Пьезоэлектрический акселерометр

Пьезоэлектрический акселерометр
Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения виброускорения, виброскорости, и может быть использовано в автомобильной промышленности для измерения ускорения автомобиля в системе электронного управления двигателем.
Известен автомобильный пьезоэлектрический акселерометр, содержащий чувствительный пьезоэлемент, установленный на плате с радиоэлементами, которая в свою очередь с помощью винтовых соединений крепится к стойкам герметичного корпуса, одновременно выполняющего функцию электромагнитного экрана (GB 2 231 965 А, G 01 Р 15/09, 28.11.1990).
Недостатком конструкции данного устройства является погрешность измерения, обусловленная чувствительностью пьезоэлемента к механическим напряжениям, неизбежно возникающим при закреплении акселерометра на транспортном средстве или вследствие воздействия изменяющейся температуры. Это приводит к неконтролируемому изменению основных параметров пьезоэлемента: коэффициента преобразования и собственной емкости, что, в свою очередь, приводит к неконтролируемому изменению выходных параметров акселерометра.
Кроме того, при данной конструкции возможно возникновение паразитных резонансных колебаний, обусловленных использованием проводов для коммутации платы с выходным разъемом акселерометра.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является пьезоэлектрический акселерометр, содержащий металлическое основание с пьедесталом, на который через эластичную прокладку установлена плата с радиоэлементами и чувствительным пьезоэлементом биморфного типа, жестко закрепленным на плате, а также металлическую крышку и герметизирующий компаунд. (US 5 438 859, G 01 Р 15/09, 8.08.1995).
Однако данная конструкция не позволяет в полной мере исключить погрешность измерения, обусловленную чувствительностью выходных параметров пьезоэлемента, а, следовательно, и выходных параметров акселерометра, к неконтролируемым паразитным механическим напряжениям, возникающим при изготовлении, герметизации, закреплении акселерометра на контролируемом объекте или вследствие внешних воздействий, например, изменяющейся температуры.
Задачей изобретения является повышение точности измерения.
Поставленная задача решается тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем металлическое основание с пьедесталом, на который через эластичную прокладку установлена плата с радиоэлементами и чувствительным пьезоэлементом биморфного типа, а также металлическую крышку и герметизирующий компаунд, вместо
металлического основания применена нолая корпусная конструкция из стеклонаполненного полиамида с пьедесталом, расположенным на верхней части внутри корпуса.
Решению поставленной задачи способствует также то, что высота пьедестала выбирается равной или превышает толщину прилегаюш;ей к пьедесталу части корпуса.
При этом по периметру пьедестала в плоскости его вершины и по торцевой части располагается контактируюш;ая рамка из металла с выводом, перпендикулярным плоскости вершины пьедестала.
Причем плата с радиоэлементами и чувствительным пьезоэлементом биморфного типа устанавливается без эластичной прокладки непосредственно на вершину пьедестала.
Решению поставленной задачи способствует также то, что длина и ширина платы с радиоэлементами и чувствительным пьезоэлементом биморфного типа меньше длины и ширины пьедестала, но больше длины и ширины внутренних размеров контактируюп ;ей рамки в плоскости вершины пьедестала.
При этом контактирование платы с внешними устройствами осупдествляется с помош,ью контактных элементов, расположенных в теле корпуса акселерометра, образуюш;их выводы для пайки, расположенные перпендикулярно плоскости вершины пьедестала, и образующих разъем во внешней части корпуса.
(
На фиг.1 и фиг.2 представлена предложенная конструкция пьезоэлектрического акселерометра.
