Малогабаритный высокочувствительный датчик ускорений

Датчик может быть использован для измерения ускорений различных машин и механизмов с высокой точностью. Датчик содержит основание, на котором размещены пьезочувствительный элемент (ПЧЭ) и груз. Между ПЧЭ и основанием и ПЧЭ и грузом установлены распределительные вставки из материала с большим модулем упругости так, что контуры их сечения полностью покрывают контуры сечения ПЧЭ. ПЧЭ соединен с усилителем напряжения. Величина электрической емкости ПЧЭ Со выбирается из условия оптимального шумового согласования с усилителем напряжения равной Св+i(e)^-1, где Св - емкость входа усилителя, включая емкость монтажа, i - шумовой ток усилителя, е - шумовая ЭДС усилителя, - рабочая частота датчика, а масса груза m=1/₀²/Ск, где ₀ - частота механического резонанса датчика, Ск - суммарная механическая гибкость распределительных вставок и ПЧЭ, соответствующая его электрической емкости Со. Распределительные вставки позволяют, не изменяя емкости ПЧЭ Со, повысить жесткость стыков ПЧЭ-основание и ПЧЭ-груз без уменьшения усилий давления груза на ПЧЭ, что приводит к увеличению коэффициента преобразования ПЧЭ. Использование усилителя напряжения и его оптимальное согласование по шумам с ПЧЭ позволяет максимизировать отношение сигнал/шум при ограничениях, накладываемых на объем малогабаритного датчика ускорений. Выбор массы, исходя из условия оптимального согласования ПЧЭ с усилителем, позволяет повысить отношение сигнал/шум при ограничениях, накладываемых на массу датчика ускорений. Таким образом предлагаемое устройство при меньших габаритах позволяет реализовать датчики ускорений с высокой чувствительностью.

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении динамических ускорений различных машин и механизмов с высокой точностью.

Известны датчики ускорений, содержащие пьезочувствительный элемент (ПЧЭ), груз, RC-фильтр, схему преобразования полного сопротивления и схему обработки сигнала /1. Патент Японии JP 131839. Ямашита Мунехари, Датчик ускорения/. ПЧЭ осуществляет преобразование механических сил, вызываемых ускорением груза, в электрическое напряжение. Затем электрический сигнал ПЧЭ подается на фильтр и далее на схемы преобразования сопротивлений и обработки сигнала. RC-фильтр формирует необходимую частотную характеристику датчика, преобразователь сопротивлений

осуществляет усиление сигнала и согласование выходного сопротивления ПЧЭ, которое обычно составляет десятки и сотни мегом, с входным сопротивлением схемы обработки сигнала, которое, как правило, единицы и десятки килоом. Точность измерения ускорений определяется отношением сигнал/шум, которое может быть реализовано на входе схемы обработки сигналов при заданном ускорении а. Реализуемое значение отношения сигнал/шум зависит от собственных электрических шумов усилителя, используемого в преобразователе сопротивлений, коэффициента преобразования ПЧЭ и качества шумового согласования ПЧЭ со входом усилителя. Для усиления сигнала могут быть использованы усилители заряда или усилители напряжения. И в том и в другом случае для шумового согласования ПЧЭ с усилителем /2. Коган С.Л. Тез. докл. 2-й Дальневосточной акустической конф. «Человек и океан», Владивосток. 1982, ч. 4./ выходная емкость ПЧЭ Со должна выбираться вполне определенной величины, определяемой эквивалентной шумовой емкостью входа усилителя, зависящей от шумового тока i и шумовой ЭДС е усилителя, емкости монтажа Св, а также рабочей частоты датчика. В то же время от величины Со зависит и частотная характеристика RC- фильтра. По этой причине в рассматриваемом устройстве в качестве усилителей целесообразно использовать усилители заряда, в которых за счет введения обратной связи можно влиять на величину эквивалентной шумовой емкости усилителя и, соответственно, на величину емкости Со. Это позволяет при оптимальном согласовании ПЧЭ с усилителем по шумам обеспечить требуемый вид частотной характеристики датчика. Однако при этом потенциально реализуемое отношение сигнал/шум хуже, чем при использовании усилителей напряжения, в которых наличие обратных связей не является принципиально необходимым /2/.

Кроме того, в малогабаритных датчиках ускорений для уменьшения его габаритов необходимо уменьшать высоту h ПЧЭ, а это, при постоянстве емкости Со, приводит к уменьшению площади S поперечного сечения ПЧЭ, т.к.

