Пьезоэлектрический акселерометр

Пьезоэлектрический акселерометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРО-. МЕТР, содержащий основание с установленными на нем пьезоэлементами вертикальной поляризации и инерционными элементами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения, влияния поперечных ускорений, он снабжен площадками , ортогонально расположенными на основании, а пьезоэлементы установлены на площадках с возможност«о перемещения таким образом, что вертикальные составлякяцие векторов поляризации совпадают по направлению, -а горизонтальные составляющие противолежащих пьезоэлементов ориентированы в противоположные стороны, при этом угол установки пьезоэлемента относительно вертикальной оси акселерометра определяется по формуле . oi arcstn-r-.- 5 °Ъл к, - относительный коэффигде циент влияния поперечного ускорения, измеренный в плоскости поворота , выраженный в процентах; ,0, - пьезомодули, соответ15 ственно сдвиговый и растяжения - сжатия.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

О,ИМ О Н

РЕСПУБЛИК

0% 01) 4 (51) G 01 P 15/09

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСХОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Р%МФ В.."

4 5

0 =0гс5 п С1э где

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И (ЛКРЫТИЙ (21) 3569557/24-10 (22) 23.03.83 (46) 30.01.85 Бюл. Р 4 (72) И.С.Бабер и А.С.Кустарев (53) 531. 768 (088. 8) (56) 1. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара. Справочник под ред. проф. В.В.Клюева.

М., "Машиностроение", 1978.

2. Каталог фирмы "„Эндевко", США, 1979. (54)(57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий основание с установленными на нем пьезоэлементами вертикальной поляризации и инерционными элементами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения влияния поперечных ускорений, он снабжен пло- щадками, ортогонально расположенными на основании, а пьезоэлементы установлены на площадках с возможностью перемещения таким образом, что вертикальные составляющие векторов поляризации совпадают по направлению, а горизонтальные составляющие противолежащих пьезоэлементов ориентированы в противоположные стороны, при этом угол установки пьезоэлемента относительно вертикальной оси акселерометра определяется Ilo формуле

К вЂ” относительный коэффи1 циент влияния поперечного ускорения, изме- ф ренный в плоскости поворота, выраженный в процентах;

d <,3q — пьеэомодули, соответ "ственно сдвиговый и растяжения — сжатия.

1 1373

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания высокоточных пьезоэлектрических акселерометров в частности для образцовых акселерометров.

Пьезоэлектрические акселерометры по принципу деформации чувствительного элемента можно разделить на три основные группы. -акселерометры с чув- 10 ствительным элементом, работающим на растяжение — сжатие; акселерометры с чувствительным элементом, подвергаемым деформации изгиба; акселерометры с чувствительным элементом, 15 подвергаемым деформации сдвига (1J .

До последнего времени в СССР и за, рубежом в основном выпускались акселерометры первых двух групп.

Вследствие повышенной чувствитель-20 ности к воздействию влияющих факторов:.. поперечного ускорения, деформации объекта, температуры,акселерометры 1 группы имеют недостаточную точность. . Аксеперометры П группы имеют невы-25 сокие прочностные и динамические характеристики, большие габариты.

Сдвиговые акселерометры имеют лучшие характеристики, чем акселерометры первых двух групп ° 30

Наиболее близким к предлагаемому является пьезоэлектрический сдвиговый акселерометр, содержащий основание с установленными на нем пьезоэлементами вертикальной поляуизации и инерционными элементами (2 .

