Пьезоэлектрический акселерометр

Авторы патента:

Некрасов Виталий Николаевич (RU)

Зюзин Владимир Николаевич (RU)

Исаенков Игорь Петрович (RU)

Краснописцев Николай Вячеславович (RU)

G01P15/09 - с помощью пьезоэлектрического датчика

Владельцы патента RU 2566411:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустики. Пьезоэлектрический акселерометр содержит предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и первый пьезочувствительный элемент с осевой поляризацией в виде пары пьезоэлектрических секторов, не соприкасающихся друг с другом, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пары пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пары кольцевых пьезоэлектрических секторов, имеющих различную поляризацию, причем электроды подключены к предусилителю, при этом в него введены второй и третий предуселители, а также второй кольцевой пьезочувствительный элемент, установленный над первым кольцевым пьезочувствительным элементом и выполненный в виде двух пар радиально поляризованных секторов, снабженных электродами, контактирующими с боковыми поверхностями секторов, при этом предуселители выполнены дифференциальными, а сектора пар второго кольцевого пьезочувствительного элемента имеют одинаковую поляризацию, причем три пары первого и второго кольцевых пьезочувствительных элементов через электроды подключены к входам трех соответствующих дифференциальных усилителей. Технический результат - измерение трех компонент вектора ускорения. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустике.

Известен пьезоэлектрический трехкомпонентный акселерометр, содержащий корпус, который закреплен на базовом основании и закрыт колпачком. Корпус выполнен из металла в форме трехгранной пирамиды с тремя ортогональными плоскостями, на каждой из которых консольно закреплено по одному пьезоэлектрическому чувствительному элементу. Чувствительные элементы выполнены в виде пьезоэлектрических или биморфных пластин (патент №2383025, кл. G01P 15/09, 2010 г.).

Недостатком пьезоэлектрического трехкомпонентного акселерометра является его низкая чувствительность к высоким частотам из-за консольного закрепления чувствительных элементов.

Наиболее близким по конструкции, совпадающим по принципу работы с заявленным, является однокомпонентный пьезоэлектрический акселерометр, принятый за прототип предлагаемого трехкомпонентного пьезоэлектрического акселерометра.

Прототип содержит предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и первый пьезочувствительный элемент с осевой поляризацией в виде пары пьезоэлектрических секторов, не соприкасающихся друг с другом, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пары пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями кольцевых пьезоэлектрических секторов, имеющих разную поляризацию, причем электроды подключены к предусилителю (патент №2098831, кл. G01P 15/09, 1998 г.).

Недостатком прототипа является ограниченность его применения для измерения одной компоненты ускорения.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является получение возможного измерения трех компонент ускорения.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известный однокомпонентный пьезоэлектрический акселерометр, содержащий предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и первый пьезочувствительный элемент с осевой поляризацией в виде пары пьезоэлектрических секторов, не соприкасающихся друг с другом, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пары пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пары кольцевых пьезоэлектрических секторов, имеющих различную поляризацию, причем электроды подключены к предусилителю, дополнительно введены второй и третий предуселители, а также второй кольцевой пьезочувствительный элемент, установленный над первым кольцевым пьезочувствительным элементом и выполненный в виде двух пар радиально поляризованных секторов, снабженных электродами, контактирующими с боковыми поверхностями секторов, при этом предуселители выполнены дифференциальными, а сектора пар второго кольцевого пьезочувствительного элемента имеют одинаковую поляризацию, причем три пары первого и второго кольцевых пьезочувствительных элементов через электроды подключены к входам трех соответствующих дифференциальных усилителей.

Изобретение поясняется чертежами:

на фиг. 1 представлена конструктивная схема пьезоэлектрического акселерометра;

на фиг. 2 - его электронная схема.

Пьезоэлектрический акселерометр содержит концентрично расположенные кольцевые инерционную массу 1, корпус 2 и пьезочувствительный элемент 3 с осевой поляризацией в виде пьезоэлектрических секторов, не соприкасающихся друг с другом (на фиг. 1 - одна пара секторов).

Имеется также кольцевой пьезочувствительный элемент, установленный над пьезочувствительным элементом 3 и выполненный в виде двух пар радиально-поляризованных секторов 4₁ 4₂ и 5₁ 5₂. Оба сектора 4₁ 4₂ и 5₁ 5₂ пары установлены центрально-симметрично с одинаковой поляризацией.

Пьезоэлектрический акселерометр включает в себя электроды 6, 7, контактирующие с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов 3, 4, 5. Причем электроды подключены к трем дифференциальным предусилителям 8, 9, 10 по количеству измеряемых компонентов X, Y, Z ускорения (фиг. 2).

