ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к измерительной технике и может быть использована для обеспечения взаимозаменяемости пьезоэлектрических вибропреобразователей ускорения (вибродатчиков ускорения), входящих в состав акселерометров или измерительных систем без дополнительной настройки электронных согласующих элементов акселерометра или измерительных систем.
Одним из важнейших параметров акселерометра, определяющим его метрологические возможности, является коэффициент преобразования, который зависит от коэффициента преобразования вибродатчика ускорения и параметров согласующего и усилительного тракта акселерометра.
В свою очередь коэффициент преобразования вибродатчика ускорения пропорционален произведению пьезомодуля пьезоэлемента (состоящего из одной или нескольких пьезопластин) датчика на массу инерционного элемента (Иориш Ю.И. Виброметрия. ГНТИ «Машиностроительной литературы». М.: 1963).
В технических условиях на вибродатчики ускорения нормируются номинальное значение коэффициента преобразования и пределы отклонения действительного значения коэффициента преобразования от номинального значения.
При изготовлении вибродатчиков из-за
- трудности учета вклада в суммарное преобразование действующего разброса параметров пьезокерамики;
- разной массы изготовленных в пределах установленного допуска, однотипных деталей и,
- реакции элементов пьезопреобразователя с распределенными параметрами на виброускорение
у каждого чувствительного элемента вибродатчика ускорения наблюдается отклонение различной величины действительного значения коэффициента преобразования от его номинального значения, установленного техническими условиями.
Известна регулировка действительного значения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра, осуществляемая только с помощью изменения коэффициента передачи предварительного усилителя вибродатчика или с помощью электронной части измерительной системы.
Так, например, в известном пьезоэлектрическом датчике вибрации - «Excitation circuit for piezo-electric vibration type angular velocity sensor» JPH1151657, G01P 9/04, H03B 5/32, 1999-02-26, коэффициент преобразования регулируется за счет изменения коэффициента усиления предварительного усилителя.
Аналогичное решение использовано в «Способе калибровки виброизмерительного тракта», SU 1820337, G01P 21/00, 1991.02.27.
Известен пьезоэлектрический компрессионный (с применением деформации «растяжения-сжатия» пьезоэлемента) пьезоэлектрический вибродатчик ускорения (RU 2150117, G01P 15/09, 27.05.2000), который является наиболее близким аналогом первого варианта вибродатчика заявляемого акселерометра.
Известный вибродатчик включает чувствительный элемент с пьезоэлементом и инерционным телом.
Известен также пьезоэлектрический сдвиговый вибродатчик ускорения (RU 2017160, G01P 15/09, 30.07.1994), который является наиболее близким аналогом второго варианта вибродатчика заявляемого акселерометра.
Известный вибродатчик включает чувствительный элемент с двумя пьезоэлементами и размещенным между ними инерционным телом.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных устройств, относится ограниченный перечень известных средств регулировки действительного значения коэффициента преобразования акселерометров.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая группа полезных моделей является расширение средств регулировки действительного значения коэффициента преобразования акселерометров.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой группы полезных моделей, заключается в обеспечении возможности регулировки действительного значения коэффициента преобразования непосредственно вибродатчика ускорения, и, соответственно, всего акселерометра за счет увеличения массы инерционного тела чувствительного элемента вибродатчика.
Указанный технический результат достигается при осуществлении заявляемой группы однообъектных полезных моделей, образующих единый изобретательский замысел и представляющих собой регулировку действительного значения коэффициента преобразования вибродатчиков ускорения акселерометров с различными типами деформации.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что по первому варианту выполнения заявляемого пьезоэлектрического акселерометра с компрессионным вибродатчиком ускорения, включающим чувствительный элемент с пьезоэлементом и инерционным телом, в отличие от известного вибродатчика пьезоэлектрического акселерометра инерционное тело, как основное, снабжено установленным на нем соосным основному дополнительным инерционным телом, регулирующим действительное значение коэффициента преобразования вибродатчика до заданного, предпочтительно номинального значения, превышающего исходное.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что по второму варианту выполнения заявляемого пьезоэлектрического акселерометра со сдвиговым вибродатчиком ускорения, включающим чувствительный элемент с двумя пьезоэлементами и размещенным между ними инерционным телом, в отличие от известного вибродатчика пьезоэлектрического акселерометра инерционное тело, как основное, снабжено установленным на нем соосным рабочей оси вибродатчика дополнительным инерционным телом, регулирующим действительное значение коэффициента преобразования вибродатчика до заданного, предпочтительно номинального значения, превышающего исходное.
