Пьезоэлектрический датчик

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения параметров ударных и вибрационных ускорений. Сущность изобретения заключается в том, что пьезоэлектрический датчик содержит корпус, опору, при этом в месте закрепления опоры формируется механический фильтр из эластичного электропроводящего материала, толщина которого определяется нормированным размером частиц, входящих в состав клея, кроме того, пьезоэлемент выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС (цирконат титанат свинца) с пористостью 15-60%, а инерционный элемент выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава, при этом пьезоэлемент и инерционный элемент закреплены при помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя, также в основании корпуса, во внутренней полости, выполнен кольцевой антидеформационный вырез. Технический результат – повышение точности и надежности измерения ударных и вибрационных ускорений. 3 ил.

 

Пьезоэлектрический датчик относится к измерительной технике и предназначен для определения параметров ударных и вибрационных ускорений, но также может быть использован при разработке пьезоэлектрических приборов для измерения динамических давлений и сил.

В настоящее время известны самые различные конструкции пьезоэлектрических датчиков, однако все они, обладая определенными достоинствами, не выполняют в полной мере поставленной изобретением задачи.

Известен пьезоэлектрический датчик, [патент РФ №2400760, под названием «Пьезоэлектрический акселерометр» MПK G01P 15/09, опуб. 27.09.2010 г.], содержащий корпус, во внутренней полости которого расположен пьезочувствительный элемент и инерционный элемент.

В варианте исполнения инерционный элемент выполнен из монокристаллического диэлектрика, при этом пьезочувствительный элемент и инерционный элемент соединены между собой параллельно, а их вектора поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности датчика и направлены в разные стороны, что позволяет повысить осевую чувствительность датчика, при сохранении его габаритов и массы.

Данное изобретение направлено на повышение осевой чувствительности устройства при сохранении его габаритов и массы. Но в данном изобретении в качестве материала пьезочувствительного элемента используется сегнетожесткая керамика ТНАВ (титанат натрия висмута) с малым значением пьезомодуля керамики d33≈(7-22) пКл/Н, из-за чего значение коэффициента преобразования датчика остается небольшим, что снижает точность измерений ускорений при наличии высокого уровня помех. Также конструкция датчика выполнена по схеме «с поджатием» пьезочувствительного элемента к основанию корпуса, что оставляет возможность для проявления «ухода нуля» из-за проскальзывания пьезочувствительного и инерционного элементов при наличии поперечной составляющей ускорения или из-за относительно высокой деформационной чувствительности.

Известен пьезоэлектрический датчик, [патент РФ №2495438, под названием «Пьезоэлектрический датчик ударного ускорения», МПК G01Р 15/09, опуб. 0.10.2013 г.], содержащий 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 инерционный элемент, при этом геометрический центр опоры совпадает с геометрическим центром корпуса.

В варианте исполнения клеевой слой содержит клей, каучук и калиброванные проводящие частицы, в данный клеевой слой введен графит, содержание которого не превышает 10%, а калиброванные частицы выполнены размером 20-80 мкм, при этом содержание каучука в клеевом слое составляет не менее 60%.

Изобретение направлено на увеличение коэффициента преобразования и демпфирующих свойств датчика. Но недостатком данного изобретения является использование пьезоэлемента из сегнетомягкой керамики (цирконат титанат свинца) ЦТС-19 (d33≈330 пКл/Н; tgδ=28⋅10-3), что увеличивает нелинейность амплитудной характеристики датчика и деформационную чувствительность, снижает устойчивость к интенсивным механическим воздействиям и, соответственно, к «уходу нуля». Отсутствие встроенного механического фильтра не позволяет достичь дальнейшего повышения демпфирования «паразитных» высокочастотных колебаний, которые повышают зашумленность сигнала и могут привести к «уходу нуля». Титановый сплав для изготовления инерционного элемента имеет относительно низкую плотность, что означает уменьшенное значение коэффициента преобразования датчика.

Этот пьезоэлектрический датчик ударного ускорения рассматривается в качестве прототипа.

Задача, на решение которой направлено изобретение - создание пьезоэлектрического датчика, обеспечивающего необходимые точность и надежность измерения ударных и вибрационных ускорений.

Технический результат, получаемый при использовании данного изобретения - повышение надежности и точности измерения ударных и вибрационных ускорений.

