ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УДАРОПРОЧНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
HIGH-SENSITIVITY BROADBAND IMPACT-RESISTANT PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения колебательных процессов в сейсмологии, акустике, вибродиагностике, а также в случаях, когда эксплуатация измерительных устройств или их установка связано со значительными боковыми воздействиями.
Известен акселерометр, взятый за прототип, работающий на сжатие-растяжение пьезоэлемента, и состоящий из корпуса, на основании которого посредством клея закреплены пьезоэлемент с инерционной массой (Ю.А. Иориш, «Виброметрия», М., Машиностроение, 1963 стр. 568, фиг. 14.53, а.).
Конструкция характеризуется высокой резонансной частотой, удовлетворительной величиной коэффициента преобразования и достаточной прочностью при осевых воздействиях.
Так как конструкция представляет собой по существу консоль, то самые большие механические напряжения возникают при боковых воздействиях на корпус акселерометра в месте крепления пьезоэлемента к основанию (Г.М. Ицкович, «Сопротивление материалов», М., Высшая школа, 1986, стр. 182). В результате этого происходит разрушение или пьезоэлемента в этом сечении, или его клеевого соединения.
Известна конструкция акселерометра (GB 899235 A, 20.06.1962 г.), состоящая из корпуса и пьезоэлемента, в которой инерционная масса как элемент конструкции отсутствует. Такая конструкции также недостаточно прочна при боковых внешних воздействиях.
Задача настоящего изобретения заключается в создании высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра, лишенного вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в значительном повышении стойкости высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра к боковым воздействиям.
Сущность изобретения состоит в том, что высокочувствительный широкополосной ударопрочный пьезоэлектрический акселерометр содержит корпус, инерционную массу и пьезоэлемент, который приклеивается к основанию корпуса прослойкой мягкого компаунда. Толщина компаунда Δ выбирается из условия:
км
где Е - модуль Юнга компаунда;
р
ƒ - резонансная частота акселерометра;
п
М - масса пьезоэлемента;
М - инерционная масса;
S - площадь плоской поверхности пьезоэлемента.
Между боковой стенкой корпуса и инерционной массой введены упоры, выполненные из мягкого компаунда. Общая длина упоров L и толщина h удовлетворяют соотношению:
к
где Е - модуль Юнга пьезокерамики;
к
h - высота пьезоэлемента;
м
Н - высота инерционной массы.
7
10
Первое условие связано с тем, что модуль Юнга мягких компаундов, таких, как каучук, полиуретан, виксинт, ВГО и т.п., находится в пределах 10Па, в то время как модуль Юнга пьезокерамики составляет порядка 7-10 Па, поэтому резонансную частоту акселерометра определяет фактически толщина упругой прослойки.
у
Второе соотношение обусловлено тем, что введение упругих упоров не должно снижать коэффициент преобразования оригинала. Для этого их жесткость К в осевом направлении должна удовлетворять соотношению:
у
к
К<0,1К
к
где К - жесткость пьезоэлемента, равная
у
Жесткость К определяется сдвигом упоров в осевом направлении и равна
где
KM
G - модуль сдвига компаунда;
μ - коэффициент Пуассона.
Учитывая, что μ для мягких компаундов близок к значению 0,5, получим  а отсюда и приведенное соотношение.
На фиг. 1 представлена конструктивная схема предлагаемого высокочувствительного широкополосного ударопрочного пьезоэлектрического акселерометра, состоящего из корпуса - 1, инерционной массы - 2, пьезоэлемента - 3, прослойки мягкого компаунда - 4, приклеивающего пьезоэлемент к основанию корпуса и упоров 5.
На фиг. 2 представлена конструктивная схема акселерометра без инерционной массы.
Сочетание упругих прослойки и упоров трансформирует резкий удар пьезоэлемента и инерционной массы о корпус акселерометра в мягкое воздействие, что предохраняет пьезоэлемент от сколов, растрескивания, осыпания.
к
км
Введение прослойки мягкого компаунда под пьезоэлемент. Известно, что если две пружины соединены последовательно, то при их нагрузке в большей мере деформируется пружина с малой жесткостью. В предлагаемом высокочувствительном широкополосном ударопрочном пьезоэлектрическом акселерометре жесткость пьезоэлемента К и прослойки мягкого компаунда К равны, соответственно,
а их отношение:
-2
Учитывая, что  то отношение  а в широких пределах изменения  вплоть до 10. Следовательно, деформация в пьезоэлементе меньше деформации в прослойке мягкого компаунда, как минимум, на порядок.
Введение упоров ограничивает смещение инерционной массы и пьезоэлемента в боковом направлении, а, следовательно, снижает величину возникающих деформаций в пьезоэлементе.
В случае если акселерометр не имеет инерционной массы, упругие упоры вводятся между боковой поверхностью корпуса и пьезоэлементом.
-2
-2
Для оценки защищенности акселерометров от боковых воздействий изготовлены и испытаны опытные образцы, отличающиеся толщиной упругого подслоя от (0,3-1) мм, количеством упоров от 3-4 до сплошного кольцевого, с инерционной массой ≈2 г и без нее. Коэффициент преобразования при использовании инерционной массы был в пределах 60-70 мВ/мс, а без нее - 40 мВ/мс. Резонансная частота в зависимости от толщины подслоя варьировалась в пределах от (3,5-4) кГц при Δ=1 мм и ≈7 кГц при Δ≈0,4 мм. Акселерометры сохраняли свои параметры при падении с высоты 1,5 м на бетонное основание.