Конкретное выполнение электродов 6, 7 в пьезоэлектрическом акселерометре является НОУ-ХАУ заявителя.

Кольцевой корпус 2 выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями кольцевых пьезоэлектрических секторов 3, 4, 5.

Сектора пар 4₁ 4₂ и 5₁ 5₂ второго кольцевого пьезочувствительного элемента имеют одинаковую поляризацию и образуют каналы для измерения компонент ускорения X и Y.

Пара 3₁ 3₂ первого кольцевого пьезочувствительного элемента имеет различную поляризацию секторов и образует канал измерения Z компоненты ускорения.

Сектора пар 4₁ 4₂ и 5₁ 5₂ подключены к входам дифференциальных усилителей 8 и 9. Сектора 3₁ 3₂ подключены к входам дифференциального усилителя 10.

Пьезоэлектрический акселерометр работает следующим образом.

Закрепляют корпус пьезоэлектрического акселерометра на исследуемом изделии (элементы крепления пьезоэлектрического акселерометра не приведены).

При колебаниях корпуса 2 в среде вдоль осей x, y, z на пьезоэлементы 3, 4, 5 действует сила инерции, деформирующая пьезоэлементы. На выходах пьезоэлементов появляются напряжения U_x, U_y, U_z, пропорциональные измеряемым компонентам вектора ускорения.

Таким образом, область применения пьезоэлектрического акселерометра, работающего на деформации сдвига, расширена на случай измерения параметров вектора ускорения. Этим достигается поставленный технический результат.

Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и первый пьезочувствительный элемент с осевой поляризацией в виде пары пьезоэлектрических секторов, не соприкасающихся друг с другом, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пары пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пары кольцевых пьезоэлектрических секторов, имеющих различную поляризацию, причем электроды подключены к предусилителю, отличающийся тем, что в него введены второй и третий предуселители, а также второй кольцевой пьезочувствительный элемент, установленный над первым кольцевым пьезочувствительным элементом и выполненный в виде двух пар радиально поляризованных секторов, снабженных электродами, контактирующими с боковыми поверхностями секторов, при этом предуселители выполнены дифференциальными, а сектора пар второго кольцевого пьезочувствительного элемента имеют одинаковую поляризацию, причем три пары первого и второго кольцевых пьезочувствительных элементов через электроды подключены к входам трех соответствующих дифференциальных усилителей.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается линейного микроакселерометра с оптической системой. Микроакселерометр включает в себя корпус, две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя.

Вибродатчик с элементом цифровой калибровки // 2558636

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для вибродиагностики технологического оборудования. Вибродатчик с элементом цифровой калибровки выполнен в виде металлического корпуса с фланцем для крепления на контролируемом объекте.

Линейный акселерометр // 2552553

Изобретение относится к измерительной технике. Акселерометр содержит кремниевую подложку, на которую нанесен пьезоэлектрический слой, например, из окиси цинка в виде прямоугольной вытянутой дорожки.

Микромеханический акселерометр // 2543686

Изобретение относится к устройствам для измерения линейных ускорений и может быть использовано для одновременного измерения ускорений вдоль трех взаимно перпендикулярных осей.

Волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта // 2539681

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения линейного ускорения. Волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения состоит из двух каналов приемо-передачи оптического излучения и чувствительного элемента, включающего два устройства ориентации оптического излучения, выполненные из кварцевого стекла в форме параллелепипеда, частично покрытые зеркальным напылением, и устройство поглощения оптического излучения, которое консольно закреплено через прокладки между устройствами ориентации оптического излучения и выполнено в виде балки из светопоглощающего материала с грузом, закрепленным на ее конце.

Акселерометр поляризационно-оптический // 2538929

Изобретение относится к приборостроению, а именно к акселерометрам, предназначенным для измерения малых ускорений. Акселерометр содержит ячейку из двух параллельно установленных поляроидов с чувствительным элементом между ними, выполненным из прозрачного тензочувствительного материала - полиуретана, имеющего форму клина.

Пьезоэлектрический датчик удара // 2533539

Изобретение относится к пьезоэлектрическим датчикам и может быть использовано, в частности, в системах диагностики автомобиля и системах автосигнализации. Сущность: датчик включает пьезоэлектрическое рабочее тело и систему регистрации.

Способ и 3d-приемник измерения вектора механических колебаний // 2530479

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению параметров механических колебаний в широкой полосе частот. Изобретение может быть использовано для измерения волновых параметров механических колебаний различных объектов в строительстве, машиностроении, акустике и т.д.

Устройство для измерения продолжительности удара // 2512104

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике измерения параметров удара на стендах и может быть использовано при исследовании ударного взаимодействия тел.

