Пьезоэлектрический преобразо-ватель ускорений

Пьезоэлектрический преобразо-ватель ускорений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП И САН И Е11 4 а®

ИЗОБРЕТЕНИЯ союз Советских

Социалистических

Реслублик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 05.12.77 (21) 2550510/18-10 с i-.ðt ñîåäèíåø1åì заявки Хе (23) Прнорнгст (43) Опубликовано 07.01.81. Вюллстень No 1 (45) Дата опубликования описания 07.01.81 (51) М. Кл."

G 01Р 15/08

Государственный комитет

СССР по делам нзооре ений н открытнй (53) УДК 531.768 (088.8) (72) Автор изобретения (71) Заявитель

Ч. К. Ерофеев

Ленинградский ордена Красного Знамени механический институт (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕАЬ

УСКОРЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорений, усилий, давлений и других физических величин.

Известны пьезоэлектрические преобразо- 5 ватели ускорения, содержащие инерционную массу, пьезоэлементы с электродами и корпус (1).

Наиболее близким по технической сущности является акселерометр, содержащий 10 инерционное тело, пьезоэлемент с электродами, соединенными с усилителем, и корпус (2).

Недостатком известных преобразователей ускорения является неравномерность 15 амплитудно-частотной характеристики сильно выраженный резонанс механической системы преобразователя. Добротность механической системы при резонансе преобразователя лежит в пределах от 10 до 200, 20 в связи с чем при измерении кратковременных ударных ускорений в механической системе возникает неустановившийся переходный процесс, приводящий к значительным динамическим погрешностям. 25

С другой стороны, при измерении малых по амплитуде и сравнительно медленно изменяющихся ускорений не требуется столь широкий частотный диапазон, зато требуется высокая чувствительность. 30

Целью изобретения является повышение точности преобразователя ускорения.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь введены динамический корректор и дополнительный пьезоэлемент с электродами, жестко связанный с корпусом и инерционной массой, причем электроды дополнительного пьезоэлемента соединены с выходом динамического корректора, вход которого связан с выходом усилителя.

На фиг. 1 изображен предлагаемый преобразователь ускорения, осевое сечение; на фиг. 2 — схема соединения узлов преобразователя; на фиг. 3 — блок-схема динамического корректора; на фиг. 4 — амплитудно-частотные характеристики первичного преобразователя с естественным демпфированием (P(0,1) и предлагаемого преобразователя с электрическим демпфированием ((=--0 5)

В корпусе 1 преобразователя размещен основной пьезоэлемент 2, выполненный в виде двух шайб, соединенных электрически параллельно, а механически — последовательно. Направление поляризации совпадает с осью первичного преобразователя, а на плоских торцах шайб нанесены проводящие обкладки. Одна пара одноименных обкладок шайб 2 соприкасается с электродом 3, а другая пара — с инерционным телом 4 и

794539

3 корпусом 1, причем детали 4 и 1 электрически соединены друг с другом проводником с помощью пайки. Между инерционным телом 4 и верхней шайбой пьезоэлемента 2 расположен электрод 5, введенный для подготовки высоты пакета деталей 2, 3 и 5. Детали 2, 3 и 5 склеены между собой, а деталь 5 приклеена, кроме того, к инерционному телу 4. Электрод 3 припаян к центральному проводнику 6 антивибрационного кабеля 7, оплетка которого припаяна к втулке 8, запрессованной в корпус 1 и электрически соединенной таким образом со второй парой электродов пьезоэлемента 2.

Для обеспечения жесткости крепления места паек пустоты залиты эпоксидным клеем 9.

Дополнительный пьезоэлемент 10 выполнен в виде кольца, высота которого точно равна высоте пакета из деталей 2, 3 и 5, что обеспечивается совместным шлифованием при изготовлении. Направление поляризации радиальное, обкладки выполнены на наружной и внутренней поверхностях кольца. Наружная обкладка с помощью проводника 11 соединена с корпусом 1, внутренняя обкладка припаяна к центральному проводнику 12 антивибрационного кабеля 13 (фиг. 1). Оплетка кабеля 13 припаяна к втулке 14, запрессованной в корпус 1 и соединенной электрически с корпусом 1, а следовательно, и с наружной обкладкой дополнительного пьезоэлемента 10.

