ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
PIEZOELECTRIC SENSOR

Пьезоэлектрический датчик относится к измерительной технике и предназначен для определения параметров ударных и вибрационных ускорений, но также может быть использован при разработке пьезоэлектрических приборов для измерения динамических давлений и сил.
В настоящее время известны самые различные конструкции пьезоэлектрических датчиков, однако все они, обладая определенными достоинствами, не выполняют в полной мере поставленной изобретением задачи.
Известен пьезоэлектрический датчик, [патент РФ №2400760, под названием «Пьезоэлектрический акселерометр» MПK G01P 15/09, опуб. 27.09.2010 г.], содержащий корпус, во внутренней полости которого расположен пьезочувствительный элемент и инерционный элемент.
В варианте исполнения инерционный элемент выполнен из монокристаллического диэлектрика, при этом пьезочувствительный элемент и инерционный элемент соединены между собой параллельно, а их вектора поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности датчика и направлены в разные стороны, что позволяет повысить осевую чувствительность датчика, при сохранении его габаритов и массы.
33
Данное изобретение направлено на повышение осевой чувствительности устройства при сохранении его габаритов и массы. Но в данном изобретении в качестве материала пьезочувствительного элемента используется сегнетожесткая керамика ТНАВ (титанат натрия висмута) с малым значением пьезомодуля керамики d≈(7-22) пКл/Н, из-за чего значение коэффициента преобразования датчика остается небольшим, что снижает точность измерений ускорений при наличии высокого уровня помех. Также конструкция датчика выполнена по схеме «с поджатием» пьезочувствительного элемента к основанию корпуса, что оставляет возможность для проявления «ухода нуля» из-за проскальзывания пьезочувствительного и инерционного элементов при наличии поперечной составляющей ускорения или из-за относительно высокой деформационной чувствительности.
Известен пьезоэлектрический датчик, [патент РФ №2495438, под названием «Пьезоэлектрический датчик ударного ускорения», МПК G01Р 15/09, опуб. 0.10.2013 г.], содержащий корпус, во внутренней полости которого закреплена опора, имеющая выступы в средней части, равноудаленные от сторон корпуса, на каждом из которых закреплены при помощи промежуточного клеевого слоя пьезоэлемент и инерционный элемент, при этом геометрический центр опоры совпадает с геометрическим центром корпуса.
В варианте исполнения клеевой слой содержит клей, каучук и калиброванные проводящие частицы, в данный клеевой слой введен графит, содержание которого не превышает 10%, а калиброванные частицы выполнены размером 20-80 мкм, при этом содержание каучука в клеевом слое составляет не менее 60%.
33
-3
Изобретение направлено на увеличение коэффициента преобразования и демпфирующих свойств датчика. Но недостатком данного изобретения является использование пьезоэлемента из сегнетомягкой керамики (цирконат титанат свинца) ЦТС-19 (d≈330 пКл/Н; tgδ=28⋅10), что увеличивает нелинейность амплитудной характеристики датчика и деформационную чувствительность, снижает устойчивость к интенсивным механическим воздействиям и, соответственно, к «уходу нуля». Отсутствие встроенного механического фильтра не позволяет достичь дальнейшего повышения демпфирования «паразитных» высокочастотных колебаний, которые повышают зашумленность сигнала и могут привести к «уходу нуля». Титановый сплав для изготовления инерционного элемента имеет относительно низкую плотность, что означает уменьшенное значение коэффициента преобразования датчика.
Этот пьезоэлектрический датчик ударного ускорения рассматривается в качестве прототипа.
Задача, на решение которой направлено изобретение - создание пьезоэлектрического датчика, обеспечивающего необходимые точность и надежность измерения ударных и вибрационных ускорений.
Технический результат, получаемый при использовании данного изобретения - повышение надежности и точности измерения ударных и вибрационных ускорений.
Указанный технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике, содержащем корпус, во внутренней полости которого закреплена опора, имеющая выступы в средней части, равноудаленные от сторон корпуса, на каждом из которых закреплены при помощи промежуточного клеевого слоя пьезоэлемент и инерционный элемент, при этом геометрический центр опоры совпадает с геометрическим центром корпуса, согласно изобретению в месте закрепления опоры формируется механический фильтр из эластичного электропроводящего материала, толщина которого определяется нормированным размером частиц, входящих в состав клея, кроме того пьезоэлемент выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС (цирконат титанат свинца) с пористостью 15-60%, а инерционный элемент выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава, при этом пьезоэлемент и инерционный элемент закреплены при помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя, также в основании корпуса во внутренней полости, выполнен кольцевой антидеформационный вырез.
