МАЛОГАБАРИТНЫЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ СЕЙСМОДАТЧИК

Полезная модель относится к области пьезотехники и может быть использована в системах мониторинга зданий, мостов, тоннелей и других сооружений, а также в системах охраны периметров и поверхностей от несанкционированного проникновения или доступа.
В основу работы пьезокерамических сейсмодатчиков положен принцип измерения линейных ускорений, что делает их весьма близкими к акселерометрам. Различие состоит лишь в назначении и условиях передачи информации. Так, например, основная информация, снимаемая с сейсмодатчиков в системе мониторинга зданий, содержится в диапазоне частот от десятых долей Гц и ниже, до сотен Гц, и должна передаваться на расстояния, достигающие сотен метров [1, 2]. Информация, снимаемая с акселерометров, например, в системах контроля объектов ракетно-космической техники, смещена в область более высоких частот и должна передаваться на расстояния от долей до нескольких метров [3].
1
В обоих случаях одной из важнейших характеристик, расширяющих возможности применения устройств, являются их миниатюрность и малая масса. В этом случае возможно их закрепление на тонких оболочках или малогабаритных объектах [4]. Известен малогабаритный акселерометр ABC 015 [5], предназначенный для измерения ускорения на объектах с малыми габаритами, тонкими поверхностями и оболочками. Он содержит пьезокерамический чувствительный элемент (ЧЭ), работающий на растяжение-сжатие, с выходным импедансом, определяемым выходной емкостью ЧЭ C=180 пФ, заключенный в корпус, обеспечивающий пылевлагозащищенность и механическую прочность конструкции.
Недостатками конструкции являются:
1
1. Большая величина выходного импеданса, определяемого малой выходной емкостью С, что весьма сильно ограничивает длину кабеля, соединяющего акселерометр с остальными блоками системы.
1
Так, на частоте 30 Гц, величина импеданса составит около 30 мОм. Это сильно ограничивает возможность достичь нижнего предела частотного диапазона менее 30 Гц, поскольку входное сопротивление следующего блока, например, усилителя, на практике редко превышает 20-30 мОм. При этом, при длине кабеля порядка 6 м, емкость его соизмерена с С, что приводит к падению полезного сигнала в 2 раза, а кабельный эффект [6] становится доминирующим. Это приводит к ограничению длины кабеля до единиц метров.
2. Малая величина коэффициента преобразования К, достигающего всего 2 мВ/g, усиливает роль отмеченных недостатков, добавляя при этом увеличение влияния различных наводок, которые при высоком выходном импедансе неизбежны.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели с технической точки зрения является акселерометр АКС 104 [7], предназначенный, в частности, и для измерения низкочастотных колебаний конструкций и сооружений в диапазоне частот ускорений 0,5÷63 Гц, имеющий низкоомный выход, позволяющий существенно увеличить длину кабеля (до 6 м), соединяющего акселерометр с входом системы, в которую он включен. Эти качества акселерометра позволяют его рассматривать и как сейсмодатчик.
1
2
1
Устройство состоит из пьезокерамического ЧЭ изгибного типа на основе дискового биморфа, образованного плоским пьезоэлементом и металлическим диском [8], с выходным импедансом, определяемым выходной емкостью чувствительного элемента С, электронного блока обработки с большим входным и малым выходным сопротивлениями сигнала, включающего в себя согласующий усилитель в виде эмиттерного повторителя, вход которого с входной емкостью С и входным сопротивлением R, включенными параллельно [9], подключен к выходу ЧЭ, металлического корпуса, в котором размещена вся конструкция с помощью крепежных элементов.
1
2
1
2
1
2
1
1
вх
вх
-2
Акселерометр работает следующим образом. При воздействии на него ускорения, сигнал с ЧЭ поступает на высокоомный вход эмиттерного повторителя с входным сопротивлением R и входной емкостью С. При этом, если величина R образуется только за счет входного сопротивления эмиттерного повторителя, то величина С образуется как суммарная емкость, состоящая из емкости монтажа, малых остатков кабельной емкости ввиду его укорочения по сравнению с аналогом до величин порядка 10 м, собственно входной емкости микросхемы. Упомянутые элементы образуют вместе с ЧЭ электрическую цепь, эквивалентная схема которой приведена на рис.1. На ней ЧЭ представлен в виде источника ЭДС, пропорциональной воздействующему ускорению Е и выходной емкости C. Входная цепь электронного блока представлена в виде суммарной емкости С и резистора R, которые совместно с источником ЭДС и емкостью C формируют напряжение U на входе эмиттерного повторителя. Такая схема достаточно хорошо описывает начальный процесс формирования частотной зависимости коэффициента преобразования К ускорения в электрический сигнал на входе электронного блока в области низких частот [9]. В этом случае величина напряжения U на входе эмиттерного повторителя составит:
вх
нижн
1
2
1
вх
Из этого выражения видно, что с уменьшением частоты f сигнала в спектре воздействующего ускорения убывает величина U. Это определяет нижнюю граничную частоту рабочего диапазона f, при фиксированных C, С, R. Дополнительная фильтрация электрического сигнала, в том числе и высокочастотная, в фильтрах электронных блоков позволяет окончательно сформировать требуемый рабочий диапазон частот. Таким образом, сигнал U, поступивший на вход эмиттерного повторителя, пройдя предварительную фильтрацию во входных цепях, представленных в виде эквивалентной схемы рис.1, пройдя окончательное формирование в ходе согласования эмиттерным повторителем большого выходного импеданса ЧЭ в малое собственное выходное сопротивление, поступает на выход датчика. Малое выходное сопротивление датчика позволяет существенно снизить влияние внешних факторов на параметры сигнала, передаваемого по кабелю, предельная длина которого может быть увеличена по сравнению с аналогом.