Устройство представляет собой полую корпусную конструкцию 1 из стеклонаполненного полиамида с пьедесталом 2, расположенным на верхней части внутри корпуса, на который установлена плата 3 с радиоэлементами и чувствительным пьезоэлементом биморфного типа 4, а также металлическую крышку 5 и герметизирующий компаунд 6. По периметру пьедестала 2 в плоскости его основания и по торцевой части располагается контактирующая рамка 7 из металла с выводом для пайки 8, перпендикулярным плоскости вершины пьедестала. В теле корпуса акселерометра 1, расположены контактные элементы 9, образующие выводы для пайки 10 и разъем 11 во внешней части корпуса.
В процессе работы на пьезоэлектрический акселерометр, включенный в систему электронного управления двигателем автомобиля, воздействуют виброускорения инерционных масс, что вызывает появление на электродах чувствительного пьезоэлемента биморфного типа 4 электрического заряда, пропорционального величине ускорения. Полученные электрические сигналы обрабатываются электрической схемой и поступают в блок регистрации (на рисунке не показан).
Представленная конструкция представляет собой законченное устройство с высоким уровнем герметичности, защищенное от
электромагнитных наводок и независимое от способов и условий крепления на контролируемом объекте.
При этом плата 3, выполненная из двухстороннего стеклотекстолита, вторая сторона которой играет роль электромагнитного экрана, жестко закрепляется на вершине пьедестала 2, например, методом термического осаждения фиксирующих штырей 12 из материала корпуса 1. Электрическое соединение платы 3 с контактными элементами 9, а также контактируюпдей рамки из металла 7 с экранирующим слоем платы 3 осуществляется пайкой выводов 10 и 8. Для окончательной экранировки металлическая крышка 5 фиксируется на контактирующей рамке из металла 7. Полная герметизация конструкции, придание ей монолитности и механической прочности осуществляется заливкой полости корпуса 1 герметизирующим компаундом 6.
Размещение платы 3 на пьедестале 2, высота которого выбирается равной или превышает толщину прилегающей к пьедесталу верхней части корпуса, позволяет существенно снизить чувствительность выходных параметров пьезоэлемента, а, следовательно, и выходных параметров акселерометра, к неконтролируемым паразитным механическим напряжениям. Это является следствием того, что, что деформация твердого тела существенно уменьшается с ростом площади сечения. Папример, деформация изгиба консоли обратно пропорциональна кубу ее толщины (С. П. Стрелков. Механика. М., Наука, 1975 г., стр. 318). В нашем случае
.0.14
деформация при переходе от прилегающей к пьедесталу части корпуса к пьедесталу 2, имеющему в 2 и более раз большую площадь сечения, существенно уменьшается, а, следовательно, существенно уменьшается и механическое напряжение, передающееся через плату 3 на чувствительный пьезоэлемент 4. При этом коэффициенты линейного расширения стеклонаполненного полиамида а  1 х 10, 1/°С (справочник под ред. В. М. Раскатова. Машиностроительные материалы. М., Машиностроение, 1980г., стр. 248) и стеклотекстолита а  0,8 х Ю , 1/°С (справочник под ред. Э. А. Сателя. Справочник машиностроителя. Том 6. М., Машгиз, 1956 г., стр. 342) близки между собой.
Это позволило отказаться от эластичной прокладки и жестко закрепить плату 3 на вершине пьедестала 2, что также повышает точность измерения ускорения.
Выбор размеров платы 3, больше длины и ширины внутренних размеров контактирующей рамки 7 в плоскости вершины пьедестала 2, но меньше длины и ширины пьедестала 2 позволяет исключить напряжения, обусловленные механическим воздействием на торцевые части печатной платы 3 через металлическую крышку 5.
Представленная конструкция акселерометра позволяет свести к минимуму воздействие на чувствительный пьезоэлемент паразитных механических напряжений, передаваемых ему через плату, и возникающих как при сборке и герметизации акселерометров, так и в процессе их
jumwm
установки и эксплуатации на автомобиле. Это позволяет повысить выход годных пьезоэлектрических акселерометров в процессе их производства, а также повысить точность измерений и надежность работы в процессе их эксплуатации.
1е52/1чГ