ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СДВИГОВЫЙ ДАТЧИК АКСЕЛЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для измерения параметров механических колебаний объектов.
Акселерометры, в которых для определения параметров движения объекта применяется деформация сдвига пьезоэлементов, по сравнению с другими типами акселерометров, применяющими другие виды деформаций, например, сжатия или изгиба, известны (М. Серридж, Торбен Р. Лихт. Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители. Справочник по теории и эксплуатации. «Ларсен и сын». Глоструп, Дания, 1987 - 187 с).
Пьезоэлектрические сдвиговые датчики акселерометров обладают низким пироэлектрическим эффектом, заключающимся в реакции чувствительного элемента датчика на воздействие изменения температуры, в том числе скачкообразного, из-за симметричного изменения размеров составных элементов датчика как в основном вдоль его оси чувствительности, так и в перпендикулярном направлениях. Датчики обладают малой деформационной чувствительностью и могут изготавливаться малогабаритными с небольшими массами, что позволяет их использовать для диагностики на небольших по габаритам и массе подвижных объектах, таких как автомобили, двигатели, отдельные элементы самолетов и т.д.
Известен «Пьезоэлектрический датчик» RU 2289821, G01P 15/09, 20.12.2006, чувствительный элемент которого испытывает сдвиговую деформацию при механических нагрузках.
Известный датчик содержит основание в виде стакана с крышкой и закрепленные в стакане на его стенках коаксиально установленные кольцевой пьезоэлемент и инерционное тело. Основание и инерционное тело снабжены электрическими выводами, подключаемыми к блоку регистрации акселерометра.
Известный пьезоэлектрический датчик работает следующим образом.
Под воздействием вибрационного ускорения вдоль оси чувствительности датчика пьезоэлемент датчика, контактирующий с инерционным телом и стенками стакана-основания, испытывает деформацию сдвига, и на цилиндрических поверхностях пьезоэлемента образуется электрический заряд, величина которого пропорциональна величине воздействующего ускорения. Регистрация генерируемого заряда осуществляется через токовыводы, подключенные к основанию и инерционному телу.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, является влияние на выходной сигнал датчика дополнительного сигнала помехи, индуцированного внешними полями в основании датчика.
Известен также пьезоэлектрический сдвиговый датчик акселерометра («Акселерометр сдвигового типа» WO 9409373, G01P 15/09, 1994-04-28), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого устройства.
Известный пьезоэлектрический сдвиговый датчик акселерометра, содержит корпус и цилиндрическое основание с двумя симметрично расположенными стойками, поперечное сечение которых имеет форму сегментов круга. На каждой из плоских противолежащих сторон стоек установлены пьезоэлементы, между которыми размещено инерционное тело в форме параллелепипеда, противолежащие плоскости которого сопряжены с пьезоэлементами. Стойки по их цилиндрическим участкам охвачены зажимным кольцом. Основание и инерционное тело снабжены токовыводами, подключенными к электрическому разъему на боковой стенке корпуса.
Известный пьезоэлектрический датчик работает следующим образом.
