ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
PIEZOELECTRIC ACCELEROMETRE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим акселерометрам, предназначенным для измерения вибрационных и ударных ускорений.
Известны пьезоакселерометры, чувствительные элементы которых имеют предварительно напряженное состояние и работают по механической схеме осевого сжатия-растяжения. Классические схемы таких акселерометров содержат инерционный элемент и два кольцевых пьезоэлемента, расположенных последовательно по оси чувствительности и установленных на жестком цилиндрическом основании корпуса. Пьезоэлементы, как правило, имеют одинаковые геометрические размеры, выполняются из одного пьезоэлектрического материала и соединяются электрически параллельно с противоположным направлением векторов поляризации. Такая конструкция имеет простое устройство, обеспечивает удовлетворительное сочетание осевой чувствительности и резонансной частоты и широко используется в акселерометрах общего назначения, например, акселерометрах типа 4344, 8306, 8308, 8310 фирмы Брюль и Къер ([1]. Bruel&Kjar. Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители. Справочник по теории и эксплуатации. Дания: Нерум. 1978 г.), типа 2215, 2273, 2275 фирмы Эндевко ([2]. Endevco. Shock, Vibration, Pressure. Instrumentation Catalog. 1998 г.) и многих других фирм.
Однако несмотря на простоту, прочность и надежность конструкции, такие акселерометры имеют ряд недостатков: сравнительно большие габариты и массу, большую деформационную чувствительность и смещение (дрейф) нулевой линии при измерениях однократных ударов большой амплитуды. Эффект смещения нулевой линии обусловлен двумя факторами: невозвратом доменов пьезокерамики в исходное положение после прекращения механического воздействия и деформацией сдвига поверхности контакта между пьезоэлементами. Величина смещения нулевой линии может лежать в пределах ±100% от амплитуды сигнала (А.Н.Пелых, П.Г.Соколов. Некоторые особенности пьезокерамики акселерометров при больших однократных ударах. Электроника, Приборостроение. БТИ №4. 1977 г., стр.8-15).
Известны пьезоакселерометры, чувствительные элементы которых работают по сдвиговой механической схеме. Сдвиговые акселерометры отличаются сравнительно малыми размерами и массой, что позволяет применять их для измерения ударов и испытаний легких объектов. Сдвиговую конструкцию имеют большинство акселерометров фирмы Брюль и Къер - например, типы 4321, 4374, 4370, 4378, 8318 [1], фирмы Эндевко - например, типы 22, 2220, 2221, 2222, 23, 225, 7701 [2] и многих других фирм.
Сдвиговые акселерометры по сравнению с акселерометрами, работающими по схеме сжатия-растяжения, обеспечивают лучшую защиту от помех, связанных с деформацией основания и акустическими шумами. Легко центрируемая сдвиговая конструкция обеспечивает существенно меньшую поперечную чувствительность. Однако при измерениях однократных ударов большой амплитуды сдвиговые акселерометры также не лишены недостатка смещения нулевой линии, величина которого может лежать в пределах ±40% от амплитуды сигнала.
Известен также акселерометр, работающий по механической схеме сжатия-растяжения с одним пьезоэлементом, изготовленным из сегнетожесткого пьезокерамического материала, и инерционным элементом из монокристалла рубина, - акселерометр типа 8309 фирмы Брюль и Къер [1]. Использование сегнетожесткого пьезокерамического материала для изготовления пьезоэлемента уменьшает эффект невозврата доменов в исходное положение, а использование монокристалла рубина обеспечивает идеальность плоскопараллельного напряженно-деформированного состояния пьезоэлемента, исключающего сдвиг поверхности контакта с инерционным элементом. В результате указанное устройство, выбранное в качестве прототипа, обладает приемлемой совокупностью таких параметров, как осевая чувствительность, собственная частота, амплитудный диапазон и величина смещения нулевой линии (±10%).
Однако недостатками известного акселерометра являются:
- сравнительно малая осевая чувствительность, что ограничивает точность измерения амплитудного диапазона акселерометра снизу (повышения осевой чувствительности можно достичь путем увеличения габаритов и массы инерционного элемента, что неприемлемо);
- невозможность дальнейшего снижения эффекта смещения нулевой линии, что уменьшает достоверность измерений;
- высокая себестоимость акселерометра из-за использования драгоценного камня - рубина.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании пьезоэлектрического акселерометра, измеряющего параметры однократных ударов малой длительности и большой амплитуды с высокой точностью и достоверностью.
Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются повышение осевой чувствительности акселерометра при сохранении его габаритов и массы, а также возможность уменьшения величины смещения нулевой линии практически до 0.
Кроме того, заявляемый акселерометр обладает меньшей себестоимостью.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем поджатые к основанию корпуса пьезочувствительный элемент, работающий на сжатие-растяжение, и инерционный элемент из монокристаллического диэлектрика, новым является то, что инерционный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала, при этом указанные элементы соединены электрически параллельно, а их векторы поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности акселерометра и направлены в разные стороны.
