П’єзоелектричний акселерометр

Винахід належить до вимірювальної техніки, зокрема, до приладів для вимірювання лінійних прискорень та параметрів вібрацій. Відомий п'єзоелектричний акселерометр із фірмовою маркою "Delta Shear", що виготовляється фірмою "Bruel & Kjer" (Данія), який містить три п'єзоелемента, три інерційні маси, пружний елемент, стійку та підставу (див. Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители. Справочник по теории и эксплуатации, "Bruel & Kjer" 2850 Нэрум, Дания, 1987, рис.2.1 стр.16; рис. 2.5 стр.28). Недоліком цього акселерометра є порівняно невелика робоча чутливість, значна поперечна чутливість, а також порівняно вузький робочий діапазон частот. Відомий п'єзоелектричний акселерометр, що містить монолітний чутливий елемент із п'єзоелектричного матеріалу з аморфними та поляризованими зонами, а також з електродами, що нанесені на поверхню поляризованих зон чутливого елемента (див. Янчич В.В., Крамаров О.П., Кравцов Б.А. Монолитные пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи. У сб. "Пьезоэлектрические материалы и преобразователи", изд. Ростовского Университета, 1976, стр.161-163, див. також а.с. СРСР №472567. Б.И., 1975, №34). Недоліком цього акселерометра є порівняно складна конструкція, значна поперечна чутливість, а також порівняно вузький робочий діапазон частот. Відомий п'єзоелектричний акселерометр, що містить монолітний чутливий елемент у вигляді порожнистого п'єзоелектричного циліндра, поляризованого радіально, з двома електродами, які нанесені на циліндричні поверхні, який встановлений на підставу з циліндричним виступом (див. Патент України №46299А, G01P15/09, опубл. 15.05.2002, Бюл. №5). Недоліком цього акселерометра є порівняно вузький робочий діапазон частот. Вказаний акселерометр найбільш близький до того, який заявляється, по технічній сутності, і вибраний в якості прототипу. В основу винаходу поставлена задача удосконалення п'єзоелектричного акселерометра шляхом зміни місця розташування електродів, що дозволяє розширити робочий діапазон частот. Акселерометр, що пропонується містить монолітний чутливий елемент у вигляді порожнистого п'єзоелектричного циліндра, поляризованого радіально, з двома електродами, який встановлений на підставі з циліндричним виступом. Відмінність пропонованого акселерометра від прототипу полягає в тому, що електроди розташовані на торцевих поверхнях циліндра. Вказана відмінна ознака є необхідною і достатньою для досягнення технічного результату. Технічним результатом винаходу є розширення робочого діапазону частот. Винахід пояснюється кресленнями, де: на фіг.1 - показана конструкція акселерометра, що заявляється; на фіг.2 - показана амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) акселерометра, що заявляється; на додатку - показана АЧХ прототипу. Пропонований акселерометр містить монолітний чутливий елемент у вигляді порожнистого п'єзоелектричного циліндра 1, який поляризований радіальне з двома електродами 2 та 3, що нанесені на торцеві поверхні циліндра. П'єзоелектричний циліндр встановлений на підставі 4 з циліндричним виступом 5. Акселерометр працює таким чином. Під дією вимірюваного прискорення вздовж вісі п'єзоелектричного циліндра 1, області циліндра, що знаходяться поза підставою 4, прагнуть зміститися вздовж вісі, утворюючи механічні напруги. Це приводить до появи на електродах 2 та 3 електричних зарядів і, відповідно, електричної напруги, по величині якої можна судити про значення вимірюваного прискорення. Примітка. Принцип дії п'єзоелектричних акселерометрів є класикою і докладно описаний у підручниках, наприклад, у кн.: Электрические измерения неэлектрических величин, Л., Энергия, 1975, стр. 272-283. Розташування електродів на п'єзоелементі таким чином, як це показано на фіг. 1, приводить до того, що вектор напруженості електричного поля вихідного сигналу створює з вектором поляризації Р кут a = 90° . Це, як показали експерименти, приводить до збільшення власного опору п'єзоелемента перетворювача (внутрішнього тертя), за рахунок чого п'єзоелемент перетворюється в аперіодичний ланцюг. В результаті цього АЧХ, перетворювача, що заявляється (фіг.2), вирівнюється (зникає резонанс), а отже, розширюється робочий діапазон частот. Амплітудно-частотна характеристика для перетворювача за схемою прототипу має два резонанси (додаток). Приклад конкретного застосування. Був виготовлений акселерометр із циліндричним радіальне поляризованим п'єзоелементом із зовнішнім діаметром 15, внутрішнім - 5 та висотою 5мм із п'єзокераміки ЦТС-19. На торцеві поверхні циліндра були нанесені електроди. Для зняття АЧХ використовувався вимірювач амплітудно-частотних характеристик X1-46 з вихідною напругою генератора качаючих частот, рівною 1В. Вимірювання проводилося в діапазоні від 100 до 200кГц. Фотографування характеристик проводилося цифровою фотокамерою Canon Power Shot G2. З фіг. 2 та додатку видно, що в акселерометрі за схемою прототипу існує два резонанси (додаток). АЧХ акселерометра, що заявляється, практично лінійна (фіг.2), що говорить про розширення робочого діапазону частот.