1
1
2
нижн
нижн
вх
В то же время, если величины R и С имеют ограничения, определяемые особенностями конструкции, то емкость С может быть искусственно увеличена путем подключения дополнительной емкости параллельно входу электронного блока. В этом случае появляется возможность управлять величиной f в сторону ее уменьшения [10]. В то же время очевидно, что такое снижение f ведет к уменьшению U, что может быть скомпенсировано увеличением коэффициента усиления усилительного тракта. Элементы конструкции - ЧЭ, усилитель (эмиттерный повторитель) и др. размещены внутри металлического корпуса из АМГ6 и закреплены в нем в специальных посадочных местах с помощью крепежных элементов, в том числе клеевых. Корпус обеспечивает пылевлагозащищенность конструкции, помехозащищенность и механическую прочность и, в совокупности с закрепленными в нем элементами конструкции, представляет сам датчик.
Основными недостатками датчика являются:
1. Ограничение возможностей дальнейшего уменьшения габаритов и массы, определяемое применением дискового биморфа, что сужает возможности его использования при закреплении на тонких оболочках и поверхностях в малых объемах [8, 11].
1
1
1
нижн
вх
2. Снижение в 2 раза коэффициента преобразования ЧЭ при использовании в биморфе одного пьезоэлемента и снижение его выходной емкости С в 2 раза по сравнению с биморфом, состоящим из двух пьезоэлементов, включенных параллельно [8, 11]. Увеличение входной емкости С путем подключения параллельно C дополнительной емкости, рабочий диапазон частот в этой конструкции не оправдано, поскольку такой прием помимо снижения величины f, ведет к уменьшению уровня U, не компенсируемого эмиттерным повторителем.
3. Общий коэффициент преобразования не превышает коэффициент преобразования ЧЭ ввиду использования в качестве усилителя эмиттерного повторителя, выполняющего лишь функцию трансформации большого выходного импеданса ЧЭ в малое выходное сопротивление датчика. Это ведет к необходимости передачи слабых сигналов по кабелю. В этих условиях малые внешние наводки и помехи могут резко ограничить допустимую его длину.
4. При наличии совокупности недостатков по п.1÷3 теряется целесообразность в использовании технологических приемов по существенному уменьшению габаритов и массы датчика.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является достижение технического результата в виде уменьшения габаритов и массы сейсмодатчика при высокой эффективности за счет того, что его электронный блок, крепежные элементы и корпус, или их отдельные части, выполнены взаимосвязанно частично или полностью заменяя друг друга.
1
2
1
Поставленная задача решается в конструкции датчика, содержащего пьезокерамический чувствительный элемент изгибного типа с выходным импедансом, определяемым его выходной емкостью С, электронный блок обработки сигнала, вход которого с входной емкостью С и входным сопротивлением R, включенными параллельно, подключен к выходу чувствительного элемента, металлический корпус, в котором размещена вся конструкция с помощью крепежных элементов, причем электронный блок датчика, крепежные элементы и корпус или их отдельные части выполнены взаимосвязанно, частично или полностью заменяя друг друга, причем:
2
2
2
2
1
- между выходом чувствительного элемента и входом электронного блока обработки сигнала может быть подключена интегрирующая фильтрующая цепочка, содержащая резистор R и конденсатор С, причем R удовлетворяет следующему соотношению R<<R;
2
1
2
верхн
- резистор R, емкости С и С могут образовывать звено фильтра, определяющего верхнюю граничную частоту рабочего диапазона частот f;
2
1
2
нижн
- резистор R, емкости C и С могут образовывать звено фильтра, определяющего нижнюю граничную частоту рабочего диапазона частот f;
- электронный блок обработки сигнала может быть собран на печатных платах, обеспечивающих двухсторонний монтаж, причем, как минимум, одна из них должна содержать сторону монтажа, выполняющую одновременно функцию экрана, предохраняющего электронный блок от самовозбуждения, а сами печатные платы, плотно входя в корпус и фиксируясь в нем, могут дополнительно выполнять роль ребер жесткости корпуса;
- чувствительный элемент выполнен в виде биморфа пьезокерамического параллельного типа, жестко заделанного в окрестности одной из перегородок в корпусе, формирующих посадочное место для чувствительного элемента, образуя тем самым чувствительный элемент изгибного типа консольного исполнения, причем заделка биморфа, ограничительные перегородки, а также заливка всей конструкции помимо фиксирующих и герметизирующих функций, могут выполнять и роль дополнительных ребер жесткости корпуса.
