Малогабаритный высокочувствительный герметизированный датчик ускорений
Датчик может быть использован для измерения ускорений различных машин и механизмов с высокой точностью.
Датчик содержит металлическое П-образное основание, на дне основания последовательно установлены первая изолирующая пластина, пьезочувствительный элемент, вторая изолирующая пластина, металлическая мембрана, причем основание, изолирующие пластины, пьезочувствительный элемент и мембрана образуют монолитную конструкцию, при этом мембрана по контуру соединена электропроводящим материалом с основанием так, что внутри основания образовано замкнутое герметизированное пространство, а груз закреплен на внешней стороне мембраны.
Наличие металлической мембраны, расположение и монолитное соединение деталей датчика позволяет организовать герметизированное экранированное пространство, необходимое для защиты пьезоэлемента от внешних атмосферных воздействий и электромагнитных помех, без снижения чувствительности датчика. Расположение груза на внешней стороне мембраны позволяет также существенно уменьшить массу датчика, за счет отсутствия в конструкции датчика габаритного металлического экрана. В итоге датчик ускорений имеет высокую чувствительность и меньшую массу, что снижает его влияние на измеряемый объект и, тем самым, повышает точность измерений.
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 металлические основание и экран с расположенными внутри них пьезочувствительным элементом (ПЧЭ) и грузом /1. Патент США US 6655211 В.А.Шмид. Ф., Бройллет Б. и др. Пьезоэлектрический акселерометр с элементом боковой стабилизации/. ПЧЭ осуществляет преобразование механических сил давления, вызываемых ускорением груза, в электрическое напряжение, которое подается на вход усилителя. Чем больше масса груза m и ускорение а, тем больше сила, приложенная к ПЧЭ и, соответственно, больше напряжение на его выходе. При увеличении массы груза объем датчика и его чувствительность возрастают. Электрически и механически соединенные между собой основание и экран обеспечивают механическую прочность конструкции, защиту ПЧЭ от атмосферных воздействий и экранировку датчика для предотвращения попадания внешних электрических помех на вход усилителя сигнала ПЧЭ.
При проведении измерений ускорений датчик закрепляется на измеряемой поверхности, которая вибрирует под действием внешних сил. Точность измерения ускорений зависит от отношения масс измеряемой поверхности, груза и датчика в целом. Если масса датчика соизмерима с массой части поверхности, на которой закреплен датчик, то измеренное значение ускорения будет меньше того, которое было бы получено с использованием датчика с малой массой. Если масса элементов конструкции датчика (основания, экрана и вспомогательных крепежных элементов) будет соизмерима с массой груза, то сила, приложенная к ПЧЭ, будет существенно меньше силы, приложенной к датчику в целом со стороны измеряемой поверхности. В результате этого напряжение на выходе ПЧЭ уменьшается и, соответственно, снижается чувствительность датчика и точность измерений.
Для уменьшения массы датчика в целом необходимо уменьшать толщину основания и экрана. Однако при этом ухудшается защищенность ПЧЭ от атмосферных воздействий, так как вследствие высокой теплопроводности металлов при снижении внешней температуры и значительном объеме, ограниченном экраном, на внутренней стороне экрана образуется конденсат влаги, что также приводит к снижению чувствительности и увеличению собственных шумов датчика. Для предотвращения образования конденсата в известном устройстве /2. Патент Японии JP 3435065 В2 2000046861 А.Секи Атсухи. Пьезоэлектрический датчик ускорений/ поверх основного экрана устанавливается второй дополнительный экран, защищающий основной экран от перепада температур. Однако при этом масса датчика в целом возрастает, что при фиксированной массе груза приводит к снижению его чувствительности.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является датчик ускорений, содержащий металлические основание и экран, пьезоэлектрический модуль, используемый в качестве чувствительного элемента, и груз, совместно образующие механическую резонансную систему, который является прототипом /3. Патент Японии JP 5084871 В4. Сэкисуй Касэйхин, Охара Есинобу и др. Датчик ускорений, например, в машине для ударных испытаний/. Конструкция прототипа является комбинированной 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. Кроме того, матрица защищает ПЧЭ от воздействия конденсата влаги.
Недостатком прототипа является то, что смола матрицы, внутрь которой вставлены ПЧЭ, увеличивая жесткость стыков элементов конструкции датчика и защищая ПЧЭ от внешних воздействий, одновременно воспринимает часть усилий давления груза, в результате чего сила давления на ПЧЭ снижается, что приводит к снижению чувствительности датчика. Кроме того, для защиты пьезоэлектрического модуля от воздействия внешних помех используется экран, габаритные размеры которого должны быть больше размеров груза и ПЧЭ. В результате этого масса экрана и основания становятся соизмеримы с массой груза, что также снижает чувствительность датчика и увеличивает влияние массы датчика на точность измерений.