Известный акселерометр имеет недостаточную точность вследствие чувствительности акселерометра к пара- зитному воздействию — поперечному 0 ускорению. Количественно чувствитель" ность акселерометра к поперечному ускорению характеризуется коэффициентом влияния поперечного ускорения

К . Для известного акселерометра ко- 4 эффициент влияния поперечного уско" рения составляет ЗЖ, Если составляющие ускорения в основном и поперечном направлениях равны, то погрешность измерений в этом случае дости- 50 гает З, Целью изобретения является повышение точности пьезоэлектрического сдвигового акселерометра за счет уменьшения влияния поперечных ускоре-55 нийе

Указанная цель достигается тем, что акселерометр, содержащий основа96 ние с установленными на нем пьезоэлементами вертикальной поляризации н инерционными элементами, снабжен площадками, ортогонально расположенными на основании а пьезоэлементы установлены на площадках с возможностью перемещения таким образом, что вертикальные составляющие векторов поляризации совпадают по направлению, а горизонтальные составляющие противолежащих пьезоэлементов ориентированы в противоположные стороны, при этом угол установки пьезоэлемента относительно вертикальной оси акселерометра определяется по формуле

" 15

К =Огсз 0 7

24ч где К вЂ” относительный коэффициент влияния поперечного ускорения, измеренный в плоскости поворота, выраженный в процентах;

d,,d>< — пьезомодули, соответственно сдвиговый и растяжения/сжатия.

На фиг. 1 изображен предлагаемый пьезоэлектрический акселерометр, фронтальный разрез; на фиг. 2 — то же, вид сверху; на фиг. 3 — схема разрезки пьезоэлементов из поляризованной заготовки.

Основание 1 акселерометра (фиг.1 и 2) снабжено четырьмя вертикальными ортогонально расположенными площадками. На каждой из .площадок с помощью винтов 2 установлен с возможностью углового перемещения монолитньпу пакет, состоящий из склеенных между собой пьезоэлемента 3 из пьезокерамики, двух изолирующих прокладок 4 из плавленного кварца и инерционного тела 5.

Пьезоэлементы 3 для ориентации при сборке снабжены меткой 6. Пьезоэлементы 3 вырезаны из одной предварительно поляризованной заготовки из пьезо— керамики, выполненной в виде параллелепипеда (фиг. 3), имеющего метку

6 (например, лыску). Направление оси поляризации заготовки соответствует оси Z. На боковых сторонах пьезоэлементов 3 нанесены электроды (напылением в вакууме или химическим серебрением).

Пьезоэлементы, расположенные в заготовке рядом: а и 1, с и 6, установлены с противолежащих с тн он лерти1137

1О

g =4 mph где Й с — сдвиговый пьезомодуль; ! ш — масса инерционного тела.

При действии ускорения в попереч-. 40 ном направлении на электродах каждого пьезоэлемента 3 возникают заряды, вызванные паразитной чувствительностью к поперечному ускорению.

Для сдвиговых пьезоэлектрических акселерометров основной причиной, вызывающей появление такой чувствительности, является несовпадение пьезоэлектрической и геометрической осей пьезоэлемента вследствие накло- 0 на вектора наведенной поляризации при изготовлении пьезоэлемента иэ пьезокерамики, В настоящее время измерения такого несовпадения возможны только для монокристаллов, напри- мер кварца, с помощью рентген-гониометра. Для поликристаллических пьезоэлектриков (к таким относится пье3 кальных площадок основания 1. При этом противолежащие пьезоэлементы а и b с и о развернуты в противоположные стороны относительно оси поляризации, .

Вследствие этого векторы поляризации противолежащих пьезоэлементов равны по модулю и наклонены в противоположные стороны на одинаковые углы.

Соответственно равны по модулю и ориентированы в противоположные стороны горизонтальные составляющие этих векторов поляризации:

X X (X X 15

Уа УЬ 1

Вертикальные составляющие 2 векторов поляризации совпадают по направлению.

Электроды пьезоэлементов 3 электрически параллельно соединены со входом согласующего усилителя (не показан).

Акселерометр работает следующим образом. 25

Под воздействием ускорения, направленного по измерительной оси Z акселерометра, инерционные тела 5 создают сдвиговые усилия, приложенные к пьезоэлементам 3. Вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта на электродах пьезоэлементов 3 возникают электрические заряды одноимен. ной полярности, пропорциональные измеряемому ускорению 0 . Суммарный за- 35 ряд равен

396 ф зокерамика) методы определения наклона вектора поляризации отсутствуют.