2
2
2
2
1
2
1
2
верхн
Таким образом, отличительными признаками полезной модели является то, что электронный блок датчика, крепежные элементы и корпус или их отдельные части выполнены взаимосвязанно, частично или полностью заменяя друг друга, причем, между выходом чувствительного элемента и входом электронного блока обработки сигнала подключена интегрирующая фильтрующая цепочка, содержащая резистор R и конденсатор С, причем R удовлетворяет соотношению: R<<R, резистор R, емкости С и С образуют звено фильтра, определяющего верхнюю граничную частоту рабочего диапазона частот f;
1
1
2
нижн
- резистор R, емкости С и С образуют звено фильтра, определяющего нижнюю граничную частоту рабочего диапазона частот f;
- электронный блок обработки сигнала собран на печатных платах, обеспечивающих двухсторонний монтаж, причем, как минимум, одна из них содержит сторону монтажа, выполняющую одновременно функцию экрана, предохраняющего электронный блок от самовозбуждения, а сами печатные платы, плотно входя в корпус и фиксируясь в нем, дополнительно выполняют роль ребер жесткости корпуса;
- чувствительный элемент выполнен в виде биморфа пьезокерамического параллельного типа, жестко заделанного в окрестности одной из перегородок в корпусе формирующих посадочное место для чувствительного элемента, образуя тем самым чувствительный элемент изгибного типа консольного исполнения, причем заделка биморфа, ограничительные перегородки, а также заливка всей конструкции помимо фиксирующих и герметизирующих функций выполняют роль дополнительных ребер жесткости корпуса.
2
нижн
2
2
верхн.
2
2
1.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в уменьшении габаритов и массы сейсмодатчика при высокой эффективности. Это достигнуто за счет использования ряда узлов и элементов датчика по нескольким назначениям одновременно. Так, в частности, увеличение емкости С необходимое для достижения требуемой нижней граничной частоты f при сложившихся конструктивных особенностях чувствительного элемента и входных цепей усилителя - блока обработки сигнала, достигает величин, превышающих на порядки ее значение как суммарной емкости соединительных проводников, монтажа и пр. В этом случае подключение чувствительного элемента к усилителю через резистор R позволяет использовать емкость С одновременно и как элемент интегрирующий цепочки звена фильтра, формирующего верхнюю граничную частоту рабочего диапазона частот f При этом, чтобы величина R не влияла на другие характеристики, должно соблюдаться условие R<<R
Такой прием позволяет уменьшить фильтр верхних частот в схеме усилителя на одно звено, упростив его монтаж, и уменьшить размер печатной платы.
2
При этом неизбежное уменьшение коэффициента преобразования чувствительного элемента за счет шунтирования его выхода емкостью С по зависимости
1
2
легко может быть скомпенсировано увеличением коэффициента усиления усилителя, поскольку величины С и С соизмеримы. В примере практической реализации они составляли:
C<sub>1</sub>~11 нФ,
С<sub>2</sub>~39 нФ
(R<sub>1</sub>~20 мОм,
R<sub>2</sub>~27 кОм).
Ввиду малогабаритности датчика, печатные платы, на которых собран усилитель, размещаются достаточно близко друг от друга, что приводит к самовозбуждению. Этот дефект легко устраняется тем, что одна из сторон, по крайней мере, одной из печатных плат, а точнее часть ее площади выполняет функцию экрана. В этом случае отпадает необходимость создавать в конструкции дополнительный экран в виде перегородки, усложняющей и утяжеляющей конструкцию.
В то же время с целью снижения массы и габаритов корпус датчика делается тонкостенным, а его прочность обеспечивается ребрами жесткости, в качестве которых служат плотно входящие в него печатные платы, внутренние короткие перегородки, ограничивающие расположение плат и формирующих посадочное место для чувствительного элемента.
