Пьезоэлектрический акселерометр

Пьезоэлектрический акселерометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ПЬЕЗСеЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР , содержащий основание, на котором установлен чувствительный элемент с электродами, которые вместе составляют монолит, крышку и соединительный кабель, о т л ичающийся тем, что, с целью повьваения надежности путем повьюения сопротивления изоляции и механической прочности, в нем электроды выполнены с выводами, которые на боКОБОЙ поверхности Ч5 ствительного элемента образуют кслячутиругадие дорожки и размещены внутри объема чувствительного элемента на расстоянии от торцовых поверхностей, равном толщине межэлектродного промежутка , а от боковой образующей на расстоянии от минимального, равного толщине межэлектродного промежутка , до максимального, определяемого из формулы ««г 2JTr e . i где р - радиус электрода; ij - прочность сцепления материа (Л ла электрода с керамикой чувствительного элемента, 6 - прочность пьезокерамического материала при статическом растяжении; Fpсила поджатия чувствительного элемента в акселерометре . / 5 5 S 5 / / / О) 00 со о:

СОЮЗ COBETCHHX

СОЩЩДИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

g(5g G 01 P 15/09

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ где г

Ь э

tl

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3256 54 5/18-1 0 (22) 02. 03. 81 (46) 28.02.84. Бюл. 9 8 (72) Ю.А.Вусевкер, Б.П.Иорданов, А.П.Кудинов и Л.Г.Епремян (71) Ростовский ордена Трудового

Красного Знамени государственный университет (53) 531 ° 76 8 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 547696, кл. G Ol P 15/09, 1975.

2. Патент США Р 3397329, кл. 310-84, 1968. (54) (57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий основание, на котором установлен чувствительный элемент с электродами, которые вместе составляют монолит, крышку и соединительный кабель, о т л ичающийс я тем, что, сцелью повышения надежности путем повышения.сопротивления иэоляции и механической прочности, в нем электроды выполнены с выводами, которые на бо„„Я0„„36 A ковой поверхности чувствительного элемента обраэуют коммутирукицие дорожки и размещены внутри объема чувствительного элемента на расстоянии от торцовых поверхностей, равном толщине межэлектродного промежутка, а от боковой обраэукицей на расстоянии от минимаЛьного, равноro толщине межэлектродного промежутка, до максимального, определяемого иэ формулы радиус электродаэ прочность сцепления материала электрода с керамикой чувствительного элемента, прочность пьезокерамического.материала при статическом растяжении; сила поджатия чувствительного элемента в акселерометре.

1076836

20

Изобретение относится к измерительной технике.

Известны пьезоэлектрические акселерометры, содержащие основание, на котором установлены чувствительный элемент с электродами, вместе составляющие монолит, крышку и со единительный кабель 1,21.

К недостаткам указанных акселерометров следует отнести невысокие сопротивление изоляции и механическую прочность при высоких уровнях вибрации (свыае 1000) и ударных нагрузках большой длительности (свыше 100 мс) .

Недостаточно высокое сопротивление изоляции, являющееся следствием того, что элек троды выходя т на поверхность чувствительного элемента, а межэлектродные слои керамики малы, оказывает существенное влияние на качество и технологичность сборки акселерометра.

Невысокая механическая прочность акселерометра заключается в том, что при высоких уровнях вибрации и ударных нагрузках большой длительности наблюдаются случаи разрушения чувствительного элемента, а именно расслоение (разрыв) чувствительного элемента по какому-нибудь из электродов. Одной иэ причин этого является несовершенство операции нанесения металлиэирующего покрытия (электрода), сложность которой заключается в том, что на всю поверхность сырой (не спеченной) пьезокерамической заготовки практически невозможно нанести равномерный слой платиносодержащей пасты, используемой в качестве металлизирующего покрытия, и тем более проконтролировать его толщину. Неравномерность (разнотолщинность) металлизирунцего покрытия приводит к различной степени диффузии платины в пьеэокерамическую основу при спекании пакета чувствительного элемента. Это явление в свою оче «« редь приводит к неоднородной степени адгезии платинового электрода с керамикой и, как следствие, к различной механическсй прочности и к разрыву (отслоению) как по площади одного электрода, так и между разными электродами.

Гель изобретения — повышение надежности путем повышения сопротивления изоляции и механической прочности пьезоэлектрическогo акселерометра °

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем основание, на котором установлен чувствительный элемент с электродами, которые вместе составляют монолит, крышку и соединительный кабель, электроды выполнены с выводами, которые на боковой поверхности чувствительного ,элемента образуют коммутирующие дорожки и размещены внутри объема чувствительного элемента на расстоянии от торцовых поверхностей, равном толщине межэлектродного промежутка, а от боковой образукщей на расстоянии от минимального, равного толщине межэлектродного промежутка до максимального, определяемо го иэ формулы где г - радиус электрода;

6 — прочность сцепления материа9 ла электрода с керамикой чувствительного элемента

6к - прочность пьезокерамики при статическом растяжении;

"и - сила поджатия чувствительного элемента в акселерометре.

