УДАРОПРОЧНЫЙ МАЛОГАБАРИТНЫЙ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
SHOCK-RESISTANT SMALL-SIZED HIGHLY SENSITIVE PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным высокочувствительным пьезоэлектрическим акселерометрам, транспортировка и установка которых связана с большими внешними воздействиями. Изобретение может быть использовано в качестве измерительных преобразователей в сейсмологии, вибродиагностике и других областях техники.
-6
-8
Известны устройства, в которых перемещение инерционной массы относительно корпуса, а следовательно, и деформацию чувствительного элемента уменьшают применением различного рода ограничителей (см. Ю.А. Иориш. «Виброметрия». М.: Машиностроение, 1963, стр. 454-458). Однако в случае пьезоэлектрического чувствительного элемента, работающего на сжатие-растяжение, допустимые деформации настолько малы (10…10), что не позволяют реализовать этот подход на практике. Известны вибрационные датчики, в которых для устранения нежелательных явлений, связанных с резонансом упругого подвеса инерционной массы используют гидравлическое демпфирование (см. Ю.А. Иориш. «Виброметрия». М.: Машиностроение, 1963, стр. 454-458). Классическая схема демпфера следующая: имеются две поверхности, одна из которых выполнена в форме сосуда, содержащего демпфирующую жидкость, установлена на основании устройства, а вторая перемещается внутри сосуда и жестко связана с инерционной массой (см. А. Нашиф. «Демпфирование колебаний». Мир, 1988, стр. 138). К особенностям демпфирования относится сложность конструкции, связанная с необходимостью обеспечения герметичности для предотвращения вытекания демпфирующей жидкости. Кроме того, демпфер устанавливается параллельно чувствительному элементу, поэтому температурная зависимость вязкости сказывается на параметрах датчика.
Известна конструкция акселерометра (прототип), работающего на сжатие-растяжение пьезоэлемента, состоящая из корпуса, инерционной массы, пьезоэлементов, поджимающихся к основанию корпуса посредством винта и пружины (см. Ж. Аш. «Датчики измерительных систем». Мир, 1992, т. 2, стр. 93, рис. 11, 11б). Конструкция характеризуется малыми габаритами, высокой резонансной частотой и достаточной прочностью. Однако для увеличения коэффициента преобразования при сохранении габаритов акселерометра и, следовательно, величины и размеров инерционной массы необходимо уменьшить емкость пьезоэлементов, т.е. их площадь, в результате чего предельные значения напряжений в пьезоэлементах достигаются при меньших значениях внешних ускорений и прочность акселерометра снижается.
Задачей предлагаемого изобретения является создание пьезоэлектрического акселерометра, лишенного вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в значительном повышении стойкости малогабаритного акселерометра к большим внешним ускорениям в сочетании с высоким значением коэффициента преобразования.
max
max
Сущность изобретения состоит в том, что 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 Μ), промежуточное основание связано с основанием корпуса дополнительной пружиной, зазор между инерционной массой и корпусом - Δx, и жесткость пружины К выбираются, например, из условия ΚΔx<0,3G S, где G - максимально допустимые напряжения в пьезоэлементах площадью S.
В прототипе, подвергаемом ускорению а, сила, действующая на пьезоэлемент, равна а М, а возникающие механические напряжения a M/S могут превышать допустимые.
В предлагаемом акселерометре сила, действующая на пьезоэлемент, из-за ограничений на перемещение инерционной массы зазором Δx равна К Δх и, с учетом условия выбора жесткости дополнительной пружины, создает в 3 раза меньшие механические напряжения в пьезоэлементе, которые могли бы его разрушить.
дв
дг
С целью увеличения резонансной частоты и тем самым расширения рабочей полосы акселерометра, а также упрощения конструкции в предлагаемый акселерометр введен демпфер, содержащий две поверхности с демпфирующей жидкостью между ними, поверхности выполнены в виде тонкостенных цилиндрических оболочек с зазором между ними (например, не более 0,02 мм), внешняя оболочка соединена с промежуточным основанием упругим элементом (жесткость которого в вертикальном направлении К≥10 К, а в горизонтальном направлении К≤К), а зазор между оболочками заполнен, например, пластичной смазкой с порошковым наполнителем.