Пьезоэлектрический датчик ударного ускорения // 2495438

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения пиковых ударных ускорений. Пьезоэлектрический датчик ударного ускорения содержит корпус, во внутренней полости которого закреплена опора, имеющая выступы в средней части, равноудаленные от сторон корпуса, на каждом из которых закреплены при помощи промежуточного клеевого слоя пьезоэлемент и инерционная масса.

Пьезоакселерометр // 2582910

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустики. Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является измерение трех компонент вектора ускорения с помощью пьезоакселерометра, работающего на деформации сдвига. Известный однокомпонентный пьезоакселерометр содержит предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и пьезочувствительный элемент в виде трех пьезоэлектрических секторов, один из которых выполнен с осевой поляризацией, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, причем электроды подключены к предусилителю, введены второй и третий предусилители, при этом второй и третий пьезоэлектрические сектора выполнены с радиальной поляризацией и подключены ко второму и третьему предусилителям. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Низкочастотный сложенный маятник с высокой механической добротностью в вертикальной конфигурации и вертикальный сейсмический датчик, использующий такой сложенный маятник // 2589944

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в сейсмоприемных устройствах. Предложен сложенный маятник, который может быть реализован в виде монолитного маятника, который не расположен в вертикальной конфигурации, т.е. повернутый на 90°, либо в направлении по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. В частности, вариант такого вертикального сложенного маятника в монолитной конфигурации представляет более компактную реализацию, охарактеризованную высоким разделением вертикальной степени свободы от других степеней свободы. Технический результат - достижение оптимальной механической добротности устройства. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Пьезоэлектрический преобразователь пространственной вибрации и способ контроля его работоспособности на работающем объекте // 2602408

Изобретение относится к метрологии. Пьезоэлектрический преобразователь содержит ортогональную систему из четырех однокомпонентных вибропреобразователей. Ось чувствительности четвертого преобразователя проходит через центр ортогональной системы координат и ориентирована относительно каждой из осей под заданными углами и образует с осями три некомпланарные и неколлинеарные пространственные косоугольные системы координат. Ось чувствительности четвертого преобразователя предпочтительно совмещена с плоскостью, проходящей через вертикальную ось и биссектрису угла между горизонтальными осями ортогональной системы координат и ориентирована под острым углом к вертикальной оси. Корпус преобразователя содержит разъем и элементы крепления. Контроль работоспособности преобразователя предполагает определение значений проекций ортогонального и косоугольного пространственного вектора вибрации объекта, которые приводят к ортогональной системе координат. Затем определяют модули вектора вибрации, их суммируют и определяют среднее значение. Вычисляют отклонение вибрации от среднего значения, сравнивают эти отклонения c заданным отклонением и определяют работоспособность преобразователя. Технический результат - получение объективной информации о функционировании устройства. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 5 табл.

Способ и устройство для обнаружения подводных сигналов // 2603438

Раскрыты способы и устройства, которые облегчают обнаружение подводных сигналов при геофизических исследованиях. Один вариант осуществления относится к преобразователю, включающему в себя консоль, соединенную с основанием. Консоль может включать в себя стержень и первую соединительную поверхность, ориентированную под углом от стержня, а основание может включать в себя вторую соединительную поверхность, ориентированную под углом от стержня и по существу параллельную первой соединительной поверхности консоли. Преобразователь может дополнительно включать в себя чувствительный материал, присоединенный между первой соединительной поверхностью консоли и второй соединительной поверхностью основания. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

Способ склеивания элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения // 2607224

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при изготовлении пьезоэлектрического датчика ударного ускорения для соединения его элементов, в частности - в технологии создания клеевых электропроводящих композиций. Способ склеивания элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения включает создание клеевого состава путем смешивания эпоксидного клея с каучуком не менее 60% массовых долей и графитом не более 10% массовых долей с дальнейшим вводом в полученный клеевой состав токопроводящих калиброванных частиц размером 20-80 мкм с нанесением клеевого состава на поверхность. Осуществляют соединение поверхностей и вулканизацию при температуре от 100°C до 110°C. В клеевой состав вводят растворитель в соотношении от 1:10 до 1:3 от объема клеевого состава. В качестве токопроводящих частиц используют ферромагнитные частицы размером не более 10 мкм в количестве 2-10% массовых долей. В качестве калиброванных частиц используют стеклянные или полимерные микросферы. Вулканизацию проводят под давлением 0,05-0,20 МПа в течение 21-24 ч в постоянном магнитном поле с индукцией не менее 0,2 Тл, силовые линии которого перпендикулярны склеиваемым поверхностям. Технический результат, достигаемый при использовании способа по изобретению заключается в обеспечении повышения точности и надежности измерений ударных ускорений пьезоэлектрическим датчиком в условиях интенсивного ударного ускорения при повышенной температуре и/или высокочастотных неизмеряемых воздействиях.

