Акселерометр - прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение есть ускорение, вызванное равнодействующейсилнегравитационной природы, действующая намассуи равное этой силе отнесённой к величине этой массы. Современные акселерометры позволяют измерять ускорение сразу в трех плоскостях.

Принцип действия простейшего акселерометра изображен на рисунке 1.

Рисунок 1 Принцип действия простейшего акселерометра

Груз закреплен на пружине. Демпфер подавляет колебания груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменаяя показания прибора.

Используемый акселерометр – акселерометр на переменных конденсаторах. Это обеспечивает компактность и высокую точность измерений.

При воздействии на подвижный элемент сенсора массой F = ma возникает смещение x i , пропорциональное ускорению.

где 𝛃– жесткость подвески,a– ускорение смещения сенсора,w 0 – собственная частота колебаний сенсора, определяющая чувствительность механической части системы.

При малых смещениях подвижной части электрический сигнал пропорционален величине смещения, которое, в свою очередь, пропорционально ускорению.

В отличие от других типов вибродатчиков, пьезоэлектрический акселерометр эффективен при измерениях всех колебательных величин механических колебаний самых различных объектов измерения, практически в любых необходимых динамическом и частотном диапазонах.

Акселерометр различают по:

Виду движения

линейный;

По технологии изготовления

пьезоэлектрические акселерометры;

пьезорезистивные акселерометры;

акселерометры на переменных конденсаторах.

Пьезорезистивные акселерометры обычно имеют малый диапазон чувствительности, поэтому они больше подходят для детектирования ударов, чем определения вибрации. Отличаются широким диапазоном частот (от нескольких Гц до 30 кГц), при этом частотная характеристика может оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.

Наиболее распространенный тип акселерометра, используемый для измерения механической вибрации и ударов – пьезоэлектрический акселерометр. Это определяется качествами, свойственными этому типу датчиков вибрации.

Основные преимущества пьезоэлектрических акселерометров:

широкий частотный диапазон;

линейная амплитудная характеристика в широком динамическом диапазоне;

возможность при использовании интеграторов, включенных на выход акселерометра, получить сигнал, пропорциональный виброскорости и виюроперемещению;

способность работать в тяжелых окружающих условиях (температура, влажность);

высокая механическая надежность и долговечность (нет движущихся частей);

отсутствие необходимости в источнике питания, т.к. пьезоакселерометр является датчиком генераторного типа.

Пьезоэлектрический акселерометр состоит из инерционной массы, пьезоэлемента и основания, жестко между собой соединенными, и закрытого корпуса. Пьезоэлемент из поляризованной пьезокерамики или пьезокристалла выполняет роль пружины, соединяющей массу с основанием. В силу своей инертности при воздействии вибрации на основание пьезоакселерометра, инерционная масса отстает в своем движении от основания, это вызывает деформацию пьезоэлемента и возникновение на его обкладках заряда, пропорционального ускорению.

Рисунок 2 Основной принцип работы пьезоэлектрических акселерометров

Акселерометры на переменных конденсаторах – продукт самых современных технологий. Они отличаются высокой чувствительностью, узкой полосой пропускания (от 15 до 3кГц) и отличной температурной стабильностью. Погрешность чувствительности в полном температурном диапазоне до 180 0 С не превышает 1.5 %. Акселерометры этого типа отлично подходят для измерения низкочастотной вибрации, движения и фиксированного ускорения, однако их стоимость ввиду новизны препятствует широкому распространению.

Рисунок 3 Основной принцип работы акселерометров на переменных конденсаторах

Существуют определенные требования к установке акселерометров при диагностировании объекта контроля. Эти требования включают в себя следующее:

акселерометр должен воспроизводить, насколько это возможно, движение испытуемой конструкции в месте установки датчика;

установка акселерометра должна влиять на колебания конструкции в минимальной, насколько это возможно, степени;

отношение сигнала с выхода акселерометра к воспринимаемым им колебаниям не должно быть искажено влиянием собственной резонансной частоты установленного акселерометра.

Для реализации указанных принципов необходимо выполнить следующие требования:

акселерометр и его крепление должны быть максимально жесткими и твердыми, а поверхность крепления – максимально чистой;

само крепление должно вносить минимальные искажения в движение конструкции, для чего рекомендуется использование симметричных креплений;

масса акселерометра вместе с устройством крепления должна быть мала в сравнении с динамической массой конструкции.

