Трехкомпонентный пьезокерамический приемник вибраций
Трехкомпонентный пьезокерамический датчик вибраций содержит чувствительные элементы, работающие на колебаниях от изгиба. В качестве чувствительных элементов использованы две пластины, повернутые под углом 90° одна к другой, консольно закрепленные на противоположных сторонах общего основания. Кроме этого они снабжены пьезоэлементами, укрепленными на их свободных концах. Технический результат - повышение разрешающей способности по двум взаимно перпендикулярным направлениям вибраций. 1 ил. 
Известны конструкции трехкомпонентных виброприемников, использующих в качестве чувствительных элементов пьезоэлектрические датчики, работающие на продольных колебаниях. Такие приемники обладают низкой чувствительностью порядка 10 мВ/g. Известна также конструкция трехкомпонентного приемника вибраций низких частот (по а.с. №1840713) выполненного в виде разделенного электрически на 4 секции полого консольно закрепленного пьезокерамического цилиндра, на свободном торце которого укреплен пьезоэлемент в виде диска, работающего на колебаниях изгиба или стержня, работающего на продольных колебаниях.
При встречном включении 2-х противоположных секций цилиндра на выходе каждой пары секций возникает электрический сигнал, пропорциональный одной из составляющих вектора ускорения в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. 3-я компонента ускорений измеряется круглой пьезокерамической пластиной.
Недостатком этой конструкции является сравнительно высокая чувствительность каждой пары противоположных секций цилиндра ко второй неизмеряемой компоненте вибраций, перпендикулярной оси цилиндра, обусловленная неоднородностью пьезоэлектрических свойств секций цилиндра. Кроме того, для получения большой емкости и высокой чувствительности к измеряемой компоненте вибраций необходимо иметь тонкостенный пьезокерамический цилиндр. Изготовление равностенных с однородными пьезоэлектрическими свойствами керамических цилиндров с отношением радиуса к толщине стенки больше 10 представляет серьезные технологические трудности. Эксперимент показывает, что разрешающая способность (отношение чувствительностей к измеряемой и к неизмеряемой компоненте вибраций) упомянутого виброприемника по 2-м взаимно перпендикулярным направлениям вибраций не превышает 20 дБ. Такой разрешающей способности иногда недостаточно для того, чтобы точно измерить составляющие вектора вибрации, особенно когда эти составляющие на порядок отличаются друг от друга. Таким образом, в тех случаях, когда требуется высокая чувствительность к измеряемой компоненте и низкая к неизмеряемой и большая емкость, например, при измерении вибраций нижних частот звукового диапазона на большом расстоянии от предварительного усилителя, эта конструкция становится непригодной.
Предлагается трехкомпонентный виброприемник, обладающий повышенной разрешающей способностью к неизмеряемым компонентам вибрации и большой чувствительностью на низких частотах, что позволяет использовать его при дистанционных измерениях на больших удалениях от предварительных усилителей.
Описание предлагаемого виброприемника.
С целью повышения удельной чувствительности и точности измерения каждой из 3-х компонент вибрации, предлагается конструкция чертежа в виде 2-х пьезокерамических прямоугольных стержней (пластин) 1, работающих на колебаниях изгиба, консольно закрепленных к противоположным сторонам общего основания 2, повернутых друг относительно друга на 90°, и имеющих на свободных торцах инерционные массы 5, на которых перпендикулярно оси стержня размещены круглые биморфные пластины 4, тоже работающие на колебаниях изгиба.
Для увеличения емкости пьезоэлектрические стержни (пластины) могут быть склеены из нескольких тонких пластин, соединенных параллельно.
Для увеличения чувствительности круглых биморфных пластин 4 к их центру с помощью коротких штырей 5 могут быть присоединены добавочные массы 6.
Преимущества предлагаемого виброприемника по сравнению с прототипом обусловлены следующими ниже обстоятельствами:
пластины, используемые для измерения составляющих вибраций в плоскости перпендикулярной оси стержня, могут быть выполнены достаточно тонкими, за счет чего может быть получена большая величина чувствительности на низких частотах.
Пластинчатые виброприемники обладают большой чувствительностью к составляющей вибрации, перпендикулярной к их плоскости, и малой - к составляющей, параллельной плоскости пластины.
Чувствительность к вибрации, параллельной плоскости пластин, можно уменьшать, подбирая идентичными пластинки, из которых они склеены.
Наличие двух круглых пластин 4, измеряющих составляющую вибрации в направлении оси виброприемника, приводит к увеличению его чувствительности, что весьма существенно при дистанционных измерениях.
Закрепление элементов виброприемника к двум противоположным сторонам основания приводит к уменьшению их моментов инерции по отношению к месту крепления и, следовательно, к уменьшению динамических напряжений в опасном сечении при воздействии вибраций и к повышению вибростойкости прибора.
В предлагаемой конструкции это существенно, так как увеличение чувствительности связано с уменьшением сечения пластин и увеличением груза на их торцах.
Экспериментальное исследование макетов предлагаемых виброприемников показало, что они обладают чувствительностью 700÷1000 мВ/g в диапазоне низких частот до 200 Гц при емкости С=40·10 3 пкФ.
Уменьшение чувствительности к неизмеряемым компонентам вибрации составляет не менее 40 дБ.
Формула изобретения
Трехкомпонентный пьезокерамический датчик вибраций, содержащий чувствительные элементы, работающие на колебаниях от изгиба, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности до двум взаимно перпендикулярным направлениям вибраций, в нем, в качестве чувствительных элементов, использованы две пластины, повернутые под углом 90° одна к другой, консольно закрепленные на противоположных сторонах общего основания и снабженные пьезоэлементами, укрепленными на их свободных концах.
РИСУНКИ
