ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
THREE-COMPONENT DETECTOR OF MECHANICAL OSCILLATIONS

Изобретение относится к области конструирования измерительной техники, в частности к датчикам измерения параметров механических колебаний, работающим в широкой полосе частот, и может быть использовано для измерения параметров механических колебаний различных объектов в строительстве, машиностроении, сейсмо- и гидроакустике и т.д.
Известно, что для измерения параметров механических колебаний в настоящее время существуют различные датчики, отличающиеся способом преобразования определяемого параметра в измеряемый электрический сигнал. Так возможно измерение следующих параметров - деформации, колебательной скорости и колебательного ускорения.
Предлагаемый датчик относится к датчикам измерения колебательного ускорения.
Для измерения колебательного ускорения чаще других используются однокомпонентные пьезоэлектрические датчики, измеряющие проекцию вектора колебательного ускорения на измерительную ось датчика. Для того чтобы измерить величину и направление вектора колебательного ускорения, используют двухкомпонентные и трехкомпонентные пьезоэлектрические датчики, объединенные в одном корпусе. Такие датчики имеют два или три чувствительных элемента, которые позволяют определить направление вектора колебательного ускорения в плоскости (два чувствительных элемента) или в пространстве (три чувствительных элемента в трех ортогональных плоскостях).
Для получения достоверных измерений эти чувствительные элементы должны находиться физически, электрически и пространственно близко друг к другу (оптимальное расположение - в одной точке), а корпус, на котором размещаются чувствительные элементы, должен быть выполнен из однородного материала.
Именно эту задачу решает предложенный в данном изобретении трехкомпонентный датчик колебательного ускорения.
Известен трехкомпонентный пьезоэлектрический виброаксельрометр с одним чувствительным элементом, приведенный в патенте RU 2229136 С1. В патенте описан датчик с одним пьезоэлементом, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда. В этом устройстве все шесть граней пьезоэлемента покрыты тонким слоем металла, а между собой грани электрически разомкнуты. Пьезоэлемент жестко закреплен на подложке датчика и имеет инерционную массу - пластину, расположенную на верхней грани прямоугольного параллелепипеда. При таком способе крепления пьезоэлемента возможны лишь три вида деформации: растяжение-сжатие вдоль полярной оси Z, сдвиг в плоскости XZ и сдвиг в плоскости YZ, что приводит к возникновению для каждой из них зарядов только на двух противоположных гранях прямоугольного параллелепипеда в соответствии с матрицей пьезомодулей. Однако данное устройство имеет ограничения, так как матрица пьезомодулей обеспечивает отсутствие поперечной чувствительности по всем трем осям X, Y, Z только теоретически, т.е. в случае, когда пьезоэлемент находится в механически свободном состоянии, а также в случае, когда по всему объему и поверхности пьезоэлемента механические напряжения являются однородными. В реальной конструкции в пьезоэлементе возникают локальные механические напряжения из-за крепления его к подложке, из-за наличия элементов съема заряда с поверхности граней, из-за качества электропроводного слоя. Матрица пьезомодулей кристалла, находящегося в механически неоднородном напряженном состоянии, изменяет свой вид - становятся не равными нулю те компоненты тензора (и, следовательно, матрицы), которые обуславливают наличие поперечной чувствительности. Особенно сильно это проявляется для боковых граней прямоугольного параллелепипеда, так как они используют сдвиг в плоскостях XZ и YZ. Если локальные напряжения достаточно велики, то поперечная чувствительность может достигать 30-50% и более, несмотря на то, что пьезоэлемент кристалла в свободном состоянии описывается соответствующей идеальной матрицей.
Для решения данной проблемы требуется создание специальной конструкции, которая обеспечила бы однородность возникающих в пьезоэлементе механических напряжений, т.е. чтобы они были одинаковыми по всему объему и поверхности кристалла.
Известно устройство по патенту ЕР 0869367 А1. Данное устройство представляет собой трехкомпонентный виброаксельрометр, содержащий опорную базу, в которой имеется углубление в форме дупла, в центре которого расположен в подвешенном состоянии инерционный элемент (вес), и гибкие пластины, часть которых выполнена из пьезокерамического материала. Инерционный элемент (вес) удерживается в центре дупла с помощью пластин, которые одним концом соединены с опорной базой, а вторым концом с висящим инерционным элементом (весом) Когда датчик воспринимает вибрацию, инерционный элемент оказывает усилие в направлении, противоположном вектору виброускорения. В результате гибкая пластина расширяется в горизонтальном направлении между весом и опорной базой и деформируется усилием веса. В зависимости от направления и суммы деформации в соответствующих пьезоэлектрических элементах, расположенных на гибких пластинах, могут быть сгенерированы электрические сигналы. Обнаруживая эти сигналы, возможно выполнить трехмерное измерение вектора виброускорения.
Однако в данном устройстве требуется, чтобы гибкая пластина имела высокую гибкость для получения достаточной чувствительности. С другой стороны, инерционный элемент (вес) и опорная база должны иметь высокую прочность и низкую гибкость. Для удовлетворения этих противоположных свойств необходимо собирать устройство из разных деталей и материалов.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является устройство, описанное в Японском патенте JP 57139664. Аналог представляет собой датчик механических колебаний, измеряющий виброускорение. Датчик содержит корпус с расположенными внутри него пьезоэлектрическими чувствительными элементами, выполненными в форме пластин. Пластины одним концом прикреплены консольным способом к вертикальной внутренней поверхности корпуса датчика. Таким образом, все пластины (их может быть две или три) располагаются в горизонтальной плоскости, а угол между двумя рабочими пластинами в базовом датчике составляет 90 градусов. Для возможности изменения угла между рабочими пластинами может использоваться третья пластина. Когда вибрация воспринимается датчиком, на чувствительных элементах возникает механическое напряжение, пропорциональное принимаемому воздействию. Использование двух рабочих чувствительных элементов, расположенных ортогонально друг к другу, дает возможность измерять параметры вектора виброускорения в плоскости.