Под воздействием вибрационного ускорения вдоль оси чувствительности датчика и возникающей при этом реакции инерционного тела на ускорение пьезоэлементы испытывают деформацию сдвига, и на их поверхностях образуется электрический заряд, величина которого пропорциональна величине воздействующего ускорения. Регистрация генерируемого заряда осуществляется через электрический разъем, подключенный с помощью токовыводов к основанию и инерционной массе.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, является влияние на выходной сигнал датчика дополнительного сигнала помехи, индуцированного внешними электромагнитными полями и/или внешними электрическими потенциалами в основании, корпусе датчика. Сигнал помехи, в том числе, может вызываться как от электромагнитного поля объекта измерения, так и от электрического контакта с ним и электрического контакта с имеющимся, как правило, экраном линии связи датчика с блоком регистрации акселерометра.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение точности измерения параметров механических колебаний объектов.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в исключении влияния на выходной сигнал датчика дополнительного сигнала помехи, индуцированного внешними электромагнитными полями и/или внешними электрическими потенциалами в основании или корпусе датчика, путем исключения электрического контакта пьезоэлементов с основанием и корпусом датчика.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в заявляемом пьезоэлектрическом сдвиговом датчике акселерометра, содержащем корпус, основание корпуса с двумя симметрично расположенными стойками, поперечное сечение которых имеет форму сегментов круга, установленные на каждой из плоских противолежащих сторон стоек пьезоэлементы, размещенное между ними инерционное тело в форме параллелепипеда, противолежащие плоскости которого сопряжены с пьезоэлементами, зажимное кольцо, сопрягаемое с цилиндрическими участками стоек, и токовыводы с гнездами разъема, в отличие от известного датчика пьезоэлементы снабжены электродами и электрически изолированы от стоек, однополярные стороны пьезоэлементов с электродами расположены симметрично относительно инерционного тела, а все однополярные электроды электрически соединены между собой и одновременно со своим токовыводом, при этом корпус датчика выполнен в виде сопряженного с основанием отрезка трубы с крышкой и установленными на крышке гнездами разъема токовыводов электродов пьезоэлементов, являющихся токовыводами датчика.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается также тем, что в заявляемом пьезоэлектрическом датчике пьезоэлементы выполнены в виде пакетов пьезопластин с электродами, однополярные стороны пьезопластин сопряжены через общий электрод и расположены симметрично относительно инерционного тела.
На фиг. 1 показан заявляемый пьезоэлектрический сдвиговый датчик с двумя пьезоэлементами, содержащими по одной пьезопластине с электродами; на фиг. 2 - вид его поперечного сечения; на фиг. 3 показан заявляемый пьезоэлектрический сдвиговый датчик с пьезоэлементами из двух пакетов, содержащих по две пьезопластины с электродами; на фиг. 4 - вид его поперечного сечения.
Пьезоэлектрический сдвиговый датчик акселерометра содержит (фиг. 1 и фиг. 2) цилиндрическое основание 1 с двумя симметрично расположенными стойками 2 и 3, поперечное сечение которых имеет форму сегментов круга. На каждой из плоских противолежащих сторон стоек 2 и 3 установлены на изоляционных прокладках 4 и 5 пьезоэлементы (пьезопластины) 6 и 7 с электродами на каждой из их поляризованных сторон (±)6 и (±)7, соответственно, на пьезоэлементе 6 - электроды 8(+6) и 9(-6), а на пьезоэлементе 7 - электроды 10(+7) и 11(-7).
Между пьезоэлементами 6 и 7 с электродами размещено инерционное тело 12. При этом однополярные стороны пьезоэлементов (±)6 и (±)7 с электродами, например, 8(+6) и 10(+7), ориентированы симметрично относительно инерционного тела 12.
На цилиндрические участки стоек 2 и 3 основания 1 установлено зажимное кольцо 13.
Все однополярные электроды 8(+6) и 10(+7), а также 9(-6) и 11 (-7) электрически соединены между собой и одновременно со своим токовыводом, соответственно, электроды 8(+6) и 10(+7) - с токовыводом 14(+), а электроды 9(-6) и 11(-7) - с токовыводом 15(-).
Для увеличения выходного сигнала датчика целесообразно пьезоэлементы 6 и 7 выполнять в виде двух пакетов, например, из двух пьезопластин со своими электродами в каждом пакете. Практически установлено, что может быть использовано до восьми пьезопластин в каждом пакете в зависимости от их толщины, однако возможное увеличение количества пьезопластин в пакете приводит при неизменных габаритах датчика к уменьшению толщины инерционного тела 12, уменьшению его массы и, как следствие, эффект от увеличения числа пьезопластин будет компенсирован, а конструкция датчика акселерометра и технология сборки существенно усложняются.