Поверхность, на которую устанавливается датчик, должна быть проверена на гладкость и наличие загрязнений и, если необходимо, подвергнута дополнительной шлифовке.

Введение

Акселерометр - это прибор для измерения ускорения(перегрузок), возникающего на летательных аппаратах, ракетах, самолетах и других движущихся объектах, при использовании машин, двигателей и т.д.

Акселерометры состоят из инерционной массы, которая с помощью упругих элементов подвеса поставлена в корпус. Реализация выходного сигнала и принципа измерения обеспечивается преобразователями перемещений, деформацией сил и электроникой. Конструкторский узел, включающий в себя инерционную массу и подвес с элементами крепления, можно определить как чувствительный элемент акселерометра.

Акселерометры делятся на два вида, по виду движений инерциальных масс. Делятся на:осевые и маятниковые.

Маятниковые акселерометры называют угловыми, поскольку конструкция упругого подвеса обеспечивают угловое движение инерционных масс.

А в осевых акселерометрах конструкция упругого подвеса обеспечивается прямолинейным движением инерционных масс.

У акселерометров выделяют ось чувствительности и перпендикулярные к ней оси. Ось чувствительности - это ось, в направлении которой возможно перемещение инерционных масс. Акселерометры с одной осью подвеса называют однокомпонентными. А в одном корпусе могут быть чувствительные элементы с разным направлением осей чувствительности.

С помощью акселерометров возможно измерение линейного и углового ускорения. В линейных акселерометрах ось чувствительности параллельна вектору измеряемого ускорения. В акселерометрах для измерения углового ускорения она должна быть параллельна вектору линейного ускорения, являющегося следствием углового ускорения

Пьезоэлектрические акселерометры

пьезоэлектрический акселерометр дешифратор преобразователь

Пьезоэлектрический акселерометр является вибродатчиком и в текущее время он применяется практически во всех областях измерения и анализа механических колебаний.

Пьезоэлектрические акселерометры имеют широкие рабочие частоты и динамические диапазоны, линейные характеристики, прочную конструкцию, надежность и долговременная стабильность параметров. Так как пьезоэлектрические акселерометры являются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезоэлектрических акселерометров. Отметим, что отдаваемый акселерометром сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа скорости и смещения механических колебаний.

Конструкция пьезоэлектрических акселерометров

Пьезоэлемент практических пьезоэлектрических акселерометров сконструирован так, что при возбуждении механическими колебаниями предусмотренная в корпусе акселерометра масса воздействует на него силой, пропорциональной ускорению механических колебаний. Это соответствует закону, согласно которому сила равна произведению массы и ускорения.

На частотах значительно меньших резонансной частоты общей системы масса -- пружина ускорение массы акселерометра идентично ускорению его основания и, следовательно, отдаваемый акселерометром электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.

Основные варианты конструкции пьезоэлектрических акселерометров:

§ Вариант сжатия, в котором масса воздействует силой сжатия на пьезоэлектрический элемент;

§ Вариант сдвига, характерным для которого является работа пьезоэлемента под действием срезывающего усилия, обусловленного внутренней массой акселерометра.

Акселерометры АВС 127

Пьезоэлектрические акселерометры АВС 127 предназначены для измерения вибрационных и ударных ускорений летательных аппаратов ракетно-космической и авиационной техники, в автомобильной и других видах промышленности для тестовых испытаний конструкций, машин и механизмов.

Отличительные особенности акселерометров АВС 127 -- высокая собственная частота, вибропрочность и надежность.

Ряд АВС имеет пять модификаций. Внешний вид акселерометра показан на рис.

Основные технические характеристики:

Основные характеристики приведены в табл. 5.11

Основная погрешность, % 4

Нелинейность амплитудной характеристики, % не более 3

Относительный коэффициент поперечного преобразования, %

не более 5

Коэффициент чувствительности к электрическим полям, %*м/В 10-5

Коэффициент чувствительности к акустическим воздействиям

(при 160 дБ, 20 Гц... 10 кГц), %/кПа 0,05

Емкость, пФ 4500±700

Сопротивление изоляции, МОм не менее 100

Ресурс работы, ч 10000

Срок хранения, год 12

Габаритные размеры приведены на рис. 5.81 Условия эксплуатации:

температура окружающей среды, °С --196... +200

Акселерометры АВС 127 являются датчиками общего назначения. Чувствительный элемент акселерометров работает на растяжение-сжатие. Конструкция акселерометра показана на рис. 5.20,в и описана на стр. 412.