Крышка 15 обеспечивает защиту первичного преобразователя от воздействия внешней среды. Кабель 7 (фиг. 2) соединен с согласующим усилителем 16, выход которого связан со входом регистратора и одновременно с входом динамического корректора

17. В состав динамического корректоравходят (фиг. 3) электрический дифференциатор 18, инвертирующий усилитель 19, переключатель 20 на два положения и сумматор 21. Вход корректора связан с входами блоков 18 и 19 и с контактом 22 переключателя 20. Вход сумматора связан с перекидным контактом 23 и выходом электрического дифференциатора 18. Выход сумматора — это выход динамического корректора связан с обкладками дополнительного пьезоэлектрического элемента 10 (фиг. 1).

Выход инвертирующего усилителя 19 связан с контактом 24 переключателя 20.

Первичный преобразователь прикрепляют с помощью резьбовой шпильки, завинчиваемой в резьбовое отверстие, заранее подготовленное в объекте. Ось отверстия совпадает с направлением измеряемой компоненты ускорения.

Преобразователь работает следующим образом.

При воздействии измеряемого ускорения инерционное тело давит на пьезоэлемент, в результате на обкладках пьезоэлементов 2 возникают заряды (прямой пьезоэффект), 10

GO б5 создающие электрическое напряжение на входе усилителя 16. После усиления этот сигнал поступает на вход корректора 17.

Напряжение со входа корректора идет на вход электрического дифференциатора 18, в качестве которого использован операционный усилитель, и на вход инвертирующего усилителя 19, осуществляющего изменение фазы сигнала на 180 .

Если перекидной контакт 23 находится в верхнем положении и замкнут с контактом

22, то на вход сумматора подается сигнал с выхода усилителя 16 и с дифференциатора

18. Сумматор производит суммирование входных сигналов, так что его выходной сигнал равен алгебраической сумме входных сигналов. Сигнал с выхода сумматора в виде электрического напряжения поступает на обкладки пьезоэлемента 10. Под действием электрического поля, возникающего в пьезоэлементе 10, возникает механическое напряжение, создающее в результате усилие, отталкивающее инерционное тело 4 от корпуса 1 и частично уравновешивающее инерционное усилие, вызванное внешним ускорением. В результате пьезоэлемент

2 разгружается. Такое взаимодействие эквивалентно увеличению жесткости механической системы первичного преобразователя и приводит к увеличению собственной частоты (т. е. расширению рабочего диапазона частот) при соответствующем снижении коэффициента преобразования. Врезультате происходит обмен запаса чувствительности на, повышение динамических свойств.

Наличие в составе напряжения, поступающего от сумматора, компоненты, пропорциональной производной сигнала, поступающего с усилителя 16, приводит к тому,что напряжение на пьезоэлементе будет тем больше, чем выше частота измеряемого ускорения и, следовательно, по мере увеличения частоты измеряемого ускорения увеличивается отрицательная обратная связь. Наличие дифференциатора, дополнительного пьезоэлемента и указанных выше соединений эквивалентно введению в механическую систему демпфера, благодаря чему амплитудно-частотная характеристика выравнивается и приобретает вид, показанный на фиг. 4 (при р=0,5).

Таким образом, происходит коррекция

АЧХ первичного преобразователя, расширение рабочего диапазона частот и дополнительное увеличение динамических свойств первичного преобразователя.

Если переходной контакт 23 переключателя 20 находится в нижнем положении, то на входы сумматора 21 подаются сигналы с выхода дифференциатора 18 и с усилителя

19. В результате на выходе сумматора создается напряжение такой полярности, при которой деформация дополнительного элемента 10, происходящая вследствие обрат794539

15 д!

Я 1 ного пьезоэлемента, увеличивает давление на основной пьезоэлемент 2 (положительная обратная связь). По этой причине собственная частота системы падает и одновременно увеличивается чувствительность 5 преобразователя к ускорению. В результате происходит обмен запаса по динамическим свойствам на повышение чувствительности преобразователя. Действие дифференциатора, как и в первом случае, приводит к 10 демпфированию механической системы первичного преобразователя и к расширению рабочего диапазона частот.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь ускорения, содержащий корпус, инерционное тело, пьезоэлемент с электродами, соединенными с усилителем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены динамический корректор и дополнительный пьезоэлемент с электродами, жестко связанный с корпусом и инерционным телом, причем электроды дополнительного пьезоэлемента соединены с выходом динамического корректора, вход которого связан с выходом усилителя.

Источники информации, принятыс во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Мо 150714, кл. G 01Р 15/08, 1962.

2. Пик Л. Д. Измерение вибрации. Новосибирск, «Наука», 1972, с. 189, 195 (прототип) .