АКСЕЛЕРОМЕТР
ACCELEROMETER

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано в других областях науки и техники, в которых применяются датчики ускорения.
Известен широкий круг устройств, работающих на основе датчиков, преобразующих ускорение в электрический сигнал, которые в зависимости от назначения, условий эксплуатации, технических требований к характеристикам и других показателей называют геофонами, сейсмодатчиками, вибродатчиками, датчиками удара и т.д.
В большинстве этих устройств чувствительный элемент реагирует на ускорение, поэтому они могут быть причислены к классу устройств, называемых акселерометрами [1].
В рамках данной заявки под акселерометрами понимают прежде всего датчики, преобразующие ускорение в пропорциональный ему электрический сигнал, например сейсмодатчики (сейсмоприемники) [2].
Весьма широкое применение в конструкции акселерометров нашли пьезоэлектрические преобразователи, в основном пьезокерамические, работающие на прямом пьезоэффекте [3].
Акселерометры-сейсмодатчики могут быть исполнены в виде одно-, двух- и трехкоординатных вариантах. Иногда их называют одно-, двух- и трехкомпонентными датчиками. В рамках материалов заявки используется термин «координатные».
Известен трехкоординатный сейсмодатчик СД-1 [4] (фиг. 1), состоящий из трех каналов, соответствующих трем координатам, каждый из которых содержит совокупность электронных блоков:
- чувствительный элемент (ЧЭ) 1 - преобразователь ускорения в пропорциональный ему электрический сигнал и ориентированный осью чувствительности по присвоенной ему координате;
- блок обработки электрического сигнала и подачи его на выход акселерометра 2, собранный на одной общей плате с остальными блоками, размещенной и механически закрепленной в пылевлагозащищенном, электрически заземленном металлическом корпусе размером 60×90×90 мм.
Устройство работает следующим образом. При воздействии ускорения на ЧЭ - пьезокерамическую консол - он реагирует на него за счет прямого пьезоэффекта генерацией электрического заряда, пропорционального этому воздействию. Этот сигнал, будучи обработан последующими электронными блоками, подается на выход устройства.
К недостаткам устройства следует отнести:
1. Полная зависимость от электрического напряжения внешнего (первичного) двухполярного источника питания.
2. Большие габариты.
3. Низкая надежность изготовления акселерометра из-за размещения электронных блоков на одной общей для всех координат плате (например, при выходе из строя одного из каналов автоматически бракуются и все остальные).
4. Фиксированный коэффициент преобразования, например, равный 100 B/g.
Наиболее близким к заявляемому устройству является сейсмодатчик СД-1Э [5] уменьшенных габаритов (фиг. 2), состоящий из трех каналов, соответствующих трем координатам, каждый из которых содержит совокупность электронных блоков:
- ЧЭ уменьшенных габаритов - 1;
- блок обработки электрического сигнала и подачи его на выход акселерометра - 2, собранный на одной общей с остальными блоками плате;
- вторичный источник питания, адаптируемый под разные уровни электрического напряжения первичного источника питания, обеспечивающий стабилизированное двухфазное питание ±5 В, при однополярном питании от внешнего источника 6÷24 В.
Основным достоинством такого устройства является уменьшение габаритов ЧЭ путем оптимизации его конструкции, что позволяет уменьшить габариты самого сейсмодатчика, а также введение в его конструкцию вторичного источника питания, преобразующего однополярное питание от реальных, например бортовых, источников 6÷24 В, не пригодное для сейсмодатчика, в двухполярное, стабилизированное ±5 В, пригодное для сейсмодатчика.
Принцип работы СД-1Э не отличается от принципа работы СД-1.
К недостаткам СД-1Э следует отнести:
1. Низкая надежность изготовления СД-1Э из-за размещения электронных блоков на одной общей для всех координат плате.
2. Конструктивное ограничение дальнейшей миниатюризации изделия в силу возможности возникновения паразитных электрических связей между каналами.
3. Требование к завышенной точности выполнения технологических операций при изготовлении СД-1Э, поскольку каждый из каналов по техническим характеристикам должен быть максимально приближен к остальным каналам.
4. Фиксированный коэффициент преобразования, например, равный 100 B/g.
Эти недостатки снижают надежность конструкции, повышают трудоемкость изготовления изделия, повышают цену изделия, снижают возможность уменьшения его габаритов и по совокупности сужают область его применимости.
Задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является достижение технического результата в виде повышения технологичности конструкции и процесса изготовления акселерометра, а также его унификации.
Поставленная задача решается в конструкции акселерометра, состоящего из n каналов, соответствующих n координатам (n=1÷3), каждый из которых содержит совокупность электронных блоков: чувствительный элемент, ориентированный осью чувствительности по присвоенной ему координате; блок обработки электрического сигнала и подачи его на выход акселерометра; вторичный блок питания для каждого из блоков обработки электрического сигнала, механически закрепленных внутри пылевлагозащищенного корпуса и содержащего совокупность электронных блоков для каждого из каналов, которые выполнены на основе заготовки однокоординатного малогабаритного акселерометра в отдельном пылевлагозащищенном корпусе. Кроме того, чувствительный элемент может быть изготовлен на основе пьезокерамики, может быть ориентирован осью чувствительности по присвоенной ему координате в прямоугольной (декартовой) системе координат. Также заготовка акселерометра может быть получена после операции установки в нее вторичного источника питания и может быть размещена в токопроводящем заземленном корпусе.