В предлагаемом сдвиговом акселерометре вследствие наклона вектора поляризации становятся отличными от нуля пьезомодули 3 1 и 31, которые определяют чувствительность акселерометра к поперечному ускорению.

Значения этих пьезомодулей нахо дятся из следующих выражений:

С)1 = 31 БАЕВ Ц

7 1Ь = " > S>" Я где (у и (— углы между ося- ми координат

Х, У, Z u X,Y,Z при повороте соответственно вокруг осей

УиХ;

Х,У,Z и Х,У,Z — соответственно геометрические и пьезоэлектрические оси пьезоэлемента.

Отсюда для предлагаемого акселерометра суммарный электрический заряд для пьезоэлементов а, b с и J (фиг. 3) при действии поперечного ускорения по осям Х и У определяется соответственно следующим выражениям:

Ц„-в а4,(2sig 2s (-c{b)lQ 5ю(-Ц {Я О;

9 = в а 4, (2 з{ и Чс 2й (-gg) < Й и <0+5 и (- { ф=О.

Таким образом, в предлагаемом ак,селерометре при воздействии ускоре,ния а в поперечном направлении по осям Х и У на электродах противолежащих пьезоэлементов вследствие наклона вектора поляризации возникают электрические заряды разноименной полярности, которые при равенстве углов наклона вектора поляризации противолежащих пьезоэлементов взаимно вычитаются.

Для снижения паразитной поперечной чувствительности акселерометра, вызванной другими факторами (неоднородностью пьезоэлектрических свойств пьезоэлемента, отсутствием полного равенства между углами наклона вектора поляризации противолежащих пьезоэлементов и т.п.) монолитные пакеты с пьезоэлементами 3 повернуты на угол Ж.

При действии поперечного ускорения на пьезоэлемент 3, повернутый

1137396 где а b к 3, 0(=ОгСб п

94= 0 ), где

Точность предлагаемого акселерометра .повышается в два раза и более ,вследствие взаимной компенсации в самом акселерометре сигналов помехи, вызванной поперечным ускорением. Повышение точности обеспечивается снижением погрешности, вызванной наклоном вектора поляризации пьеэоэлемене та, неоднородностью пьезоэлектрических свойств пьезоэлемента и другими

З5 факторами. на угол Ж, на его электродах возникает заряд (1 (М), противоположный по знаку заряда g< от поперечной чувствительности акселерометра.

Отсюда следует условие компенсации 5 поперечной .чувствительности

" п1 о ю

0(о ) п < 4q 5 п < где d d> — пьеэомодули, для кера8 мики типа ЦТС < =3.-4

331

К вЂ” относительный коэффици- 15

А ент влияния поперечного ускорения, выраженный в процентах, К „по оси У, К1„- по оси Х. 20

Отсюда угол поворота ф, необходимый для компенсации поперечной чувствительности, равен: для пьезоэлементов а и Ъ ( з аЬ аЬ = о "

2 бЪ1 9 15 — e1,ЯК, Q d31 для пьезоэлементов с и d

" к в о 31

91Yl8 31

4. к <4 <,6к

2Äэ — требуемые углы поворота пьезоэлеменt тов соответственно

a,b, с иJ, При небольших значениях поперечной чувствительности(К с ЗЖ) можно разворачивать не оба противолежащих пьезоэлемента, а один из них.

Для акселерометра может использоваться как обычный согласующий усилитель, так и согласукяций усилитель с дифференциальным входом. В кажцом случае соединение электродов акселерометра производится таким образом, чтобы сигналы, соответствующие ускорению, действующему по оси измерения суммировались, а поперечному ускорению вычитались.

1 137396

Составитель Н.Мараховская

Редактор М.Веселова Техред А.Кикемезей

Корректор О.Луговая

Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4

Заказ 10515/33 Тираж 898

ВНИИПИ. Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5