Типовые зависимости коэффициента преобразования от частоты и от температуры даны на рис. 5.84, а на рис. 5.28 -- схема соединений акселерометра.

Корпус изготовлен из сплава ВТ1-0. Крепление резьбовое при помощи хвостовика М12хО,75 или шпилька М5. Рекомендуемый тип преобразователя указан в табл. 5.11.

Характеристика	Шифр акселерометра
Верхний предел диапазона измере-
Вибрации
Частотный диапазон, Гц
Коэффициент преобразования по заря-
ду, пКл*с2/м
Собственная частота, кГц, не менее
Деформационная чувствительность
(250 мstr на установочной плоскости),
Магнитная чувствительность (номиналь-
ное значение 0,03 Тл, 50 Гц), м*с-2/Тл
Масса (без кабеля), кг, не более
	П120-08, СС9НФ

Типовые зависимости коэффициента преобразования от частоты и температуры акселерометров: 1 -- АВС 127; 2 -- АВС 127-01; 3 -- АВС 127-02; 4 -- АВС 127-03

Введение

По естественной входной величине прибора методы измерения параметров движения могут быть разбиты на две группы.

К первой группе относятся методы, основанные на осуществлении непосредственного контакта между движущимся объектом и системой, принятой за неподвижную. Приборы, основанные на этом методе, называются контактными. К этой группе относятся все устройства, предназначенные для измерения параметров относительного движения.

Ко второй группе относятся методы, не требующие осуществления непосредственного контакта с неподвижной системой отсчета. Приборы, реализующие этот метод, называются инерционными. Естественной входной величиной таких приборов может быть только сила инерции, воспринимаемая корпусом датчика, с которым связана собственная (подвижная) система отсчета.

Это свойство приборов для измерения параметров движения, т.е. способность реагировать или на взаимное перемещение, или на силу инерции, нашло свое отражение в их структуре. Так как основные параметры механического движения - перемещение, скорость и ускорение - связаны между собой простейшими дифференциальными зависимостями, то обычно прибор для измерения какого-либо параметра имеет предварительный преобразователь, реагирующий на другой параметр, легче поддающийся измерению, а искомая величина получается путем применения операционных звеньев в цепи дальнейшего преобразования (в датчике, измерительной цепи или указателе).

Выбор структурной схемы и элементов прибора для измерении параметров механического движения определяется не столько самим параметром, сколько диапазоном его изменения, как по амплитуде, так и по частоте. Величины параметров механического движения, с которыми приходится сталкиваться в науке и технике, можно примерно разбить на несколько диапазонов. Так, при измерении ускорений приходится иметь дело с весьма большими (1000-200 000 м/с2), средними (1-200 м/с2), малыми (ниже 1 м/с2) и весьма малыми (до 10-5 м/с2) значениями измеряемого параметра.

В курсовом проекте в качестве первичного преобразователя акселерометра применяется пьезоэлектрический преобразователь. Выбор пьезоэлектрического преобразователя обусловлен его доступностью, невысокой стоимостью, наличием у пьезоэлектрика хороших механических свойств. Акселерометры пьезоэлектрического типа компактны, конструктивно просты, имеют малые габариты, надежны в работе, пригодны для измерения быстроменяющихся величин. К недостаткам относятся необходимость обеспечения полной герметичности прибора, кабельный эффект, возможность отрыва инерционной массы при измерении больших импульсных ускорений знакопеременного характера при работе прибора на растяжение, малая выходная мощность пьезоэлектрического преобразователя.

Патентный обзор

В процессе разработки курсового проекта был произведен патентный поиск. В результате проделанной работы найдено несколько патентов за последние 10 лет.

Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий монтажное основание, чувствительный изгибный элемент и электрические выводы для подключения акселерометра. Отличающийся тем, что на монтажном основании сьемно закреплены герметичный полый защитный корпус и поперечно плоскости основания через диэлектрическую теплозащитную втулку осевая опора под чувствительный изгибный элемент, который введен, но внутреннюю полость корпуса и выполнен в виде нижней токосъемной панели и верхней одной или нескольких пар полиморфных пьсзоэлемснтов, насаженных на опоре в ее поперечной плоскости с верхним поджимным ограничителем положения пар, при этом каждая насаженная на опору пара полиморфных пьелоэлементов выполнена в виде дисков и установленной между ними клеммы, включающей концентрично установленные на опоре втулки, одну - внутреннюю диэлектрическую, и вторую - наружную, электросоединительную распорную, причем токосъемная панель электрически связана с клеммой каждой пары полиморфных пьезоэлементов и с выводами акселерометра, установленными в защитном экране, дополнительно закрепленном на основании.

1. Универсальный вибродатчик линейного и углового ускорения правильных компонентов вибрации, содержащих кожух и размещенные в нем пьезоэлектрические элементы, отличающийся тем, что пьезоэлектрические элементы выполнены в виде пары одинаковых электрически последовательно соединенных продольно поляризованных пьезоэлектрических пластин с электродами имеющие контакты, расположенных симметрично по обе стороны оси чувствительности и линейных ускорению между опорой, переходящим в основание, и инерционным элементом или его частями, а контактные выводы из кожуха для коммутации последовательности соединения пакетов между собой.

Виброметр по П.1 отличающийся тем, что введен электронный переключатель коммутации последовательного соединения пакетов между собой.

Виброметр по П.1 отличается тем, что в кожухе дополнительно размешен инерционные элементы, опоры переходящие в основание и расположенные между соответствующей опорой и инерционными элементом или его частями симметричные по обе стороны соответствующей оси чувствительности к линейному ускорению пары одинаковых электрически последовательно соединенных пакетов продольно поляризованных пластин с электродами, имеющие контакты, выведенные их кожуха, а также введены электронные переключатели для коммутации последовательно соединенных пакетов между собой, при этом ось чувствительности каждой пары контактов пьезоэлектрических пластин перпендикулярна осям чувствительности каждой пары пакетов пьезоэлектрических пластин перпендикулярных осям чувствительности остальных пар, а электронные переключатели обобщены или синхронизированы.

Виброметр по П.1 отличается тем, что пакеты пьезоэлектрических пластин соединены между собой стационарно.

Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание с устройством крепления на объекте, осевой резьбовой стержень, кольцевые пьезоэлементы, расположенные на стержне, упругий элемент, инерционную массу, металлический экран и антивибрационный кабель, соединенный электрически с основанием и пьезоэлементами, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы в диапазоне ударных ускорений 103 - 2 105 м/с2, инерционная масса с упругим элементом выполнена в виде плоской гайки, осуществляющей поджатие кольцевых пьезоэлементов к основанию, а кольцевые пьезоэлементы и гайка покрыты слоем компаунда, поверх которого нанесено токопроводящее покрытие, имеющее электрический контакт с основанием и дополнительно с гайкой.

Акселерометр по П.1, отличающийся тем, что сквозное горизонтальное отверстие для кабеля в основании выполнено двухступенчатым с радиальным скруглением наружного края отверстия большего диаметра, в отверстие большего диаметра встроена часть кабеля с наружной изоляционной оболочкой, предварительно покрытой компаундом, а в отверстие меньшего диаметра встроена часть кабеля только с экранирующей оплеткой, причем экранирующая оплетка имеет электрический контакт с основанием по поверхности отверстия меньшего диаметра.

Акселерометр по П.1,отличающиися тем, что, с целью уменьшения поперечной чувствительности, кольцевые пьезоэлементы выполнены из монокристалла кварца Х-среза с взаимно перпендикулярной ориентацией их оптических осей.

Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий чувствительный элемент, упруго поджатый к основанию стержнем, один конец которого расположен в основании и кабель в металлической оболочке, закрепленный в основании и соединенный с чувствительным эле« ментом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет улучшения вибропрочности и технологичности, конец стержня, размещенный в основании, выполнен утолщенным, его диаметр равен 2-3 диаметрам основной части стержня, причем утолщенный конец стержня соединен с основанием сваркой, в основании и.утолщенном конце стержня выполнено сквозное отверстие, в котором размещен кабель в металлической оболочке, кабель со стороны ввода в отверстие закреплен.во введенной втулке, имеющей длину 0,3-0,4 длины кабеля в сквозном отверстии, размещенной в основании и соединенной с ним сваркой, причем втулка имеет на торце упор, который размещен в проточке, выполненной в.основании, а в месте ввода кабеля в основание размещен введенный кожух, соединенный с основанием и имеющий выступ, внутренняя поверхность которого, выполнена в виде части сферы.

Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий пьезоэлемент, инерционную массу, разъёмный соединительный узел, размещенный в основании, и шпильку крепления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности при измерении импульсных ускорений, неподвижная часть разъемного соединительного узла выполнена в виде размещенного в осевом отверстии основания стержня со сферической головкой, на которой выполнена фаска, изолированного от основания и соединенного через инерционную массу с электродом пьезоэлемента, а разъемная часть соединительного узла выполнена с выемкой, в которой размещена торцовая часть шпильки крепления.

Литературный обзор

Приборы, служащие для измерения ускорений, называются акселерометрами. Эти приборы применяются при исследовании движений или вибраций частей машин, в авиации, на транспорте и т.д.

Акселерометры могут быть в зависимости от вида движения линейные или угловые; по конструкции - механические, электромеханические, оптические и другие; по назначению - измеряющие ускорения как функцию времени или пути и максимальные, измеряющие только максимальное значение ускорения.

При измерении больших ускорений обычно используются механические акселерометры; при повышенном диапазоне частот - электромеханические; при измерении вибраций в звуковом и около звуковом диапазоне частот (10-20 000 Гц) наиболее распространены электрические акселерометры, основанные на пьезоэлектрическом эффекте.

Ускорение поступательного движения с погрешностью 1-5 % измеряется обычно при помощи датчиков прямого преобразования маятникового или пружинного типов . В маятниковых акселерометрах сила, вызванная воздействием измеряемого ускорения на инерционную массу датчика, уравновешивается силой тяжести, в пружинных - силой деформируемой пружины. В качестве основного преобразователя как маятниковых, так и пружинных акселерометров используются реостатные, индуктивные, емкостные, фотоэлектрические или другие типы преобразователей в зависимости от величины рабочего перемещения инерционной массы и конструктивных соображений.

В ряде случаев отсутствует необходимость в знании текущего значения ускорения и важно лишь установить, не превышает ли оно заданного размера. Для этих целей используются акселерометры с контактными преобразователями, получившие название предельных или максимальных акселерометров или сигнализаторов перегрузок.

Весьма перспективны методы измерения малых ускорений, основанные на преобразовании в частоту и время. Достоинством частотной модуляции при измерении малых постоянных ускорений является легкость обнаружения очень малых изменений частоты путем сравнения частоты, пропорциональной измеряемой величине, со стабильной частотой кварцевого генератора. Этот принцип в струнных гравиметрах, позволяющих измерять изменения ускорения силы тяжести с погрешностью порядка (1 - 2)∙10-6 этого ускорения.

Для измерения угловых и линейных ускорений можно применять все виды электромагнитных преобразователей. Во многих используемых на практике конструкциях измеряемый параметр определяется по величине э.д.с., возникающих в катушке, расположенной в поле магнита, при перемещении последнего относительно катушки. Достоинством индукционного преобразователя является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1-5 В∙А), что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления, чувствительность преобразователя достигает 140 В/(м/с), диапазон частот не превышает 50 Гц при амплитуде не более 1-5 мм.

Принцип действия реостатного акселерометра заключается в изменении активного сопротивления на выходе при перемещении движка, которое может быть угловым или линейным. Преимущества преобразователя реостатного типа: большой выходной сигнал, возможность питания, как от постоянного, так и переменного тока.

Линейный механический акселерометр (рис.1) представляет собой систему с одной степенью свободы, состоящую из груза, укрепленного на рычаге, удерживаемом в горизонтальном положении специальной пружиной . Прибор крепится к исследуемому объекту, и при движении объекта (в частности при его вибрациях) груз также перемещается (или вибрирует). Величина и характер этих перемещений пропорциональны ускорению объекта, которое и измеряют, регистрируя перемещение груза. Чтобы при этом собственные колебания прибора не искажали измеряемых ускорений, в акселерометрах делают специальные устройства, которые глушат эти колебания.