Акселерометр // 2614661

Изобретение относится к устройствам, измеряющим переменное ускорение, а именно к акселерометрам, которые могут быть использованы в качестве сейсмодатчиков, вибродатчиков, датчиков удара и т.д. Акселерометр состоит из n каналов, соответствующих n координатам (n=1÷3), каждый из которых содержит совокупность электронных блоков: чувствительный элемент, ориентированный осью чувствительности по присвоенной ему координате; блок обработки электрического сигнала и подачи его на выход акселерометра; вторичный блок питания для каждого из блоков обработки электрического сигнала, механически закрепленных внутри пылевлагозащищенного корпуса, при этом совокупность электронных блоков для каждого из каналов выполнена на основе заготовки однокоординатного малогабаритного акселерометра в отдельном пылевлагозащищенном корпусе. Технический результат – повышение технологичности конструкции и процесса изготовления акселерометра, а также его унификации. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Ударопрочный малогабаритный высокочувствительный пьезоэлектрический акселерометр // 2615600

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным высокочувствительным пьезоэлектрическим акселерометрам, транспортировка и установка которых связана с большими внешними воздействиями. Акселерометр содержит корпус, инерционную массу М, пьезоэлементы, винт с пружиной, при этом инерционная масса, пьезоэлементы, винт и пружина установлены на промежуточном основании с массой m (m<0,1⋅М), связанном с основанием корпуса дополнительной пружиной, зазор между инерционной массой и корпусом - Δx, и жесткость пружины К выбираются из условия K⋅Δx<0,3⋅Gmax⋅S, где Gmax - максимально допустимые напряжения в пьезоэлементах площадью S. Технический результат – повышение стойкости малогабаритного акселерометра к большим внешним ускорениям в сочетании с высоким значением коэффициента преобразования. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Малогабаритный датчик удара // 2621467

Использование: для измерения параметров удара. Сущность изобретения заключается в том, что малогабаритный датчик удара состоит из пьезокерамического элемента, закрепленного внутри корпуса, внешние электроды которого соединены проводниками с токоподводящими выводами, соединяющими их с внешними цепями, в качестве пьезокерамического элемента использован пьезокерамический элемент биморфный, изготовленный по пленочной технологии, закрепленный компаундом одним из концов в виде консоли внутри металлокерамического корпуса, где внешние электроды пьезокерамического элемента биморфного соединены проводниками с контактными площадками корпуса, предназначенного для поверхностного монтажа. Технический результат: обеспечение возможности повышения ударной прочности изделия и его чувствительности, уменьшения габаритных размеров и массы при улучшенных характеристиках корпуса, ударной прочности изделия и его чувствительности, уменьшения влияния на эксплуатационные характеристики паразитного пироэффекта, улучшения направленной избирательности. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Пьезоэлектрический акселерометр // 2627571

Изобретение относится к датчикам для измерения вибрационных и ударных ускорений сложных технических объектов, работающих в условиях экстремальных механических перегрузок. Техническим результатом является снижение чувствительности пьезоэлектрического акселерометра к деформации контролируемого объекта при уменьшении габаритов, повышении резонансной частоты и увеличении верхней границы рабочего диапазона частот. Компенсационный пьезоэлектрический элемент с поперечным радиальным направлением поляризации, установленный на диэлектрической прокладке между рабочим пьезоэлементом и основанием, позволяет преобразовать механические напряжения, возникающие в основании вследствие его деформации, в пропорциональный электрический сигнал, который используется для компенсации сигнала помехи от деформации контролируемого объекта. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Линейный микроакселерометр // 2629654

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах ориентации и навигации. Линейный микроакселерометр содержит основание, рамку с инерционной массой, закрепленной на упругих подвесах, датчик положения, источник напряжения, четыре компаратора, два усилителя тока, ключ, электромагнитный силовой привод, состоящий из 2N катушек, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках, которые размещены с противоположных сторон рамки по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы с каждой стороны расположены магнитопроводы, замыкающие магнитные потоки катушек, причем входы катушек подключены к выходу ключа, входы которого через компараторы подключены к датчику положения, который выполнен оптическим и состоит из излучателя, подключенного к источнику напряжения, и двух фотоприемников, при этом между излучателем и фотоприемниками расположены четыре оптических кабеля, а инерционная масса выполнена в виде маятника с возможностью совершения крутильных колебаний на упругих подвесах вокруг одной оси и содержит две заслонки, установленные с возможностью перекрытия светового потока между излучателем и фотоприемниками, размещенными на основании. Технический результат – повышение точности, расширение диапазона измеряемых ускорений и уменьшение нелинейности. 4 ил.