исключения части исполнительногоустройства, инвертирующей сигнал от преобразователя.Такое упрощение достигается тем, чтопьезоэлектрический преобразователь ускорения формирует электрический сигналодной полярности при действии противоположно направленных ускорений, превышающих заданный порог. Пьезоэлектрический преобразователь ускорения обладает приемлемой прочностью, что позволяет размещать его на подвижных объектах, подверженных тряске и ударам. Высокочувствительный вариант исполнения может быть использован для контроля колебаний оборудования, инженерных сооружений, грунтов при землетрясениях ит иЗаявляемое техническое решение обладает простотой в конструктивном исполнении, простотой настройки порога срабатывания по ускорениям.Формула изобретения Пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий корпус, первый инерционный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом посредством первого упругого элемента, и пьезоэлемент, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения устойчивости к влиянию несанкционированных механических возмущений, дополнительно введен второй инерционный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом посредством второго упругого элемента, а пьезоэлемент размещен междуинерционными элементами, при этом величины масс инерционных элементов и жесткостей упругих элементов выбраны из соотношенияМ 1 С 2 М 2 С 1,где М и М - масса первого и второго инерционных элементов;С 1 и С 2 - жесткости первого и второго упругих элементов,1809392 ставитель Т, Мака хред М.Моргентал рректор И. Шмаков Ред ор В. Трубченк венно-издательский комбинат "Патент", г, Ужго агарина, 10 рои Заказ 1284 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4(5