Эффективность такого решения обусловлена тем, как показала практика, что усовершенствование конструкции отдельного однокоординатного акселерометра как в части его массогабаритных показателей, так и в части его технических характеристик технологичности, более перспективно и результативно, чем для двух- и трехкоординатных его конструкций, и поэтому двух- и трехкоординатный акселерометр может быть эффективно усовершенствован путем использования простой комбинации усовершенствованных однокоординатных датчиков, а чаще их заготовок [4], получаемых на последних операциях изготовления. Такова, например, заготовка малогабаритного сейсмодатчика СД-2Э [6] (фиг. 3), в котором используется ЧЭ, изготовленный на основе пьезокерамики, представляющая собой почти законченную конструкцию в частности, содержащую вторичный источник питания, заключенную в токопроводящий экранирующий корпус, в которой не установлены жесткие выводы, а вместо них установлены гибкие выводы и с целью уменьшения габаритов осуществлены операции, обеспечивающие пылевлагозащищенность заготовки. В ходе разработки СД-2Э предусматривалась возможность такого использования его заготовок. Подобное направление процесса разработки ведет к унификации заготовок и повышению технологичности самих разработок. Возникающая при этом возможность сортировки заготовок по параметрам, определяющим параметры конечного изделия, позволяет упростить операцию идентификации каналов, а наличие проводящих корпусов, выполняющих роль промежуточных заготовок, и их пылевлагозащищенности при их размещении в общем основном проводящем корпусе, с последующей операцией создания общей в нем пылевлагозащищенности существенно повышают надежность изделия.
В то же время уменьшение массогабаритных показателей однокоординатного датчика, а с ним и его заготовки, например, за счет уменьшения при этом толщины стенок корпуса, ведут к росту его чувствительности к паразитным воздействиям на него резких перепадов температуры (пироэффект) и воздушных потоков (например, конвекционных или обычный ветер). Размещение такого датчика или его заготовки в основной корпус существенно снижает этот нежелательный эффект. В конечном итоге это ведет к унификации и технологичности изделия.
На фиг. 1 изображен сейсмодатчик СД-1.
На фиг. 2 изображен сейсмодатчик СД-1Э.
На фиг. 3 показаны заготовки малогабаритного сейсмодатчика СД-2Э.
На фиг. 4 представлена фотография макетного образца предлагаемого акселерометра.
Устройство опробовано на предприятии. На фиг. 4 приведен собранный в корпусе от СД-1Э макетный образец трехкоординатного модернизированного акселерометра-сейсмодатчика на базе заготовок СД-2Э 1, с установленными в них вторичными источниками питания, в соответствии с технологией изготовления, в количестве 3 шт., ориентированных осью чувствительности по координатам X, Y, Z в прямоугольной системе координат. Было изготовлено 3 экземпляра таких макетов, для чего были отсортированы 3 группы заготовок по 3 шт., максимально близких по параметрам в каждой группе, из 10 шт., изготовленных по документации на СД-2Э. Это позволило избежать операции дополнительной подгонки каждого из трех каналов с целью создания их идентичности по электрофизическим параметрам.
Как было установлено в ходе экспериментальных исследований, при больших уровнях чувствительности датчики СД-2Э, а также их заготовки, имеют источник дополнительной нестабильности выходного сигнала в виде их реакции на конвекционные потоки за счет пироэффекта и механического воздействия воздушного потока на корпус датчика. При прикрытии СД-2Э лоскутом ткани этот эффект практически устраняется. Он также устранялся после установки заготовок в общий корпус от СД-1Э. Последнее обстоятельство позволило рассматривать как вариант конструкцию и однокоординатного акселерометра-сейсмодатчика, создаваемую путем установки одной заготовки СД-2Э в корпусе СД-1Э, т.е. возможность на одной и той же базовой конструкции и технологии создавать n-координатные акселерометры при n=1, 2, 3.
Наличие двойной пылевлагозащищенности (первая - корпус каждой из заготовок, вторая - корпус всего устройства) существенно повышает надежность изделия.
Предварительный анализ технико-экономических показателей, в частности трудоемкости и себестоимости показал явный рост технологичности изделий и уменьшение их себестоимости, при использовании данных технических решений.
Предварительные исследовательские испытания показали, что макетные образцы трехкоординатного сейсмодатчика, собранные на основе данных технических решений, имеют технические показатели не хуже, а по некоторым показателям и лучше, чем изделия СД-1Э и их аналоги, а по технико-экономическим показателям их превосходят.
Литература
1. wikipedia.org//акселерометр.
2. zetlab.ru//сейсмоприемники.
3. B.B. Янчич. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры). Ростов-на-Дону, ЮФУ, 2010 г., 304 с.
4.www.elpapiezo/ru/geofon.shtml.
5. elpapiezo.ru/сейсмодатчик СД-1Э.
6. elpapiezo.ru/сейсмодатчик СД-2Э.