П’єзоелектричний акселерометр

1. П'єзоелектричний акселерометр, який містить монолітний чутливий елемент з п'єзокерамічного матеріалу з аморфними та поляризованими зонами, а також електродами, що нанесені на поверхню в поляризованих зонах чутливого елемен 32821 зовані зони виконані у вигляді об'ємних секторів однакового розміру і розміщені рівномірно по об'єму циліндра, число поляризованих секторів є парним, виступи на підставі виконані також у вигляді секторів і розміщені під поляризованими секторами. Крім того, у першому варіанті виконання електроді нанесені на торцях поляризованих секторів циліндра, а у другому - на циліндричних поверхнях цих секторів. Кожна з вказаних відмінних ознак є необхідною, а всі разом - достатніми для досягнення технічного результату. Експериментальне установлено (дивись приведений нижче приклад реалізації винаходу), що саме така форма виконання чутливого елемента, поляризованих зон та відступів на підставі їх розташування і кількість поляризованих секторів забезпечує збільшення чутливості. Винахід пояснюється кресленнями, де: - на фіг. 1 показаний варіант конструкції пропонуємого акселерометра з електродами на торцевих поверхнях циліндра; - на фіг. 2 - вид зверху акселерометра з електродами на торцевих поверхнях циліндра; - на фіг. 3 - варіант конструкції акселерометра з електродами на циліндричних поверхнях циліндра; - на фіг. 4 - вид зверху акселерометра з електродами на циліндричних поверхнях циліндра; - на фіг. 5,6 - конструкція підстави з чотирма виступами. Пропонуємий акселерометр (фіг. 1, 2 та фіг. 3, 4) містить монолітний чутливий елемент 1, виконаний у вигляді полого циліндра з п'єзокерамічного матеріалу з аморфними 2 та поляризованими Фіг. 3 зонами, а також електродами 4, які нанесені на поверхню поляризованих зон чутливого елемента. Поляризовані зони З виконані у вигляді об'ємних секторів однакового розміру і розміщені рівномірно по об'єму циліндра. Число цих секторів парне (в приватному випадку, на фіг. 1, 2 та фіг. 3, 4 показані чотири секторі, але можуть бути і два, шість, вісім і далі). Чутливий елемент встановлений на підставі 5, яка має виступи 6 також у вигляді секторів, які розміщені під поляризованими секторами. У першому варіанті виконання (фіг. 1, 2) електроди 4 нанесені на торцеві поверхні циліндричного чутливого елемента, а у другому (фіг. 3, 4) - на циліндричні. Поляризовані сектори 3 з'єднуються паралельно. На фіг. 5 показана конструкція підстави з чотирма виступами. Акселерометр працює наступним чином. Активною частиною чутливого елемента є поляризовані З сектори, а в якості інерційної маси аморфні 2 сектори циліндра. На виступи 6 на підставі 5 опираються поляризовані 3 сектори. Під впливом вимірювального прискорення вздовж вісі циліндра аморфні 2 сектори намагаються змісти тися відносно поляризованих З, утворюючи на межі між ними механічні напруги. Це призводить до появи на електродах поляризованих секторів електричних зарядів і, відповідно, електричної напруги, по величині якого можна робити висновки про вимірювальне прискорення. Примітка. Принцип дії п'єзоелектричних акселерометрів є класикою і докладно описан у підручниках, наприклад, у кн.: Электрические измерения неэлектрических величин. - Л.: Энергия, 1975. - С. 272-283. Під впливом поперечних прискорень (тобто під кутом до вісі циліндра) поляризовані і аморфні сектори з обох сторін вісі циліндра утворюють електричні заряди протилежного знака. Так як поляризовані сектори мають однакові розміри, кількість їх парна і з'єднані вони паралельно, ці заряди компенсуються. Таким чином вдалося зменшити поперечну чутливість. При розміщенні електродів 4 на торцевих поверхнях циліндра чутливість акселерометра залежить тільки від п'єзомодулю п'єзокерамічного матеріалу, що застосовується. При розміщенні електродів 4 на циліндричних поверхнях поляризованих секторів З чутливість акселерометра залежить від довжини циліндра і збільшується порівняно з попереднім випадком (див. Кудряшов Э. А. и др. Поперечные пьезоэлементы для датчиков силы и давления. Приборы и системы управления, 1989, № 9, стр. 9. Див. також аналог 2 - акселерометр фірми "Bruel & Kjer"). Приклад конкретного застосування. акселерометра з цилін1 Було виготовлено два з зовнішнім діаметром дричним п'єзоелементом 18, внутрішнім - 15 та висотою 15 мм з п'єзокераміки ЦТС-23. У першому випадку на торцеві поверхні циліндра було нанесено по 4 електрода у вигляді секторів з кутом 45°. У другому випадку електроди були нанесені на циліндричні поверхні об'ємних секторів з кутом 45°. Електроди у кожному випадку підключалися паралельно, а потім до підсилювача марки 2650 фірми "Bruel & Kjer". Акселерометри встановлювалися на вібростенд марки 4805 фірми "Bruel & Kjer" і підверглися впливу вібрації вздовж вісі циліндра та під кутом 90° до цієї вісі. Чутливість уздовж вісі для акселерометра з електродами на торцях - 1,1 мВ/g, (де g=9,81 м/с2 прискорення земного тяжіння), з електродами на циліндричній поверхні - 9,2 мВ/g. Поперечна чутливість для обох акселерометрів менше 0,1 мВ/g. Таким чином, поперечна чутливість для пропонуємого акселерометра значно зменшена, а чутливість уздовж вісі для варіанта з електродами на циліндричних поверхнях збільшена. Фіг. 2 2 32821 Фіг. 3 Фіг. 4 3 32821 Фіг. 5 Фіг. 6 4 32821 5 32821 _____________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6