Задачей предлагаемого устройства является повышение точности измерения ускорений при уменьшении массы датчика.
Поставленная задача решается тем, что основание имеет П-образную форму, на дне основания последовательно установлены первая изолирующая пластина, пьезочувствительный элемент, вторая изолирующая пластина, металлическая мембрана, причем основание, изолирующие пластины, пьезочувствительный элемент и мембрана образуют монолитную конструкцию, при этом мембрана по контуру соединена электропроводящим материалом с основанием так, что внутри основания образовано замкнутое герметизированное пространство, а груз закреплен на внешней стороне мембраны.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом (фиг.1). Датчик ускорений содержит металлическое П-образное основание 1, первую изолирующую пластину 2, ПЧЭ 3, вторую изолирующую пластину 4, металлическую мембрану 5, груз 6. Элементы конструкции 1-5 механически соединены между собой, например, склеены, образуя единый модуль. На внешней поверхности мембраны 5 закреплен груз 6. Мембрана соединена с основанием токопроводящим материалом, например, с помощью пайки. От механических повреждений конструкция защищена кожухом 7, который может быть выполнен из облегченного диэлектрического материала. Контактные поверхности ПЧЭ соединены проводниками с выводными контактами датчика 8.
При воздействии на основание силы, вызванной вибрацией измеряемой поверхности, основание датчика перемещается с некоторым ускорением а. Действующая сила через изолирующие пластины, пьезоэлемент и мембрану вызывает ускорение груза массой m. В результате на мембрану со стороны груза воздействует сила F=m·a. Мембрана опирается на боковые стенки П-образного основания и соединена с ним по контуру электропроводящим материалом. При использовании пайки это позволяет получить замкнутую полость и защитить ПЧЭ от внешних электромагнитных помех и атмосферных воздействий. Кроме того, так как объем полости существенно меньше объема полости прототипа, то количество конденсата, образующегося при перепаде температур, при прочих равных условиях, снижается. Основание, изолирующие пластины, ПЧЭ, мембрана и груз образуют механическую колебательную систему с некоторой резонансной частотой, зависящей от массы груза и жесткости остальных элементов. Если жесткость мембраны меньше жесткости пьезоэлемента (тонкая мембрана), то резонансная частота груза и мембраны будет существенно ниже резонансной частоты груза и ПЧЭ. При этих условиях наличие точек опоры мембраны на основание практически не будет сказываться на силе давления груза на ПЧЭ и чувствительность датчика не ухудшится. Для предотвращения замыкания контактных поверхностей ПЧЭ между ПЧЭ и основанием и ПЧЭ и мембраной установлены изолирующие пластины. Пластины расположены последовательно с ПЧЭ, поэтому, в отличие от прототипа, не влияют на величину силы, действующей на ПЧЭ. Наличие пластин только несколько снижает общую жесткость конструкции, что может привести к снижению резонансной частоты датчика. Для того чтобы снизить влияние этого эффекта, толщину пластин целесообразно выбирать меньше толщины ПЧЭ, а основание, изолирующие пластины, пьезочувствительный элемент и мембрану механически соединить так, что они образуют монолитную конструкцию, например, склеить под давлением или спаять (при наличии соответствующей металлизации диэлектрических элементов конструкции). Вывод сигнала от ПЧЭ может быть осуществлен через герметизированное отверстие малого диаметра в основании или мембране.
Экспериментально измерялась чувствительность предлагаемого устройства и прототипа при воздействии отрицательных температур при использовании одинаковых пьезокерамик и грузов. В предлагаемом устройстве вместо металлического экрана прототипа использовался защитный кожух из легкого диэлектрического материала. При этом при практически одинаковой величине чувствительности предлагаемого устройства и прототипа в нормальных климатических условиях и при воздействии отрицательных температур масса предлагаемого устройства существенно меньше.
Малогабаритный высокочувствительный герметизированный датчик ускорений, содержащий металлическое основание, пьезочувствительный элемент и груз, отличающийся тем, что основание имеет П-образную форму, на дне основания последовательно установлены первая изолирующая пластина, пьезочувствительный элемент, вторая изолирующая пластина, металлическая мембрана, причем основание, изолирующие пластины, пьезочувствительный элемент и мембрана образуют монолитную конструкцию, при этом мембрана по контуру соединена электропроводящим материалом с основанием так, что внутри основания образовано замкнутое герметизированное пространство, а груз закреплен на внешней стороне мембраны.
