Пьезоэлектрический изгибный преобразователь с регулируемой резонансной частотой

Использование: для регистрации сейсмических колебаний почвы и вибрации. Сущность изобретения заключается в том, что пьезоэлектрический изгибный преобразователь с регулируемой резонансной частотой содержит два пьезокерамических элемента, а также две втулки с правой и левой резьбой соответственно и проходящую через них юстировочную шпильку, причем одни концы обоих пьезокерамических элементов жестко закреплены между собой, а другие концы прикреплены к соответствующим втулкам, или каждый пьезокерамический элемент и соответствующая ему втулка выполнены как один целый конструктивный элемент. Технический результат: возможность расширения рабочей полосы частот без конструктивных изменений непосредственно в процессе измерений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано для регистрации сейсмических колебаний почвы и вибрации.

Известны пьезоэлектрические преобразователи консольного типа, представляющие собой пьезоэлектрическую пластину (биморф), один конец которой жестко закреплен на твердом основании (BOSH Acceleration seusors, с.20-22) (Патент США 4700973) (Янчич В.В. Пьезоэлектрические акселерометры на основе монолитного блока с деформацией изгиба. Зарубежная радиоэлектроника, 9, 1996, стр.63-64).

Известны пьезоэлектрические датчики, в которых для устранения влияния резонансной частоты используют в качестве инертной массы жидкость (Патент РФ №2129290), сыпучие материалы или и то, и другое, взятые в определенном соотношении (Патент РФ №2117966).

Недостатком этих устройств является невозможность расширения рабочей полосы частот без существенных конструктивных изменений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пьезоэлектрический сейсмоприемник по патенту РФ №2204850, G10V 1/16, опубл. 20.06.2003 г., принятый за прототип.

Сейсмоприемник-прототип содержит корпус, пьезоэлектрический изгибный элемент, состоящий из пьезокерамической пластины и металлической мембраны, а также две воздушные полости, воздушный канал.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Колебания объекта исследования передаются жестко соединенному с ним корпусу. Инерционные явления приводят к изгибу пьезоэлемента, преобразующему механические колебания в электрический сигнал. Воздух, замкнутый в полостях, за счет своей упругости препятствует колебаниям изгиба. При наличии воздушного канала между полостями воздух из объема, в котором происходит сжатие, перетекает в полость разрежения. Воздушные полости, соединенные каналом, представляют собой акустический резонансный узел, в котором на определенной частоте возникает резонанс сосредоточенной в полостях упругости воздуха и сосредоточенной в канале массы воздуха.

Выбирая размеры полостей и канала, можно смещать резонансную частоту акустического узла относительно резонансной частоты пьезоэлемента и таким образом управлять частотной характеристикой сейсмоприемника в целом. Для расширения рабочей полосы частот сейсмоприемника необходимо обеспечить равенство резонансных частот пьезоэлемента и акустического узла, включающего полости и канал. При этом должно выполняться определенное соотношение между геометрическими, механическими и акустическими параметрами элементов сейсмоприемника, т.е. для изменения частотной характеристики необходимы изменения конструкции приемника.

Недостатком устройства-прототипа является невозможность расширения рабочей полосы частот без значительных конструктивных изменений.

Для устранения указанных недостатков в пьезоэлектрический изгибный преобразователь с регулируемой резонансной частотой, содержащий пьезокерамический элемент, согласно изобретению введены второй пьезокерамический элемент, а также две втулки с правой и левой резьбой соответственно и проходящая через них юстировочная шпилька, причем одни концы обоих пьезокерамических элементов жестко закреплены между собой, а другие концы прикреплены к соответствующим втулкам, или каждый пьезокерамический элемент и соответствующая ему втулка выполнены как один целый конструктивный элемент.

При этом в качестве пьезокерамического элемента использована пьезокерамическая пластина, приклеенная на гибкую пластину или биморф.

На чертеже представлено предлагаемое устройство, где обозначено:

1 - пьезокерамический элемент;

1.1 - пьезокерамические пластины (или биморфы) консольного типа;

1.2 - гибкие пластины;

3 - втулки;

4 - юстировочная шпилька.

Предлагаемый преобразователь содержит два пьезокерамических элемента 1, каждый из которых состоит из пьезокерамической пластины (или биморфа) консольного типа, приклеенной на гибкую текстолитовую или металлическую пластину 1.2. При этом одни концы обоих пьезокерамических элементов 1 жестко закреплены между собой, другие концы закреплены к двум втулкам 3 (соответствующие втулки и пьезокерамические элементы 1 могут быть выполнены как один целый конструктивный элемент). При этом одна из втулок 3 имеет правую, а другая левую резьбу. Через втулки 3 проходит юстировочная шпилька 4, при вращении которой меняется угол α между пьезокерамическими элементами 1.

Преобразователь работает следующим образом. Вибрация от объекта или сейсмические колебания заставляют изгибаться пьезокерамические элементы 1, что приводит к возникновению на них электрического заряда, пропорционального действующей внешней силе. Вращая юстировочную шпильку 4, мы увеличиваем угол α между пьезокерамическими элементами 1 и тем самым увеличиваем жесткость системы в направлении оси чувствительности.

Это увеличивает резонансную частоту и расширяет рабочий диапазон преобразователя, не требуя изменения конструкции устройства, как в прототипе.

Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение полосы рабочих частот в процессе измерений без изменения конструкции и массогабаритных параметров преобразователя.

Кроме того, в результате испытаний опытного образца были выявлены следующие преимущества предлагаемого устройства:

- повышение вибрационной устойчивости и ударопрочности преобразователя;

- устранение технологических погрешностей изготовления элементов и узлов преобразователя и крепления его на объекте;

- возможность компенсации температурного дрейфа;

- уменьшение чувствительности к колебаниям, не совпадающим с осью чувствительности преобразователя.

1. Пьезоэлектрический изгибный преобразователь с регулируемой резонансной частотой, содержащий пьезокерамический элемент, отличающийся тем, что введены второй пьезокерамический элемент, а также две втулки с правой и левой резьбой соответственно, и проходящая через них юстировочная шпилька, причем одни концы обоих пьезокерамических элементов жестко закреплены между собой, а другие концы прикреплены к соответствующим втулкам, или каждый пьезокерамический элемент и соответствующая ему втулка выполнены как один целый конструктивный элемент.

2. Пьезоэлектрический изгибный преобразователь с регулируемой резонансной частотой по п.1, отличающийся тем, что в качестве пьезокерамического элемента использована пьезокерамическая пластина, приклеенная на гибкую пластину.

3. Пьезоэлектрический изгибный преобразователь с регулируемой резонансной частотой по п.1, отличающийся тем, что в качестве пьезокерамического элемента использован биморф.