Рисунок 1 - Механический акселерометр

В электромеханических акселерометрах перемещение груза измеряется электрическими способами с помощью датчиков (индуктивных, емкостных и т.д.). Примером является акселерометр с проволочным тензодатчиком (рис.2), в котором груз крепится на пружине и помещается в корпус, залитый демпфирующей жидкостью.

Рисунок 2 - Тензоакселерометр

Под действием горизонтального ускорения груз изгибает пружину. Величина деформации пропорциональна ускорению; она измеряется наклеенным на пружину четырьмя тензодатчиками, два из которых составляют два плеча измерительного моста, а другие два входят в конструкцию усилителя. Разбалансировка моста, вызванная изменением сопротивления тензодатчиков при изгибе пружины, после усиления регистрируется осциллографом как ускорение. Такие акселерометры успешно работают, если их собственная частота 100Гц.

Для измерения быстроменяющихся ускорений применяются акселерометры с высокой собственной частотой. Конструирование таких акселерометров сильно усложняется их малой чувствительностью. Поэтому в таких случаях применяют максимальные акселерометры, в которых ускорение объекта измеряется по величине силы инерции, действующей на груз при его движении вместе с объектом. Акселерометр определяет или момент времени, когда ускорение объекта достигает заданной величины, или величину максимального ускорения объекта. Максимальные акселерометры применяются также при больших и быстрорастущих ускорений, например, при ударах. В этих случая применяют максимальные акселерометры с пьезокерамикой из титаната бария. Высокая собственная частота пьезоэлектрических акселерометров позволяет измерять ускорения вибраций от 0.001g до 3000g при частоте от нескольких Гц до нескольких кГц.

Основная часть

Расчет преобразователя

При проектировании пьезодатчиков одним из основных является вопрос о выборе пьезоэлектрического материала.

При выборе материала следует учитывать его характеристики: значения пьезоэлектрических коэффициентов d и g, диэлектрической проницаемости ε, модуля упругости Е и плотности δ.

Коэффициент d, называемый пьезомодулем, описывает основную чувствительность пьезоматериала и определяет величину электрического заряда, генерируемого при приложении определенной силы. Данное определение приводит к основному уравнению для пьезоэлектрических материалов:

где Q - электрический заряд, Кл; - сила, Н; - напряжение, В;

С - емкость, Ф.

Важным параметром пьезоматериала является диэлектрическая проницаемость ε. Этот параметр влияет на собственную емкость преобразователя С0, который определяется по формуле:

где s - площадь пьезоэлемента, м2; l - толщина пьезоэлемента, м.

ε - диэлектрическая проницаемость.

Также диэлектрическая проницаемость влияет на напряжение U на выходе датчика, определяемое выражением:

где СΣ - суммарная емкость, Ф, которая находится как:

CΣ = С0+Ск+Свх,

где Ск - емкость кабеля, Ф; Свх - входная емкость усилителя, Ф.

Казалось бы необходимо выбирать материалы с возможно меньшим значением диэлектрической проницаемости ε. Но выбор материала с малым ε, т.е. с малой собственной емкостью, резко увеличивает внутреннее сопротивление преобразователя на низких частотах, что повышает требования к входной цепи измерительного усилителя. Поэтому, когда необходимо расширить частотный диапазон в области низких частот, лучше выбирать материалы с большим значением ε .

Коэффициент gij является постоянной для пьезоматериала в случае разомкнутой цепи. Эта постоянная описывает чувствительность по напряжению пьезоэлемента и определяется как:

Коэффициент gij наиболее удобен для расчета выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя, если не рассматривается шунтирующая емкость.

Связь постоянной gij c пьезоэлектрической постоянной dij выражается следующим равенством:

где ε0 - электрическая постоянная.

Так как в датчиках пьезоэлемент обычно действует как механическая пружина, то все механические характеристики будут зависеть от упругости пьезоэлемента, а значит будут определятся модулем упругости Е материала, а также в некоторой степени и плотностью материала δ. Поэтому предпочтительнее выбирать материалы с большим значением упругости и меньшей плотностью.