На фиг. 1 схематически представлен пьезоэлектрический акселерометру на фиг.2 — поперечное сечение блока чувствительного элемента.

Пьезоэлектрический акселерометр содержит основание 1 акселерометра с резьбовым штырем для крепления акселерометра к испытуемому объекту, блок 2 чувствительного элемента, криаку 3, соединительный кабель 4, электроды 5 чувствительного элемента, выводы 6, коммутирукщие дорожки 7, соединяющие электроды одинаковой полярности.

Величина заглубления электродов в тело блока 2 чувствительного элемента определяется величиной сопротивления изоляции, требованиями, предъявляемыми к механической прочности акселерометра и его конструкции.

Величина эаглубления электродов в тело блока чувствительного элемента, т. е. расстояние крайних электродов от торцов чувствительного элемента и краев электродов от боковой образукщей, принимается равной толщине межэлектродного промежутка. Это расстояние считается оптимальным, так как при меньшей его величине может произойти пробой по телу керамики на поверхность в случае ее загрязнения или с крайних электродов на металлоконструкцию дат" чика, к которой прикреплен чувствительный элемент. Большая величина эаглубления электрода также нецелесообразна, так как пробойная толщина диэлектрика определяется межэлектродным промежутком, а масса и габариты чувствительного эле107б836

20

F2- =59 6к, (2) 35 и э(к Э) а

Э П

5 =S +5=5 2-—

5 э э 6„6к

=2а выражение примет нид

1 . (12) мента и, следовательно акселерометра, возрастают.

Для того, чтобы механическая прочность ак селерометров на растяжение определялась из механической прочности на растяжение пьезокерамических материалов, а не механической прочностью сцепления электродон с керамикой, добавляется слой керамики вокруг чувствительного элемента с электродами, выходящими наружу, т.е. площадь поперечного сечения чувствительного элемента увеличивается. Оптимальная величина максимального расстояния электродов от боковой образующей определяется из следующего расчета. Усилие, необходимое для разрыва чувствительного элемента с электродами, выходящими на поверхность, равно (<) где 5э — площадь электрода;

6 Э вЂ” прочность сцепления электрода с керамикой. 25

Усилие, необходимое для разрыва чувствительного элемента с электродами, выходящими на поверхность, при условии, что его прочность определяется прочностью на растяжение пьезокерамического материала, а не прочностью сцепления электродов с керамикой, будет равно где Ьк — прочность пьезокерамического материала при статическом растяжении.

Из приведенных данных видно, что > ° Для ТОГО, чтОбы прОизвОдить 40 расчет прочности чувствительного элемента, а следовательно и акселерометра, исходя из прочности материала керамики, необходимо увеличить прочность чувствительного элемента на величину что достигается добавлением слоя керамики вокруг чувствительного элемента с электродами, выходящими наружу, и соответственно увеличением поперечного сечения чувствительного элемента. Это увеличение определяем по формуле 55 где 5 — площадь, на которую увеличи- 60 вается поперечное сечение чувствительного элемента по предлагаемому изобретению.

Таким образом, площадь блока чувствительного элемента равна э(к Э) Э

+ =5 2- — i (9) э э э к где 9 — площадь поперечного сечения блока чувствительного элемента.

Из (5) получаем — =2- — . (Ь)

5э к

Из этого соотношения и определя ется величина максимального заглуб.ления электродов н тело блока от боковой образующей. Для простейшего случая блока чувствительного элемента круглой формы, она имеет вид где a — - максимальное расстояние от концов электродов до боковой образующей; радиус электрода.

В некоторых конструкциях акселерометров чувствительные элементы находятся н предварительно поджатом состоянии. В этом случае преднарительное поджатие н зависимости от величины частично или полностью компенсирует недостаток механической проч ности чувствительного элемента, т.е. компенсирует силу F и в этом случае формула (3) имеет вид где F — величина силы, на которую необходимо увеличить прочность чувствительного элемента для того, чтобы при расчетах исходить из прочности пьезокерамического материала.

Заменив н формуле (4) силу F на получим

F S (Ь,-Ь }-F„ (9)

k К

Подстав ин (9) и (5) Из (10) получаем окончательное выражение для общего случая (7) для общего случая

1076836

Составитель Н.?тараховская

Техред М.Надь

Редактор Н. Стащишина

Корректор Г. Решетник

Заказ 739/42 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, ??осква, 7(-35, Раушская паб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, Г. Ужгород, ул. Проектная, 4

При достаточно больших энаяениях выраЖение (11) может принимать нулевое или отрицательное значения, а значение выражения (12) соответственно может быть меньше толщины межэлектродного промежутка, равняться нулю или принимать мнимое значение. В этом случае расстояние от концов электродов до обраэукщей выбирается:иэ требований сопротивления изоляции и принимается равным межэлектродному промежутку. Тдлщина керамического слоя между крайними электродами и торцовыми поверхностями чувствительного элемента при разрывных усилиях не имеет значения и определяется по требованиям сопротивления изоляции.

Таким образом, предлагаемая конструкция пьезоэлектрического акселерометра позволяет повысить его надежйость путем повышения сопротивления изоляции и механической прочнос.ти.