Однако это устройство не может быть использовано для измерения вектора виброускорения в любом направлении относительно датчика, что может быть выполнено с помощью предлагаемого изобретения.
Предлагаемое изобретение решает техническую задачу создания устройства для измерения параметров механических колебаний, а именно величины и направления трехмерного вектора колебательного ускорения в широкой полосе частот, имеющего малые размеры и однородный корпус, на котором закреплены расположенные близко друг к другу чувствительные элементы, что позволяет получить более точные измерения.
Техническое решение поставленной задачи заключается в том, что предлагаемое устройство (датчик трехмерного вектора колебательного ускорения) содержит три чувствительных элемента в виде пьезоэлектрических или биморфных пластин, жестко закрепленных на корпусе, который жестко закреплен на базовом основании и закрыт колпачком. Корпус датчика выполнен в форме трехгранной пирамиды с тремя ортогональными плоскостями, на каждой из которых консольно закреплены по одному пьезоэлектрическому чувствительному элементу. Пьезоэлектрические или биморфные чувствительные элементы в виде пластин через электроды соединены с проводами, идущими к приборам тракта приема и обработки информации. Датчик работает в широкой полосе частот, при этом рабочая частота датчика определяется геометрической формой пластин (чувствительных элементов) и упругими свойствами используемых материалов.
Техническим результатом осуществления изобретения является создание трехкомпонентного датчика колебательного ускорения, работающего в широкой полосе частот и позволяющего измерять величину и направление вектора колебательного ускорения в любом направлении относительно датчика, имеющего малые размеры и однородный корпус, на котором закреплены близко расположенные друг к другу чувствительные элементы, что позволяет получать более точные измерения.
Такой результат может быть достигнут, так как измерения вектора колебательного ускорения проводятся в трех ортогональных плоскостях на близко расположенных друг к другу пьезоэлектрических чувствительных элементах, закрепленных на однородном корпусе датчика и закрытых колпачком.
Механические колебания через базовое основание воздействуют на корпус датчика и вызывают механические напряжения в пьезоэлектрических чувствительных элементах, которые преобразуются в электрические сигналы и передаются через электроды и провода к приборам тракта приема и обработки информации.
Таким образом, предложенная конструкция датчика обеспечивает решение поставленной задачи - измерение и определение направления вектора колебательного ускорения в любом направлении относительно датчика.
Из сравнения аналога и предлагаемого датчика следует, что общими существенными признаками являются: содержание в устройствах корпуса, к которому прикреплены чувствительные пьезоэлектрические элементы в форме пластин, реагирующие на параметры механических колебаний корпуса, электроды и провода для снятия и передачи электрических сигналов на приборы обработки информации, а отличительные существенные признаки заключаются в том, что в предлагаемом устройстве содержится три чувствительных элемента в виде пьезоэлектрических или биморфных пластин, жестко закрепленных на корпусе, который жестко закреплен на базовом основании и закрыт колпачком, где корпус выполнен в форме трехгранной пирамиды с тремя ортогональными плоскостями, на каждой из которых консольным образом закреплены по одному чувствительному элементу.
Предлагаемое устройство обладает новизной, так как заявители не нашли подтверждения применения такого же устройства по такому же назначению.
Заявителям не известны технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого устройства, поэтому мы считаем, что заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемое изобретение может широко использоваться для измерения параметров механических колебаний различных объектов в строительстве, машиностроении, сейсмо- и гидроакустике и т.п., поэтому данное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется фиг.1-3, где схематично изображено предлагаемое устройство - трехкомпонентный датчик механических колебаний.
На фиг.1 представлено схематическое изображение датчика, вид сбоку.
На фиг.2 показан вид устройства сверху.
На фиг.3 представлено схематическое изображение механизма преобразования чувствительными элементами механических колебаний в электрические сигналы для одного чувствительного элемента.
На фиг.1-3 общее обозначение: 1 базовое основание, 2 колпачок, 3 корпус, 4 чувствительные элементы, 5 провода, 6 электроды, 7 ортогональные плоскости корпуса в форме пирамиды.
Конструкция датчика содержит корпус 3, к которому прикреплены чувствительные элементы 4, электроды 6 и провода 5. Корпус 3 закреплен на базовом основании 1 и закрыт колпачком 2. Базовое основание может иметь форму круга или квадрата. На фиг.1-2 показано квадратное базовое основание 1. Корпус 3 устройства выполнен в форме трехгранной пирамиды с тремя ортогональными плоскостями 7.
Работа трехкомпонентного датчика осуществляется следующим образом. Базовое основание 1 может жестко закрепляться на объекте, испытывающем механические колебания, с помощью шпильки или клея. Механические колебания через базовое основание 1 воспринимаются корпусом датчика 3 и вызывают механические напряжения в пьезоэлектрических или биморфных чувствительных элементах 4 (свободные концы чувствительных элементов начинают изгибаться), которые преобразуются в электрические сигналы и с помощью электродов 6 передаются по проводам 5 на приборы тракта приема и обработки информации. С помощью трех ортогональных плоскостей вектор колебательного ускорения раскладывается на три ортогональные компоненты, измерение которых позволяет получить значение и направление этого вектора в любом направлении относительно датчика. Следовательно, предложенная конструкция датчика обеспечивает решение задачи измерения и определения направления вектора колебательного ускорения в любом направлении относительно датчика.