Наиболее полной характеристикой пьезоэлектриков как преобразователей механической энергии в электрическую является коэффициент полезного действия. Этот КПД зависит только от свойств материала:

С точки зрения полноты использования входной энергии, характеризуемой k2, наилучшим материалом является сегнетова соль, наихудшим - кварц.

Выбор конструктивных материалов

Учитывая вышеперечисленные условия, в качестве первичного преобразователя пьезоэлектрического акселерометра выберем пьезоэлемент из цирконата титаната свинца (ЦТС-19) . Данный материал имеет высокую диэлектрическую проницаемость ε =1525, КПД равный 40℅, модуль упругости Е=70 Н/м2∙109, gij=14.8 мВ/Н∙10-3. Допустимая температура составляет 300оС.

В акселерометрах, как правило, применяются дисковые пьезоэлементы с большим отношением диаметра к толщине (2R/l = 6 ÷ 10). Примем диаметр пьезоэлемента 2R равным 20 мм, тогда толщина l этого элемента составит 2 мм.

По формуле (2) вычислим собственную емкость преобразователя:

С0 = εs/l = επR2/l = 239∙10-12, Ф.

Сила, действующая на пьезоэлемент при ускоренном движении, по второму закону Ньютона определится как:

где m - значение инерционной массы, кг; а - значение ускорения, м/с2.

Зададим максимальное значение силы 5,5 Н, а значение инерционной массы m=50 г. Тогда, согласно уравнению (7), максимальное ускорение определится как:

a = F/m,= 5.5/5∙10-3 = 110, м/с2.

Чувствительность акселерометра по заряду SQ определяется отношением

SQ = Q/a = d33m, (8)

т.е. SQ = 282∙10-12∙50∙10-3 = 14∙10-11, Кл/(м∙с2).

Определим заряд, возникающий на поверхности пьезоэлемента при действии ускорения. Так как при продольном пьезоэффекте заряд не зависит от размера пьезоэлемента, тогда = d33F,

где d33 - значение пьезомодуля, Кл/Н ∙10-12;- сила, Н.

Q = 282∙10-12∙ 5.5 = 1,5∙10-9, Кл.

Исходя из формул (4) и (5), вычислим выходное напряжение преобразователя:

GijFl/s = dijFl/sεε0,

U = 282∙10-12∙5.5∙3∙10-3/165∙10-6∙1∙1525 = 1.8∙10-11, В.

Рассчитаем параметры инерционной массы.

Форма инерционной массы влияет на характеристики датчика. Уменьшение поперечной чувствительности требует уменьшения расстояния между центром массы инерционного элемента и центром массы пьезоэлемента. В связи с этим инерционную массу желательно выполнять с малой высотой.

Инерционную массу выполним из стали углеродистой качественной конструкционной ГОСТ 1050 - 74 марки 10.

Зададим значение инерционной массы m=50 г.

Масса представляет собой цилиндр (рис. 3). Так как известны диаметр основания, масса и плотность материала, вычислим высоту инерционной массы. Объем цилиндра находится по формуле:

V = πR2H, (9)

где R - радиус основания, м; H - высота цилиндра, м.

С другой стороны, объем равен:= m/ρ, (10)

где m - значение инерционной массы, кг; ρ - плотность, кг/м³.

Рисунок 3 - Форма инерционной массы

Подставляя (9) в (10), получим:

πR2H = m/ρ.

Из полученной формулы найдем значение высоты цилиндра:

H = m/(ρπR2).= 50/(36∙3.14∙7.252) = 0.016, м.

Основание пьезоэлектрического акселерометра изготавливают из относительно легких, но достаточно прочных материалов. В качестве материала для изготовления основания датчика, разрабатываемого в данной курсовой работе, выберем титан ВТ3-1 ГОСТ 19807-74 (ρ=4.5 г/см3), по механическим характеристикам не уступающий стали.

Для сочленения деталей акселерометра используют поджатие, пайку и склеивание. При поджатии с помощью винтового соединения невозможно избежать даже незначительных люфт , которые приводят к дополнительным погрешностям. При пайке необходимо предварительно проводить серебрение поверхностей путем вжигания серебра при температуре около 5000С, что значительно усложняет процесс изготовления. Наиболее широкое применение нашло склеивание. Оно обеспечивает надежное сочленение элементов, не приводя к дополнительным погрешностям.

