Пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации
PIEZOELECTRIC RECEIVER OF LOW-FREQUENCY VIBRATION

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для регистрации сейсмических сигналов и вибрации объектов.
Известен пьезоэлектрический виброприемник по а.с. СССР 304447, G01H 3/06, содержащий консольно прикрепленную к основанию пластину, состоящую из двух пьезоэлементов, причем к основанию симметрично относительно первой пластины жестко прикреплена вторая пластина.
Известен пьезоэлектрический виброприемник по а.с. СССР 487312, G01H 1/04, содержащий две консольные пластины с попарно соединенными и согласно включенными пьезоэлементами, жестко и симметрично закрепленными к противоположным сторонам общего основания.
Общим недостатком обоих виброприемников является то, что при нахождении инерционной массы на конце упругой пластины из-за несимметричности конструкции проявляется влияние ротационной составляющей колебания и неравномерность деформации пластины пьезоэлемента.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является пьезоэлектрический изгибный преобразователь, приведенный в монографии Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры): монография - Ростов н/Д: Изд-во, ЮФУ, 2010, стр. 48-50, рис. 3.4 б) принятый за прототип.
На фиг. 1 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено:
1 – пьезоэлемент (пьезоэлектрический элемент);
2 – основание (опора);
3 – инерционная масса;
4 – упругая пластина;
– направление рабочей оси преобразователя;
+
– центры масс пьезоэлектрического элемента и инерционной массы соответственно;
– центр инерции преобразователя.
Преобразователь-прототип содержит основание 2, на котором консольно закреплена упругая пластина 4 с инерционной массой 3. На упругую пластину 4 наклеен пьезоэлемент 1 в зоне ее максимальных механических напряжений, возникающих при изгибе.
Функционирование устройства происходит следующим образом.
Внешнее механическое воздействие приводит к изгибу упругой пластины 4 и находящегося на ней пьезоэлемента 1, который вырабатывает заряд, регистрируемый соответствующим устройством. Для расширения рабочего диапазона в низкочастотную область необходимо увеличивать инерционную массу 3 и длину упругой пластины 4. Это не всегда представляется возможным, так как ведет к снижению ударопрочности изделия и увеличению доли ротационной составляющей при деформации пластины 4. Кроме того, при такой конструкции изгиб пьезоэлемента 1 неравномерный и часть его объема не участвует в выработке заряда.
При нахождении инерционной массы 3 на конце упругой пластины 4 из-за несимметричности конструкции проявляется влияние ротационной составляющей колебания и неравномерность деформации пластины 4 и изгиба пьезоэлемента 1, а также недостаточная ударопрочность, что является недостатком устройства-прототипа.
Задача предлагаемого технического устройства состоит в расширении рабочего диапазона в низкочастотную область и повышении чувствительности пьезоэлектрического приемника.
согласно изобретению
Для решения поставленной задачи в пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации, содержащий основание,на котором одним концом жестко закреплена упругая пластина с размещенными на ней пьезоэлектрическим элементом и инерционной массой, , введены, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент и, по меньшей мере, три инерционные массы, другой конец упругой пластины жестко закреплен на втором основании, при этом упругая пластина выполнена с пазами или с канавками, пьезоэлектрические элементы закреплены на упругой пластине в местах, содержащих направленные навстречу друг другу пазы или канавки; инерционные массы расположены между пьезоэлектрическими элементами напротив друг друга, а также между крайними пьезоэлектрическими элементами и основаниями с двух сторон упругой пластины соответственно, причем пьезоэлектрические элементы соединены или последовательно, или параллельно.
На фиг. 2 а) представлен общий вид предлагаемого устройства;
на фиг. 2 б) – участок приемника с канавками на упругой пластине 4 под пьезоэлементом 1;
на фиг. 3 а) – упругая пластина 4 с канавками;
на фиг. 3 б) – упругая пластина 4 с пазами.
На фигурах 2 а), б) – 3 а), б) приняты следующие обозначения:
1 – пьезоэлектрические элементы (пьезоэлементы);
2 – два основания;
3 – инерционные массы;
4 – упругая пластина.
Предлагаемый пьезоэлектрический приемник низкочастотной вибрации содержит два основания (опоры) 2, к которым прикреплена обеими концами упругая пластина 4. На упругой пластине 4 расположены пьезоэлектрические элементы 1 и распределенные по длине упругой пластины инерционные массы 3.
На упругой пластине 4 в местах расположения пьезоэлементов 1 выполнены канавки глубиной до 50% от толщины пластины или пазы, направленные навстречу друг другу и длиной до 40% от ширины пластины 4.
Канавки выполнены глубиной до 50% от её толщины, шириной от 0,1 мм до 0,5 мм.
Пьезоэлектрические элементы 1 в зависимости от решаемой задачи могут быть включены как последовательно, так и параллельно. Для повышения чувствительности по заряду пьезоэлектрические элементы 1 включаются параллельно, если по напряжению, то последовательно.
Функционирование предлагаемого устройства происходит следующим образом.
Внешнее механическое воздействие приводит к деформации упругой пластины 4 и изгибу расположенных на ней пьезоэлементов 1, электрический сигнал от которых регистрируется соответствующим устройством, например, аналого-цифровым преобразователем. Распределенные инерционные массы 3 и расположенные под пьезоэлектрическими элементами 1 пазы или канавки упругой пластины 4 способствуют ее равномерной деформации, повышая тем самым коэффициент электромеханической связи. Изменяя длину упругой пластины 4 и соответственно количество пьезоэлементов 1 и инерционных масс 3 на ней, можно сдвигать рабочую полосу частот в нужную область.
Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение рабочего диапазона в низкочастотную область и повышение чувствительности пьезоэлектрического приемника, а также повышение ударопрочности.
Источники информации
[1] SU 304447 инерционная масса закреплена на конце, неравномерность изгиба.
[2] SU 487312 инерционная масса закреплена на конце, неравномерность изгиба.
[3] RU 84977 низкая ударопрочность из-за отсутствия армирующей упругой пластины, и чувствительность в области низких частот.
[4] RU 2212736 низкая ударопрочность из-за отсутствия армирующей упругой пластины, и низкая чувствительность в области низких частот.
[5] Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры): монография - Ростов н/Д: Изд-во, ЮФУ, 2010 (прототип).