Указанный технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике, содержащем 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 инерционный элемент, при этом геометрический центр опоры совпадает с геометрическим центром корпуса, согласно изобретению в месте закрепления опоры формируется механический фильтр из эластичного электропроводящего материала, толщина которого определяется нормированным размером частиц, входящих в состав клея, кроме того пьезоэлемент выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС (цирконат титанат свинца) с пористостью 15-60%, а инерционный элемент выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава, при этом пьезоэлемент и инерционный элемент закреплены при помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя, также в основании корпуса во внутренней полости, выполнен кольцевой антидеформационный вырез.

Формирование в конструкции пьезоэлектрического датчика механического фильтра из эластичного электропроводящего материала увеличивает демпфирование высокочастотных колебаний и уменьшает деформационную чувствительность датчика, что приводит к повышению устойчивости датчика к «уходу нуля» и повышению точности измерений. Использование пьезоэлемента, выполненного из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС, позволяет уменьшить нелинейность амплитудной характеристики, а также повысить устойчивость датчика к «уходу нуля». Использование пористой керамики приводит к увеличению ее сегнетожесткости и, соответственно, устойчивости к «уходу нуля». Использование вольфрама или вольфрамового сплава для инерционного элемента снижает механические напряжения в пьезоэлементе при изменении температуры, уменьшая коэффициент влияния температуры на коэффициент преобразования и вероятность «ухода нуля». Выполненный в конструкции кольцевой антидеформационный вырез является концентратором механических напряжений и дополнительно уменьшает деформационную чувствительность датчика и вероятность «ухода нуля» из-за деформации установочной поверхности.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 приведен продольный разрез пьезоэлектрического датчика.

На фиг. 2 - вид А, клей с нормированными частицами сформированного механического фильтра.

На фиг. 3-вид Б, выполненный кольцевой антидеформационный вырез.

Пьезоэлектрический датчик содержит корпус 1 с крышкой 2, пьезоэлементы 3 и инерционные элементы 4 (фиг. 1). В полости корпуса 1 закреплена опора 5 с помощью механического фильтра. Опора 5 в своей центральной части имеет выступы 6, которые равноудалены от стенок корпуса 1. При помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя на выступах 6 с верхней и нижней стороны опоры 5 закреплены пьезоэлементы 3 и инерционные элементы 4. Пьезоэлемент 3 выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС (цирконат титанат свинца) с пористостью 15-60% (предпочтительно 25-35%). Инерционный элемент 4 выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава. В месте закрепления опоры 5 в корпусе 1 формируется механический фильтр 7, состоящий из эластичного электропроводящего материала. Толщина механического фильтра 7 определяется нормированным размером частиц 8. Частицы 8 входят в состав клея 9 (фиг. 2). В полости корпуса 1 ближе к основанию выполнен кольцевой антидеформационный вырез 10 (фиг. 3).

Пьезоэлектрический датчик работает следующим образом.

Пьезоэлектрический датчик устанавливают за нижнюю поверхность корпуса 1 на объект испытаний посредством клеевого соединения. Кабель пьезоэлектрического датчика подсоединяют к регистрирующей аппаратуре. Объект исследований подвергают испытаниям. При ускорении, действующем на объект испытаний вдоль основной оси пьезоэлектрического датчика по направлению от корпуса 1 к крышке 2, верхний пьезоэлемент 3 испытывает сжатие под действием «прижима» верхнего инерционного элемента 4 к опоре 5. При этом нижний пьезоэлемент 3 испытывает растяжение под действием «отрыва» нижнего инерционного элемента 4 от опоры 5. При данном движении пьезоэлементы 3 вырабатывают электрические заряды, которые суммируются и передаются посредством электропроводящих клеевых слоев, прилегающих к пьезоэлементам 3, на инерционные элементы 4, с них - на кабель пьезоэлектрического датчика, а затем на регистрирующую аппаратуру.

Механические напряжения в корпусе 1, возникающие при деформации поверхности объекта исследований, концентрируются на антидеформационном вырезе 10, тем самым снижая уровень деформации корпуса 1 в месте крепления опоры 5, и снижая уровень деформации пьезоэлемента 3. Дополнительное снижение уровня механических напряжений в опоре 5 и пьезоэлементе 3 обеспечивается релаксацией механических напряжений в эластичном материале механического фильтра 7. Также механический фильтр 7 обеспечивает демпфирование высокочастотных колебаний, приходящих на пьезоэлектрический датчик от объекта испытаний, и возбуждающихся в конструкции пьезоэлектрического датчика из-за высокочастотных ударных воздействий. Это снижает деформационную чувствительность и уровень высокочастотного шума пьезоэлектрического датчика, что повышает точность измерения ускорений из-за снижения влияния «паразитных» воздействий.

Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- заявляемый пьезоэлектрический датчик предназначен для использования в измерительной технике, а именно для определения параметров ударных и вибрационных ускорений;

для заявляемого пьезоэлектрического датчика в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;

заявляемый пьезоэлектрический датчик при его использовании способен обеспечить повышение точности и надежности измерения ударных и вибрационных ускорений.

Следовательно, заявляемый пьезоэлектрический датчик соответствует условию «промышленная применимость».

Пьезоэлектрический датчик, содержащий 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 инерционный элемент, при этом геометрический центр опоры совпадает с геометрическим центром корпуса, отличающийся тем, что в месте закрепления опоры формируется механический фильтр из эластичного электропроводящего материала, толщина которого определяется нормированным размером частиц, входящих в состав клея, кроме того, пьезоэлемент выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС (цирконат титанат свинца) с пористостью 15-60%, а инерционный элемент выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава, при этом пьезоэлемент и инерционный элемент закреплены при помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя, также в основании корпуса, во внутренней полости, выполнен кольцевой антидеформационный вырез.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области метрологии, в частности к пьезотехнике. Пьезоэлектрический преобразователь состоит из пьезоэлектрического элемента, закрепленного внутри корпуса, один вывод которого заземлен, и предусилителя.

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована для восстановления эксплуатационной работоспособности пьезоэлектрического преобразователя пространственной вибрации с возможно возникшей неисправностью одного из его измерительных каналов.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в процессе проведения сейсмической съемки. Описано устройство для сейсмической съемки, содержащее корпус, ускоряемую массу, по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью обнаружения перемещения ускоряемой массы относительно корпуса, электронную схему, соединенную с упомянутым по меньшей мере одним датчиком и выполненную с возможностью получения и обработки выходного сигнала этого датчика, и источник питания, выполненный с возможностью подачи электрической энергии в электронную схему и представляющий собой составную часть ускоряемой массы.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в процессе проведения сейсмической съемки. Описано устройство для сейсмической съемки, содержащее корпус, ускоряемую массу, по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью обнаружения перемещения ускоряемой массы относительно корпуса, электронную схему, соединенную с упомянутым по меньшей мере одним датчиком и выполненную с возможностью получения и обработки выходного сигнала этого датчика, и источник питания, выполненный с возможностью подачи электрической энергии в электронную схему и представляющий собой составную часть ускоряемой массы.

Изобретение относится к метрологии. Способ контроля вибрации многокомпонентным датчиком содержит этапы, на которых выходные сигналы сенсора пропускают через согласующие усилители и получают на их выходах вектор сигналов, который умножают на матрицу корректирующих коэффициентов, элементы которой равны элементам матрицы, обратной матрице коэффициентов чувствительности многокомпонентного датчика, получаемый вектор используют для измерения ортогональных составляющих вибрации в виде оценок уровня, а результаты измерения выводят на блок регистрации.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерений механической силы и связанных с ней величин: момента силы, давления, массы, деформаций, линейных и угловых ускорений.

Изобретение относится к области приборостроения и измерительной техники и может быть использовано для изготовления датчиков, работающих на принципе перемещения инерционной массы при изменении величины ускорения перемещающихся объектов.

Изобретение относится к области измерительной техники для измерений линейного ускорения. Датчик линейных ускорений содержит основание, рамочный корпус, внутри которого размещены инерционный груз, соединенный через упругий подвес с рамочным корпусом, балочный резонатор, соединенный с одной стороны с инерционным грузом, а с другой стороны с рамочным корпусом, систему возбуждения и съема сигнала, состоящую из электромагнитов возбуждения и съема колебаний и расположенную на основании.

Группа изобретений относится к датчику, используемому для обнаружения ускорения, давления или, в целом, любой физической величины, изменение которой может привести к перемещению подвижного тела относительно корпуса.

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.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения параметров ударных и вибрационных ускорений. Сущность изобретения заключается в том, что пьезоэлектрический датчик содержит корпус, опору, при этом в месте закрепления опоры формируется механический фильтр из эластичного электропроводящего материала, толщина которого определяется нормированным размером частиц, входящих в состав клея, кроме того, пьезоэлемент выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС с пористостью 15-60, а инерционный элемент выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава, при этом пьезоэлемент и инерционный элемент закреплены при помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя, также в основании корпуса, во внутренней полости, выполнен кольцевой антидеформационный вырез. Технический результат – повышение точности и надежности измерения ударных и вибрационных ускорений. 3 ил.

Наверх