На фиг. 1 показан компрессионный вибродатчик ускорения пьезоэлектрического акселерометра, на фиг. 2 - то же вид сверху по разрезу А-А, на фиг. 3 - сдвиговый вибродатчик ускорения пьезоэлектрического акселерометра, на фиг. 4 - то же вид сверху по разрезу А-А, на фиг. 5 - график зависимости действительного значения коэффициента преобразования вибродатчика ускорения от значения массы дополнительного инерционного тела.
Компрессионный вибродатчик ускорения пьезоэлектрического акселерометра содержит (фиг. 1 и фиг. 2) основание 1, защитный корпус 2, чувствительный элемент 3. Чувствительный элемент 3, прикрепленный к основанию с помощью шпильки 4, состоит из соосных основного инерционного тела 5 с цилиндрическим соосным выступом 6 и дополнительного инерционного тела 7, и установленного между изоляционными прокладками 8 и 9 пьезоэлемента 10 с электродами 11 и 12, которые подключены к разъему 13 сигнального выхода вибродатчика.
Сдвиговый вибродатчик ускорения пьезоэлектрического акселерометра содержит (фиг. 3 и фиг. 4) защитный корпус 14, основание 15 с двумя симметрично расположенными стойками 16 и 17, поперечное сечение которых имеет форму сегментов круга. Между стойками 16 и 17 на изоляционных прокладках 18 и 19 установлен чувствительный элемент 20, состоящий из соосных рабочей оси вибродатчика основного инерционного тела 21, с цилиндрическим выступом 22, и дополнительного инерционного тела 23 и пьезоэлементов 24 и 25, с электродами 26 и 27 пьезоэлемента 24 и электродами 28 и 29 пьезоэлемента 25. Все электроды 26, 27, 28 и 29 подключены к разъему 30 сигнального выхода вибродатчика.
мВ
Известно (Иориш Ю.И. Виброметрия. ГНТИ «Машиностроительной литературы». М.: 1963 - 518 с), что коэффициент преобразования в плоской части амплитудно-частотной характеристики k определяется выражением:
П
где µ - коэффициент электромеханического преобразования;
ур
ω - значение круговой частоты установочного резонанса (первая резонансная частота закрепленного вибродатчика), которая определяется выражением
где  - постоянная упругости пьезоэлектрика (при постоянной напряженности электрического поля); m - инерционная масса вибродатчика; l, S - высота и площадь пьезопластины (или комплекта пьезопластин).
С учетом (2) выражение (1) можно записать в виде:
мВ
Таким образом коэффициент преобразования КП(k) чувствительного элемента вибродатчика ускорения прямо пропорционален массе т инерционного тела, т.е. имеет линейную зависимость.
Определение массы дополнительного инерционного тела, прикрепляемого к основному инерционному телу на постоянной основе, производится следующим образом.
Н
Изготовленный вибродатчик ускорения (см. фиг. 1-4) с чувствительным элементом (3 или 20) устанавливают на вибростенд рабочего эталона, подключают к измерительному тракту акселерометра, возбуждают в чувствительном элементе (3 или 20) калиброванные механические колебания с известными частотой и амплитудой и измеряют начальное (исходное) действительное значение коэффициента преобразования КП вибродатчика.
1-n
1-n
Затем к инерционному телу (5 или 21) чувствительного элемента (3 или 20) вибродатчика, как к основному, последовательно прикрепляют дополнительные инерционные тела с различной, предпочтительно увеличивающейся, известной массой mД и измеряют текущие измененные действительные значения коэффициента преобразования КП с каждым из дополнительных инерционных тел.
По результатам измерений устанавливают зависимость действительного значения коэффициента преобразования КП вибродатчика от массы дополнительного инерционного тела mД и строят изображенный на фиг. 5 график линейной зависимости действительного значения коэффициента преобразования КП вибродатчика от значения массы дополнительного инерционного тела mД.
В
В
Н
По установленной зависимости на графике (см. фиг. 5) определяют значение массы такого дополнительного инерционного тела mД, которое соответствует реализации отрегулированного действительного значения коэффициента преобразования КП, превышающего его исходное (начальное) значение КП и соответствующего номинальному значению.
В
В
Затем к цилиндрическому выступу (6 или 22) основного инерционного тела (5 или 21) вибродатчика ускорения прикрепляют на постоянной основе дополнительное инерционное тело (7 или 23) с массой mД, соответствующей выбранному, предпочтительно, номинальному значению коэффициента преобразования КП вибродатчика.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают, что конструктивное выполнение пьезоэлектрических вибродатчиков ускорения, входящих в состав акселерометров или измерительных систем, обеспечивают возможность расширения средств регулировки действительного значения коэффициента преобразования акселерометра