ДАТЧИК УДАРНОГО УСКОРЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к средствам контроля параметров движения, а именно к датчикам ударного ускорения, предназначенным воспринимать действие ускорения в определенном направлении в пространстве.
В датчиках ударного ускорения в качестве чувствительных элементов используют пьезокерамические биморфные элементы. Известен датчик, содержащий биморфный пьезоэлемент в форме пластины с нанесенными на нее электродами и корпус [1]. Концевые участки пластины закреплены в противоположных стенках корпуса, а в средней части пластины, сверху и снизу, прикреплены элементы массы.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является датчик, состоящий из биморфного пьезоэлемента в форме пластины с нанесенными на нее электродами и корпуса, в противоположных стенках которого закреплены концевые участки пьезоэлемента [2]. В этом датчике инерционную функцию выполняет масса самого пьезоэлемента. Направления поляризации в двух элементах биморфа перпендикулярны электродам, но противоположны по знаку с тем, чтобы можно было использовать наружные электроды в качестве сигнальных.
Концевое закрепление пьезоэлемента имеет важное значение, так как благодаря ему указанные датчики невосприимчивы к действию ускорения в направлениях, параллельных плоскости электродов. В то же время имеется и существенный недостаток, который заключается в следующем. В силу концевого закрепления пьезоэлемента изгибная деформация дважды меняет знак вдоль длины. Если в средней части изгиб положителен, то на участках, прилегающих к местам закрепления, он отрицателен. Это приводит к тому, что происходит частичная компенсация зарядов, выступающих на электродах, и понижение чувствительности.
Целью настоящей полезной модели является разработка конструкции датчика ударного ускорения с повышенной чувствительностью за счет исключения возможности появления компенсирующих зарядов по всей длине пьезоэлемента.
Поставленная цель достигается тем, что в датчике ударного ускорения, состоящем из биморфного пьзоэлемента в форме пластины с нанесенными на нее электродами и корпуса, в противоположных стенках которого закреплены концевые участки, биморфный пьезоэлемент выполнен так, что направления поляризации в его средней части противоположны тем, которые созданы вблизи мест закрепления.
Во втором варианте полезной модели пьезоэлемент выполнен мономорфным с направлением поляризации, параллельным его длине, один из электродов выполнен сплошным, а во втором электроде предусмотрен зазор в середине пластины.
В третьем варианте полезной модели электроды мономорфного пьезоэлемента выполнены сплошными, а направления поляризации справа и слева от середины пластины противоположны.
В дальнейшем полезная модель поясняется примерами ее выполнения со ссылками на чертежи. На фиг.1, 2, 3 представлены схематические изображения пьезоэлементов датчика для вариантов 1, 2, 3 полезной модели соответственно. Пьезоэлементы изображены в деформированном состоянии при условии действия ускорения снизу вверх. Стрелками показаны направления поляризации. На фиг.4 представлена схема датчика.
На фиг.1 показан биморфный пьезоэлемент в виде пластины с нанесенными на нее электродами. Вертикальные пунктирные линии разделяют пластину по длине на три участка с противоположными знаками изгиба. Соответственно этому направления поляризации средней части, между пунктирными линиями, отличаются по знаку от тех, которые созданы на двух участках между местами закрепления и пунктирными линиями.
На фиг.2 изображен мономорфный пьезоэлемент с направлением поляризации вдоль длины. Пьзоэлемент на одной из поверхностей имеет сплошное электродное покрытие, а на второй поверхности электрод имеет зазор, делящий его на две половины, являющиеся сигнальными. На схеме выделен участок abсd сечения пьезоэлемента между двумя пунктирными линиями с тем, чтобы показать наличие сдвиговой деформации. Принцип действия датчика основан на том, что деформации изгиба сопутствует сдвиговая деформация. Такая деформация при
условии, что вектор поляризации параллелен электродам, приводит к возникновению на верхнем и нижнем электродах зарядов противоположных знаков. В правой части пьезоэлемента, где углы сдвига меняются на противоположные, меняются и знаки зарядов. В данном конструктивном варианте имеет место последовательное соединение двух одинаковых источников сигналов.
На фиг.3 представлена схема мономорфного пьезоэлемента, электроды которого выполнены сплошными (неразделенными). На схеме пунктирная линия разделяет пьезоэлемент на две половины с противоположными углами сдвига и противоположными направлениями поляризации. Вследствие того, что в правой и левой половинах пьезоэлемента противоположны как угол сдвига, так и направление поляризации, наводимый заряд в пределах всей поверхности каждого из электродов имеет один знак.
В качестве примера конкретного исполнения датчика достаточно взять один из трех вариантов технического решения, так как конструктивно они будут отличаться лишь исполнением пьезоэлемента. На фиг.4 изображена схема датчика, в котором используется пьезоэлемент 1 по третьему варианту исполнения. Этот пьезоэлемент изготовлен путем распиловки пьезокерамической заготовки, которая, в свою очередь, склеена из двух частей, с тем, чтобы получить противоположные направления полярных осей в правой и левой половинах пьезоэлемента. Пьезоэлемент заключен в керамический корпус, состоящий из четырех элементов, склеенных между собой и с концевыми участками пьезокерамической пластины. Два одинаковых элемента 2, имеющие ширину, равную ширине пьезоэлемента, приклеены своими выступами к концевым участкам пьезоэлемента. Боковые элементы 3 имеют с внутренней стороны углубления вдоль боковых граней и обеспечивают свободу движений пьезоэлемента. Штриховкой показаны металлизированные участки поверхности корпуса, предназначенные для съема сигнала. Верхний и нижний электроды пьезоэлемента имеют выход на торцевую грань для обеспечения электрического контакта с металлом наружного покрытия.
Нуждается в пояснении выполнимость создания структуры направлений поляризации биморфного пьезоэлемента на фиг.1. Наружные электроды предварительно выполняются с зазорами по два сверху и снизу на участках
перегиба. Источник поляризующего напряжения одним полюсом подключается к среднему верхнему электроду, а другим полюсом - к двум крайним нижним электродам. Затем биморфный пьезоэлемент переворачивается и процесс повторяется. Затем проводится повторная металлизация для восстановления полного покрытия.
Изображенный на рисунке датчик ориентирован таким образом, что он будет выдавать электрический сигнал при наличии составляющей ускорения вдоль вертикальной оси. Только в этом случае пьезоэлемент, в силу своей инерции, будет испытывать изгибную деформацию. Для направления воздействий, перпендикулярных вертикальной оси, отсутствует механизм преобразования ускорения в электрический сигнал и чувствительность будет равна нулю.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Авторское свидетельство СССР №1075170 А, G 01 P 15/09, 1984.
2. Патент ФРГ №19738358, G 01 P 15/00, G 01 P 15/09, 1998.