1
2
Чувствительный элемент датчика собран на биморфе с параллельным соединением пьезокерамических пластин. Это позволяет, по сравнению с последовательным соединением, вдвое увеличить зарядовую чувствительность и в четыре раза увеличить C. Эти два обстоятельства особенно важны при ограниченном входном сопротивлении усилителя и при необходимости подключения дополнительной емкости увеличивающей С, поскольку при этом снижается ее необходимая величина, и реализуется зарядовая чувствительность биморфного чувствительного элемента. Будучи жестко заделан одним концом в окрестности одной из ограничительных перегородок, формирующих посадочное место для чувствительного элемента, путем заливки компаундом, такой биморф образует как одно целое с корпусом, что существенно снижает габариты и массу датчика.
Кроме того, заделка биморфа, герметизирующая место паек на нем и фиксирующая его в посадочном месте, являясь жесткой, служит дополнительным ребром жесткости корпуса, вместе с заливкой его выходных цепей, герметизирующей датчик в целом и фиксирующей в корпусе платы и выводы.
Полезная модель поясняется рисунками.
1
2
2
1
вх
На рис.1 приведена эквивалентная схема входной цепи сейсмодатчика, на который источник сигнала Е с последовательно соединенной емкостью С представляют эквивалентную схему чувствительного элемента, подключенного через резистор R к входу электронного блока обработки сигнала, представленного на эквивалентной схеме конденсатором С и резистором R, включенными параллельно. Элементы эквивалентной схемы формируют из источника сигнала Е, сигнал U, подаваемого непосредственно на вход электронного блока обработки сигналов.
На рис.2 приведен заявляемый сейсмодатчик в корпусе 1 (без крышки) из алюминиевого сплава, в котором в посадочном месте 2, образованном ограничительными перегородками 3, размещен ЧЭ изгибного типа консольного исполнения, образованный пьезокерамическим биморфом 4 параллельного соединения, жестко заделанным в посадочном месте 2 в окрестности одной из ограничительных перегородок 3 путем заливки 5, соединенный с входом электронного блока обработки сигнала, собранного на двух печатных платах 6.
На рис.3 приведен общий вид сейсмодатчика.
Пример реализации:
Была изготовлена партия малогабаритных сейсмодатчиков в количестве 24 шт. На рис.2 приведен эскиз компоновки датчика, на рис.3 его общий вид (фотография). В качестве материалов были использованы: алюминиевый сплав для корпуса, эпоксидный компаунд для заливки, двухсторонний стеклотекстолит для печатных плат.
Вводы разъема изготовлены из секции многоштырькового разъема PLS-40 (вилка), что позволяет легко соединять датчик с внешними цепями ответной частью (розеткой) того же разъема. Электронный блок представлял собой двухкаскадный усилитель на основе микросхемы INA-118. Чувствительный элемент был выполнен на базе биморфа из материала ЦТС-19 (горячепрессованного) с габаритами 12×6×0,5 мм. Коэффициент преобразования такого чувствительного элемента составил
15÷20 мВ/g при выходной емкости 10÷12 нФ. Аналогичный ему чувствительный элемент на основе биморфа из двух пьезокерамических дисков имел коэффициент преобразования 20 мВ/g при выходной емкости около 7 нФ (последовательное включение дисков, поскольку параллельное включение технологически крайне затруднено). При этом габариты его составили
⌀21×0,6 мм, с крепежными элементами (винт, шайбы, гайка), увеличивающими габариты по высоте до 5÷8 мм. Такие габариты выходили за максимальные габариты всего приведенного в примере реализации датчика.
Его основные электрофизические характеристики (типовые значения) составили:
диапазон рабочих частот, Гц,
0,5÷500;
коэффициент преобразования датчика, B/g,
20;
габариты (без выводов), мм,
15,5×16×10;
масса, г
не более 4.
Заявляемый малогабаритный сейсмодатчик прошел типовые испытания по утвержденной документации в лаборатории испытаний ОАО «НИИ «Элпа».
Результаты испытаний положительные.
Литература
1. В.Н.Некрасов, С.В.Сергеев
Сейсмические приборы, М., «Наука», 1990 г., с.180-188.
2. Коньков Е.В. и др.
Строительный мониторинг на базе пьезокерамических датчиков. Строительная орбита, 2, 2005 г., с.48-49.
3. Датчики теплофизических и механических параметров, справочник, М., «Радиотехника», 2000 г., с.408-415.
4. Там же, с.420.
5. Там же, с.428-429.
6. Там же с.408-428.
7. Там же с.471-473 (прототип).
8. А.С.418800.
9. Там же, что и [3], с.415-416.
10. А.Б.Давыдов, В.М.Фремд
Сейсмические приборы, 1985 г., вып.1, с.69-73 (прототип).
11. В.К.Казаков, В.М.Климашин
Международная научно-практическая конференция. Сборник докладов, Тверь, 2002 г., с.226-232.