Выбор в качестве демпфирующей жидкости пластичной смазки обусловлен:
- способностью восстанавливать в процессе работы свой структурный каркас, разрушенный чрезмерными нагрузками;
- широким температурным диапазоном применения;
- надежностью и долговечностью работы в жестких условиях, сочетающих большие механические нагрузки с перепадом температур;
- свойством смазки не вытекать из узлов трения.
Использование пластичной смазки существенно упрощает и уменьшает конструкцию демпфера, поскольку не требует каких-либо герметизирующих приспособлений. Добавка порошкового наполнителя приводит к более эффективному сдвигу резонансной частоты акселерометра, зависящего от его процентного содержания.
Условие мягкости упругого элемента в горизонтальном направлении связано с предотвращением разрушения демпфера при боковых внешних воздействиях. Так как демпфер включен не параллельно пьезоэлементам, а связан с перемещениями промежуточного основания, его температурные изменения непосредственно не влияют на параметры пьезоэлементов.
На фиг. 1 изображена конструктивная схема предлагаемого акселерометра, состоящая из корпуса 1, инерционной массы 2, пьезоэлементов 3, винта 4, пружины 5, промежуточного основания 6, дополнительной пружины 7.
На фиг. 2 изображена конструктивная схема акселерометра с демпфером, состоящим из цилиндрических оболочек 8, 9 с упругим элементом 10.
max
max
Акселерометр (фиг. 1) содержит корпус (1), инерционную массу Μ (2), пьезоэлементы (3), винт (4) с пружиной (5), при этом инерционная масса (2), пьезоэлементы (3), винт (4) и пружина (5) установлены на промежуточном основании (6) с массой m (m<0,1 Μ), промежуточное основание (6) связано с основанием корпуса (1) дополнительной пружиной (7), зазор между инерционной массой (2) и корпусом (1) - Δx, и жесткость пружины К выбираются, например, из условия К Δx<0,3G S, где G - максимально допустимые напряжения в пьезоэлементах площадью S.
дв
дг
С целью увеличения резонансной частоты и тем самым расширения рабочей полосы акселерометра, а также упрощения конструкции в предлагаемый акселерометр введен демпфер (фиг. 2), содержащий две поверхности с демпфирующей жидкостью между ними, поверхности выполнены в виде тонкостенных цилиндрических оболочек (8, 9) с зазором между ними (например, не более 0,02 мм), внешняя оболочка соединена с промежуточным основанием упругим элементом (10) (жесткость которого в вертикальном направлении К≥10 К, а в горизонтальном направлении К≤К), а зазор между оболочками заполнен, например, пластичной смазкой с порошковым наполнителем.
Акселерометр работает следующим образом.
При больших ускорениях и ударах перемещение инерционной массы (2) ограничено корпусом (1) акселерометра, поэтому нагрузки на пьезоэлементы (3) в пределах допустимых. Связанная с промежуточным основанием (6) оболочка демпфера не выступает за габариты инерционной массы (2), поэтому при больших перегрузках не подвергается удару о корпус (1) акселерометра. При боковых нагрузках промежуточное основание (6) смещается в боковом направлении, но так как смещение ограничивается зазором Δx, а жесткость упругого элемента (10) в этом направлении мала, нагрузки в местах крепления упругого элемента (10) невелики и не приводят к разрушению демпфера.
Для оценки параметров предлагаемого акселерометра изготовлены и испытаны их опытные образцы, отличающиеся пьезоэлементами, процентным содержанием порошкового наполнителя и упругими элементами, связывающими промежуточное основание с подвижной оболочкой демпфера. В качестве демпфирующей жидкости использовалась смесь пластичной смазки «Литол-24» со свинцовым суриком. Упругие элементы выбирались в форме трех тонких (∅ 0,2) металлических стержней длиной ~5 мм или в форме оболочки из эластичного компаунда типа «Виксинт» высотой ~5 мм и толщиной >1 мм. Применялись пьезоэлементы емкостью 10÷40 пФ. Для согласования с обрабатывающей аппаратуры внутрь акселерометра встраивался электронный повторитель с входным 1 ГОм и выходным 250 Ом сопротивлением соответственно. Все акселерометры выполнены в габаритах: диаметр 22 мм; высота 15 мм. В зависимости от емкости пьезоэлементов коэффициент преобразования акселерометров был . Резонансная частота варьировалась в пределах 300…800 Гц. В диапазоне температур +80…-40°С параметры акселерометров отличались не более чем на 15%. Акселерометры сохраняли свои параметры после падения с высоты 10 м на бетонное основание.