Пьезоэлектрический акселерометр

 

Использование: в измерительной технике для измерения параметров вибраций и ускорений в различных областях народного хозяйства. Сущность изобретения: в акселерометре, содержащем кольцевой поляризованный пьезоэлемент, расположенный между инерционной массой и корпусом, скрепленным по оси с помощью резьбового соединения, в качестве пьезоэлемента используется кольцевой пьезоэлемент, поляризованный в радиальном направлении, а металлические электроды нанесены на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента. Использование предложенного акселерометра позволяет повысить его чувствительность и упростить процесс изготовления устройства. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров вибраций и ускорений в различных областях техники.

Известен пьезоэлектрический акселерометр, использующий продольно поляризованный пьезоэлемент в виде кольцевых шайб [1], нагруженных инерционной массой и соединенных с корпусом [1].

Недостатком известного акселерометра является недостаточно высокая чувствительность и сравнительно узкий рабочий диапазон прибора.

В качестве прототипа принят пьезоэлектрический акселерометр, содержащий кольцевой пьезоэлемент, поляризованный в радиальном направлении, и металлически электроды, нанесенные на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента, а также инерционную массу и корпус, между которыми расположен кольцевой пьезоэлемент [2].

Недостатками прототипа является слабая помехозащищенность и низкая чувствительность акселерометра.

Ввиду небольшой ширины изоляционных слоев и относительно большой диэлектрической проницаемости пьезокерамики, паразитная емкость с C_n между корпусом и электродами значительная. Это в свою очередь приводит к большому значению синфазной составляющей помехи на выходе акселерометра, вызванной, например воздействием продольной помехи, величина которой, пропорциональна C_n.

Кроме того большое значение C_n уменьшает чувствительность акселерометра по напряжению, поскольку полезный сигнал последнего делится емкостным делителем, образованным C_n и C_а - емкостью между электродами акселерометра, в отношении: C_а/C_а + C_n.

Технический эффект, получаемый от внедрения изобретения, заключается в уменьшении паразитной емкости между корпусом и электродами, что приводит к повышению помехозащищенности и чувствительности прибора.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем кольцевой пьезоэлемент, поляризованный в радиальном направлении и металлические электроды, нанесенные на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента, а также инерционную массу и корпус, между которыми расположен кольцевой пьезоэлемент, толщина S кольцевого пьезоэлемента и его высота H удовлетворяют соотношению: H/S > d₃₃/d₃₁, (1) где d₃₃ и d₃₁ - пьезомодули материала пьезоэлемента в статическом режиме, при этом инерционный элемент и корпус изолирован от металлических электродов с помощью непроводящих прокладок, причем корпус, кольцевой пьезоэлемент и инерционная масса скреплены по оси акселерометра с помощью упругого стержня.

В частном случае толщина S кольцевого пьезоэлемента и его высота H удовлетворяют соотношению: H/S > 4, (2) а средний диаметр D кольцевого пьезоэлемента и его толщина S удовлетворяют соотношению: D/S > 10. (3) Причем непроводящие прокладки могут быть выполнены из полиимидной пленки, пьезоэлемент - из пьезокерамики, а инерционный элемент и корпус - из одного материала, преимущественно нержавеющей стали.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства.

Пьезоэлектрический акселерометр содержит кольцевой поляризованный в радиальном направлении пьезоэлемент 1, с металлическими электродами 2, нанесенными на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента 1, расположенного между кольцевыми инерционными массой 3 и корпусом 4, скрепленными по оси с помощью упругого стержня, например, болта 5.

Акселерометр также содержит две кольцевые изоляционные прокладки 6, расположенные по торцам кольцевого пьезоэлемента 1, выполненного, например, из пьезокерамики.

Размеры S, D, H удовлетворяют неравенством (1-3), полученным в результате экспериментальных исследований и теоретических расчетов.

Кроме того в частном случае, целесообразно инерционную массу, упругий стержень и корпус выполнить из нержавеющей стали, а непроводящие прокладки - из полиимидной пленки. Это позволит дополнительно расширить диапазон рабочих температур акселерометра.

Акселерометр работает следующим образом.

Закрепляют корпус 4 на исследуемом изделии (элементы крепления на чертеже не показаны). Под действием ускорения на электродах 2 пьезоэлемента 1 появляется заряд, пропорциональный величине ускорения, который усиливается во вторичной аппаратуре и регистрируется (блоки вторичной и регистрирующей аппаратуры на чертеже не показаны).

При выполнении неравенства (1) и акселерометра чувствительность по заряду больше чем на прототипе приблизительно в H · d₃₁/(S · d₃₁),
а также шире частотный диапазон за счет повышения частоты первого резонанса приблизительно в
S^E₃₃/S^E₁₁, ,
где
S^E₃₃ и S^E₁₁ - - упругие податливости пьезокерамики, определяемые при постоянном значении напряженности электрического поля E.

Одновременно повышается помехозащищенность акселерометра, особенно при выполнении неравенств (2, 3).

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий кольцевой пьезоэлемент, поляризованный в радиальном направлении, и металлические электроды, нанесенные на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента, а также инерционный элемент и корпус, между которым расположен кольцевой пьезоэлемент, отличающийся тем, что толщина кольцевого пьезоэлемента S и его высота Н удовлетворяют соотношению
H/S > d₃₃/d₃₁,
где d₃₃ и d₃₁ - пьезомодули материала пьезоэлемента в статическом режиме, инерционный элемент и корпус выполнены из одного материала, изолированного от металлических электродов с помощью непроводящих прокладок, при этом корпус кольцевой пьезоэлемент и инерционная масса скреплены по оси акселерометра с помощью упругого стержня.

2. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что толщина S кольцевого пьезоэлемента и его высота Н удовлетворяют соотношению
H/S > 4.

3. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что средний диаметр D кольцевого пьезоэлемента и его толщина S удовлетворяют соотношение
D/S > 10.

4. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что инерционный элемент и корпус выполнены из нержавеющей стали, непроводящие прокладки выполнены из полиимидной пленки, а пьезоэлемент - из пьезокерамики.

РИСУНКИ

Рисунок 1