Формирование в конструкции пьезоэлектрического датчика механического фильтра из эластичного электропроводящего материала увеличивает демпфирование высокочастотных колебаний и уменьшает деформационную чувствительность датчика, что приводит к повышению устойчивости датчика к «уходу нуля» и повышению точности измерений. Использование пьезоэлемента, выполненного из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС, позволяет уменьшить нелинейность амплитудной характеристики, а также повысить устойчивость датчика к «уходу нуля». Использование пористой керамики приводит к увеличению ее сегнетожесткости и, соответственно, устойчивости к «уходу нуля». Использование вольфрама или вольфрамового сплава для инерционного элемента снижает механические напряжения в пьезоэлементе при изменении температуры, уменьшая коэффициент влияния температуры на коэффициент преобразования и вероятность «ухода нуля». Выполненный в конструкции кольцевой антидеформационный вырез является концентратором механических напряжений и дополнительно уменьшает деформационную чувствительность датчика и вероятность «ухода нуля» из-за деформации установочной поверхности.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 приведен продольный разрез пьезоэлектрического датчика.
На фиг. 2 - вид А, клей с нормированными частицами сформированного механического фильтра.
На фиг. 3-вид Б, выполненный кольцевой антидеформационный вырез.
Пьезоэлектрический датчик содержит корпус 1 с крышкой 2, пьезоэлементы 3 и инерционные элементы 4 (фиг. 1). В полости корпуса 1 закреплена опора 5 с помощью механического фильтра. Опора 5 в своей центральной части имеет выступы 6, которые равноудалены от стенок корпуса 1. При помощи эластичного электропроводящего клеевого слоя на выступах 6 с верхней и нижней стороны опоры 5 закреплены пьезоэлементы 3 и инерционные элементы 4. Пьезоэлемент 3 выполнен из сегнетожесткой пьезокерамики на основе ЦТС (цирконат титанат свинца) с пористостью 15-60% (предпочтительно 25-35%). Инерционный элемент 4 выполнен из вольфрама или вольфрамового сплава. В месте закрепления опоры 5 в корпусе 1 формируется механический фильтр 7, состоящий из эластичного электропроводящего материала. Толщина механического фильтра 7 определяется нормированным размером частиц 8. Частицы 8 входят в состав клея 9 (фиг. 2). В полости корпуса 1 ближе к основанию выполнен кольцевой антидеформационный вырез 10 (фиг. 3).
Пьезоэлектрический датчик работает следующим образом.
Пьезоэлектрический датчик устанавливают за нижнюю поверхность корпуса 1 на объект испытаний посредством клеевого соединения. Кабель пьезоэлектрического датчика подсоединяют к регистрирующей аппаратуре. Объект исследований подвергают испытаниям. При ускорении, действующем на объект испытаний вдоль основной оси пьезоэлектрического датчика по направлению от корпуса 1 к крышке 2, верхний пьезоэлемент 3 испытывает сжатие под действием «прижима» верхнего инерционного элемента 4 к опоре 5. При этом нижний пьезоэлемент 3 испытывает растяжение под действием «отрыва» нижнего инерционного элемента 4 от опоры 5. При данном движении пьезоэлементы 3 вырабатывают электрические заряды, которые суммируются и передаются посредством электропроводящих клеевых слоев, прилегающих к пьезоэлементам 3, на инерционные элементы 4, с них - на кабель пьезоэлектрического датчика, а затем на регистрирующую аппаратуру.
Механические напряжения в корпусе 1, возникающие при деформации поверхности объекта исследований, концентрируются на антидеформационном вырезе 10, тем самым снижая уровень деформации корпуса 1 в месте крепления опоры 5, и снижая уровень деформации пьезоэлемента 3. Дополнительное снижение уровня механических напряжений в опоре 5 и пьезоэлементе 3 обеспечивается релаксацией механических напряжений в эластичном материале механического фильтра 7. Также механический фильтр 7 обеспечивает демпфирование высокочастотных колебаний, приходящих на пьезоэлектрический датчик от объекта испытаний, и возбуждающихся в конструкции пьезоэлектрического датчика из-за высокочастотных ударных воздействий. Это снижает деформационную чувствительность и уровень высокочастотного шума пьезоэлектрического датчика, что повышает точность измерения ускорений из-за снижения влияния «паразитных» воздействий.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявляемый пьезоэлектрический датчик предназначен для использования в измерительной технике, а именно для определения параметров ударных и вибрационных ускорений;
для заявляемого пьезоэлектрического датчика в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;
заявляемый пьезоэлектрический датчик при его использовании способен обеспечить повышение точности и надежности измерения ударных и вибрационных ускорений.
Следовательно, заявляемый пьезоэлектрический датчик соответствует условию «промышленная применимость».