Выполнение инерционного элемента из пьезоэлектрического монокристаллического материала (например, монокристалла кварца) приводит к тому, что указанный элемент наряду с функцией инерционного элемента, обеспечивающего идеальное плоскопараллельное напряженно-деформированное состояние пьезочувствительного элемента, осуществляет функцию «дополнительного» пьезоэлемента. При направлении векторов поляризации указанных элементов в разные стороны заряд, генерируемый «дополнительным» пьезоэлементом, складывается с зарядом пьезочувствительного элемента, в результате чего повышается осевая чувствительность акселерометра без увеличения габаритов и массы инерционного элемента. Монодоменная структура кварца не подвержена развороту домена при действии механических напряжений под воздействием ускорения, поэтому генерирование заряда прекращается с прекращением действия ускорения. Полидоменная структура пьезокерамического материала, даже сегнетожесткого, из которого, как правило, выполнен пьезочувствительный элемент, подвержена развороту доменов при действии механических напряжений под воздействием ускорения, в связи с чем генерирование заряда продолжается с прекращением действия ускорения еще некоторое время, до возврата доменов в исходное положение, что и приводит к эффекту смещения нулевой линии. Количественно эффект смещения нулевой линии оценивается величиной отношения заряда, генерируемого после действия ускорения, к заряду - при действии ускорения. Большая величина этого отношения свидетельствует о большем проявлении указанного эффекта. Таким образом, в заявляемом акселерометре возможность уменьшения величины отношения заряда, генерируемого после действия ускорения, к суммарному заряду, генерируемому при действии ускорения, приводит к уменьшению эффекта смещения нулевой линии. Подбирая материалы пьезоэлементов по пьезомодулю и плотности, осевую чувствительность можно увеличить до 100% и более, а смещение нулевой линии уменьшить практически до 0.
На приведенном чертеже изображена конструктивная схема заявляемого пьезоэлектрического акселерометра.
Пьезоэлектрический акселерометр содержит пьезочувствительный элемент 1 и инерционный элемент 2, поджатые к основанию 3 корпуса 4 посредством упругого элемента 5, например, пружины. Пьезочувствительный элемент 1 выполнен, например, из сегнетожесткого пьезокерамического материала - титаната натрия висмута (ТНАВ). Инерционный элемент 2 выполнен из монокристаллического диэлектрика - пьезоэлектрического материала, например, кварца.
Векторы поляризации 7 и 8, соответственно инерционного элемента 2 и пьезочувствительного элемента 1, ориентированы вдоль оси чувствительности 10 акселерометра и направлены в разные стороны.
Электроды (выделены основными линиями) указанных элементов соединены электрически параллельно. С помощью токосъемника 11, установленного между пьезочувствительным 1 и инерционным 2 элементами, обеспечивается электрическое соединение первой пары электродов, а с помощью пружины 5 и крышки 6 - соединение второй пары электродов. При этом корпус 4 и крышка 6 выполнены из токопроводящего материала. С помощью токовыводов 9 осуществляется электрический съем сигнала.
Пьезоэлектрический акселерометр работает следующим образом. При воздействии на акселерометр ударного ускорения большой амплитуды в направлении оси чувствительности 10 пьезочувствительный элемент 1 испытывает плоскопараллельное напряженно-деформированное состояние сжатия с минимальным смещением (разворотом) доменов от исходного состояния в силу того, что указанный элемент изготовлен из сегнетожесткого пьезокерамического материала и поджат к основанию 3 через инерционный элемент 2 из монокристаллического диэлектрика, обеспечивающего исключение сдвига поверхности контакта между ними.
При таком напряженно-деформированном состоянии на электродах пьезочувствительного элемента 1 генерируется электрический заряд, пропорциональный воздействующему ускорению, с минимальным искажением (с минимальным смещением нулевой линии), чем и обеспечивается достоверность измерения. Одновременно с пьезочувствительным элементом 1 деформацию сжатия испытывает и инерционный элемент 2, на электродах которого также генерируется электрический заряд, пропорциональный воздействующему ускорению. Заряды пьезочувствительного и инерционного элементов, соединенных электрически параллельно, складываются, что увеличивает осевую чувствительность и повышает точность измерения.
Изготовлен макетный образец пьезоэлектрического акселерометра, проведенные испытания которого показали, что по сравнению с акселерометром типа 8309 фирмы Брюль и Къер при одинаковой собственной частоте достигнуто увеличение осевой чувствительности на 25% и уменьшение эффекта смещения нулевой линии на 20%. Кроме того, полученный образец имеет меньшие массу (2,8 г - заявляемый акселерометр, 3 г - известный акселерометр), габариты (⌀6,9 мм×10,2 мм и ⌀7 мм×10,8 мм соответственно) и обладает меньшей себестоимостью.