Co=###U1108S/h, где ###U1108 - диэлектрическая проницаемость материала ПЧЭ. Уменьшение площади ПЧЭ приводит к увеличению эквивалентной гибкости механических стыков ПЧЭ-опора и ПЧЭ-груз, в результате чего падает коэффициент преобразования ПЧЭ и, соответственно, отношение сигнал/шум и точность измерения ускорений.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является датчик ускорений, содержащий в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический модуль и груз, совместно образующие механическую резонансную систему, который является прототипом /3. Патент Японии JP 5084871 В4. Сэкисуй Касэйхин, Охари Есинобу и др. Датчик ускорений, например, в машине для ударных испытаний/. Пьезоэлектрический модуль прототипа является комбинированным и содержит матрицу из синтетической смолы, внутри которой расположены пьезоэлектрические стержни из неорганического материала, поляризованные по длине. Смола матрицы имеет модуль упругости меньше модуля упругости стержней. Матрица и стержни образуют монолитную конструкцию. Наличие матрицы позволяет увеличить площадь опоры пьезомодуля на основание и груз и, тем самым, обеспечить их более жесткое соединение при фиксированной емкости Со и высоте h ПЧЭ.

Недостатком прототипа является то, что смола матрицы, внутрь которой вставлены ПЧЭ, увеличивая жесткость стыков элементов конструкции датчика, одновременно воспринимает часть усилий давления груза на пьезоэлектрический модуль, в результате чего сила давления на пьезоэлектрические элементы снижается. Уменьшение силы давления приводит к некоторому уменьшению коэффициента преобразования чувствительного элемента и, соответственно, к ухудшению отношения сигнал/шум и точности измерения ускорений. Увеличить силу давления Р при тех же измеряемых ускорениях а можно увеличив массу груза m, т.к. F=ma, P=F, где - некоторый коэффициент пропорциональности. Однако такое решение не применимо в малогабаритных датчиках, объем и масса m груза которых не должны превышать

величин, заданных в технических требованиях на проектирование. Кроме того, рассматриваемая конструкция является весьма трудоемкой в изготовлении и сложной в регулировке.

Задачей предлагаемого устройства является повышение точности измерения ускорений при уменьшении габаритов датчика.

Поставленная задача решается тем, что между пьезочувствительным элементом и основанием и пьезочувствительным элементом и грузом установлены распределительные вставки так, что контуры их сечения полностью покрывают контуры сечения пьезочувствительного элемента, причем распределительные вставки изготовлены из материала с модулем упругости больше модуля упругости материала основания и груза, выход пьезочувствительного элемента соединен со входом малошумящего усилителя напряжения, при этом величина электрической емкости пьезочувствительного элемента Со выбирается равной Св+i(e)^-1, где Св - емкость входа усилителя, включая емкость монтажа, i - шумовой ток усилителя, е - шумовая ЭДС усилителя, - рабочая частота датчика, а масса груза выбирается из условия m=1/₀²/Cк, где ₀ - требуемая частота механического резонанса датчика, Ск - суммарная механическая гибкость распределительных вставок и пьезочувствительного элемента, соответствующая его электрической емкости Со.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом (фиг.1). Датчик ускорений содержит основание 1, ПЧЭ 2, груз 3. Между ПЧЭ и основанием и ПЧЭ и грузом установлены распределительные вставки 4.1 и 4.2. Усилитель напряжения 5 монтажными проводами 6 соединен с выходом ПЧЭ. Высота ПЧЭ h выбирается максимально возможной из допустимых по габаритным ограничениям значений. Площадь сечения распределительных вставок выбирается больше площади сечения ПЧЭ, а устанавливаются они так, что контуры их сечения полностью покрывают контуры сечения ПЧЭ. В качестве материала вставок используются диэлектрические или металлические материалы с модулем упругости больше модуля упругости материалов основания и груза.

Выходная емкость пьезочувствительного элемента Со выбирается из условия его оптимального шумового согласования с усилителем напряжения /2/ равной Св+i(e)^-1, где Св - емкость входа усилителя, включая емкость монтажа, i - шумовой ток усилителя, е - шумовая ЭДС усилителя, - рабочая частота датчика. Масса груза m выбирается исходя из требуемой частоты ₀ механического резонанса равной 1/₀²/Cк, где Ск - суммарная механическая гибкость распределительных вставок и пьезочувствительного элемента, соответствующая его электрической емкости Со.