В этом случае каждый из пьезоэлементов 6 и 7 датчика выполнены в виде пакетов из двух пьезопластин со своими электродами (±): пьезоэлемент 6 выполнен в виде пакета пьезопластин 16 и 17, а пьезоэлемент 7 - в виде пакета из пьезопластин 18 и 19 (фиг. 3 и фиг. 4).
У датчика с такими пьезоэлементами смежные однополярные, например, с отрицательным потенциалом, стороны пакета пьезопластин (-)16 и (-)17 и стороны пакета пьезопластин (-)18 и (-)19, не смежные с размещенным между ними инерционным телом 20, сопряжены через общие электроды, соответственно, 21(-) и 22(-), расположены симметрично относительно инерционного тела 20, электрически соединены между собой и одновременно со своим токовыводом 23(-). Соответственно, электроды 24(+) и 25(+) сторон пьезопластин (+)16 и (+)17 с положительным потенциалом, а также электроды 26(+) и 27(+) сторон пьезопластин (+)18 и (+)19 с тем же положительным потенциалом электрически соединены между собой и одновременно со своим токовыводом 28(+).
Корпус датчика, образующий замкнутое экранированное внутреннее пространство вокруг чувствительного элемента, выполнен в виде сопряженного с основанием 1 отрезка трубы 29 и крышки 30 с установленными на ней гнездом разъема 31(+), соединенного с токовыводом 14(+) или 28(+), и гнездом разъема 32(-), соединенного с токовыводом 15(-) или 23(-). Оба разъема 31 (+) и 32(-) являются токовыводами датчика.
Пьезоэлектрический сдвиговый датчик акселерометра работает следующим образом.
При эксплуатации под воздействием вибрационного ускорения вдоль оси чувствительности датчика, сообщаемого ему объектом измерения, и возникающей при этом реакции инерционного тела на ускорение пьезоэлементы 6 и 7 испытывают деформацию сдвига, и на их изолированных от основания 1 поверхностях (±)6 и (±)7 генерируются соответствующие электрические заряды, величина которых пропорциональна величине воздействующего ускорения.
Электрические заряды снимают с поверхностей пьезоэлементов (±)6 и (±)7 с помощью электрически соединенных электродов 8(+6) - 10(+7) и 9(-6) - 11(-7) и через соединенные с ними, токовыводы, соответственно, 14(+) и 15(-), заряды поступают на разъемы 31(+6) и 32(-), подключаемые через, как правило, экранированную линию связи к блоку регистрации (на чертеже не показаны).
В процессе эксплуатации датчика как внешние электромагнитные поля так и электромагнитное поле объекта измерения совместно с его электрическим потенциалом создают свой электрический потенциал в основании 1, в корпусе датчика и в возможно имеющемся электропроводном протяженном экране линии связи датчика с блоком регистрации (на чертежах не показанных). Электрическое изолирование от основания 1 датчика пьезоэлементов 6 и 7 и их размещение в экранированном замкнутом пространстве исключает влияние внешних факторов, создающих сигналы помехи, на точность измерения параметров вибрации объекта.
Изготовление в замкнутом экранированном пространстве электрически изолированных пьезоэлементов 6 и 7 (фиг. 1 и фиг. 2), выполненных в виде пакетов пьезопластин (фиг. 3 и фиг. 4), например, из двух параллельно включенных поляризованными сторонами (±) пар пьезопластин: 16-17 и 18-19 со своими электродами 24(+) - 21(-) - 25(+) и 26(+) - 22(-) - 27(+) и соответствующими токовыводами 23(-) и 28(+), подключенных к разъемам 31(+) и 32(-), позволяет существенно увеличить выходной сигнал датчика, т.к. деформации сдвига подвергаются пакеты пьезопластин, каждая из которых генерирует свой заряд. Одновременно увеличиваются емкость датчика и его коэффициент преобразования с исключением влияния на выходной сигнал датчика дополнительного сигнала помехи, индуцированного внешними электромагнитными полями и/или внешними электрическими потенциалами в основании или корпусе датчика.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления полезной модели, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.