Работает датчик ускорения следующим образом. При проектировании малогабаритных датчиков ускорений необходимо уменьшать высоту ПЧЭ h. В случае, когда площадь ПЧЭ больше или равна площади груза, механические усилия в грузе и основании, вызываемые ускорением груза, распределены равномерно по сечению и коэффициент преобразования ПЧЭ достигает максимального значения. Однако при уменьшении h при фиксированной емкости Со уменьшается и площадь S механического контакта ПЧЭ с основанием и грузом. В результате этого, когда площадь ПЧЭ S становится меньше площади груза, механические усилия по сечению основания и груза перераспределяются: в месте механического контакта усилия намного выше, чем при удалении от него в толщу материала и к его периферии. Поскольку механическая гибкость ПЧЭ при этом не изменяется, то это эквивалентно увеличению гибкости механического стыка ПЧЭ-основание и ПЧЭ-груз. Увеличение гибкости, соответственно, приводит к снижению коэффициента преобразования ПЧЭ. Распределительные вставки из материала с большим модулем упругости, имеющие площадь сечения больше или равную площади ПЧЭ, позволяют без изменения емкости ПЧЭ Со уменьшить неоднородность распределения усилий и, тем самым, повысить жесткость стыков ПЧЭ-основание и ПЧЭ-груз. При этом, вследствие расположения вставок в конструкции, увеличение жесткости стыков не сопровождается уменьшением усилий давления груза на ПЧЭ, что также позволяет повысить коэффициент преобразования.

Использование усилителя напряжения и его оптимальное согласование по шумам с ПЧЭ позволяет максимизировать отношение сигнал/шум при ограничениях, накладываемых на объем малогабаритного датчика ускорений /2/. Выбор массы исходя из условия оптимального согласования ПЧЭ с усилителем позволяет обеспечить максимизировать отношение сигнал/шум при ограничениях, накладываемых на массу датчика ускорений. Таким образом, предлагаемое устройство при меньших габаритах позволяет реализовать датчики ускорений с высокой чувствительностью.

Сборка датчика может быть произведена, например, путем склеивания или спекания его составных частей. Возможна также сборка путем механической стяжки частей с помощью винта и гайки (для этого в центральной части датчика необходимо образовать отверстие, которое на чертеже не показано). Способ сборки принципиального значения не имеет.

Экспериментально измерялись шумовые параметры предлагаемого устройства и прототипа. В качестве усилителя использовался усилитель напряжения, эквивалентная шумовая емкость которого определялась экспериментально и составила на рабочей частоте 98 пФ при емкости входа усилителя 10 пФ и емкости монтажа 35 пФ. Выходная емкость пьезочувтвительных элементов выбиралась из условия оптимального шумового согласования и составила 100 пФ при площади сечения S=12 мм² и высоте h=2 мм. Площадь сечения груза составляла 314 мм², груз изготавливался из стали марки Ст3. Распределительные вставки площадью 49 мм ² и толщиной 1 мм изготавливались из конструкционной керамики, масса груза предлагаемого устройства при требуемой резонансной частоте составила 22 грамма. Матрица прототипа изготавливалась из эпоксидного компаунда, площадь сечения матрицы выбиралась равной площади вставок и составила 49 мм² . Частота механического резонанса датчиков выбиралась одинаковой. Масса груза прототипа при той же резонансной частоте составила 30 грамм. При этом при одинаковой величине ускорений измеренное отношение сигнал/шум прототипа и предлагаемого

устройства практически совпадали, при массе предлагаемого устройства почти в полтора раза меньшей.

Малогабаритный высокочувствительный датчик ускорений, содержащий основание, пьезочувствительный элемент и груз, отличающийся тем, что между пьезочувствительным элементом и основанием и пьезочувствительным элементом и грузом установлены распределительные вставки так, что контуры их сечения полностью покрывают контуры сечения пьезочувствительного элемента, причем распределительные вставки изготовлены из материала с модулем упругости больше модуля упругости материала основания и груза, выход пьезочувствительного элемента соединен со входом малошумящего усилителя напряжения, при этом величина электрической емкости пьезочувствительного элемента Со выбирается равной Св+i(e)^-1, где Св - емкость входа усилителя, включая емкость монтажа, i - шумовой ток усилителя, е - шумовая ЭДС усилителя, - рабочая частота датчика, а масса груза выбирается из условия m=1/₀²/Ск, где ₀ - требуемая частота механического резонанса датчика, Ск - суммарная механическая гибкость распределительных вставок и пьезочувствительного элемента, соответствующая его электрической емкости Со.