Для склеивания применим клей БФ-4 ГОСТ 12172-74, используемый для цветных металлов, нержавеющей стали, для их склеивания с неметаллами (возможна замена на клей БФ-2 ГОСТ 12172-74).

Описание конструкции

Акселерометр пьезоэлектрического типа (рис.4) представляет собой прибор, состоящий из основания, к которому с помощью клея БФ-4 крепится преобразователь, состоящий из двух пьезопластин Х-среза, разделенных проводником. Пластины выполнены из керамики ЦТС-19 ОСТ 11 0444 - 87, проводник - из алюминиевой фольги ГОСТ 618-73 (СТС 76 4067-83). Фольга припаивается к пьезоэлементам посредством припоя ПОС 61М ГОСТ 21931-76. Инерционная масса выполнена из стали ГОСТ 5632-72. Акселерометр закрывается крышкой, навинчиваемой на основание. Основание имеет специальный хвостик с резьбой для крепления на объект. При воздействии на прибор измеряемого ускорения на гранях пьезоэлемента образуется заряд пропорциональный ускорению. Показания с преобразователя снимаются посредством медных выводов, припаянных к граням пьезоэлектрических пластин. Контакты соединены с антивибрационным кабелем. В крышке преобразователя предусмотрено отверстие под кабель, который подключается к входу усилителя для усиления, снимаемого сигнала.

Рисунок 4 - Пьезоэлектрический акселерометр

Инерционная масса

Пьезоэлемент

Проводник

Основание

Выбор электрической схемы

Так как выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, то на выходе преобразователя необходимо включить усилитель с возможно большим входным сопротивлением. Измерительная цепь пьезодатчика выполнена в виде усилителя напряжения с высокоомным входом (рис.5), где С0 - емкость преобразователя; Ск - емкость кабеля; С1 - дополнительная стабильная емкость; R1, R2 - сопротивления датчика и кабеля. В измерительной цепи используется неинвертирующий усилитель с входным каскадом на полевом транзисторе.

Рисунок 5 - Схема электрическая пьезоакселерометра

Выходное напряжение усилителя увеличивается за счет увеличения его коэффициента k=(1+R1R2), однако, лишь до известных пределов, так как с ростом коэффициента усиления усилителя и уменьшением глубины обратной связи возрастают погрешности.

Важной характеристикой измерительной цепи является постоянная времени τ = RC. Для измерительной цепи с усилителем напряжения сопротивление R определяется параллельно соединенными сопротивлениями изоляции датчика, кабеля, входным сопротивлением усилителя и сопротивлением R3. В качестве транзистора выберем полевой транзистор с p-n-переходом КП303Г, сопротивление которого составляет не менее 1011 Ом.

Сопротивление R3 стабилизирует уровень выходного напряжения усилителя, определяемый входным током усилителя. Так как входной ток усилителя Iвх не превышает 10-11 А, а напряжение на входе усилителя равно 1 В, то сопротивление R3 по закону Ома определится как: R3 = U/Iвх = 1/10-11 = 1011, Ом.

Анализ отдельных составляющих показывает, что определяющим сопротивлением является, как правило, сопротивление поверхностной утечки датчика, и значение R обычно не превышает 109 Ом. Таким образом, даже при больших значениях C постоянная времени

Заключение

акселерометр пьезоэлектрический измерение датчик

В результате выполнения курсового проекта произвели литературный обзор; патентный поиск за последние 10 лет; так же были определены основные геометрические параметры преобразователя.

Технические характеристики прибора:

масса, г 140

предел измеряемых ускорений, м/с2 0- 110

габаритные размеры преобразователя:

высота, мм 29.5

диаметр, мм 23.5

частотный диапазон, кГц 0.1- 1.5

Собственная масса этих акселерометров находится в пределах от 1/2 до 2 г. Специальные акселерометры являются оптимальными, например, для одновременного измерения в трех взаимно перпендикулярных направлениях, работы при высоких температурах, измерения больших ускорений или сильных механических ударов, калибровки вибродатчиков методом сравнения и для непрерывного контроля механических колебаний в промышленности и т. д.

Характеристики акселерометров (чувствительность, масса и динамический диапазон

Основным параметром акселерометра нормально считается чувствительность. Идеальным являлся бы акселерометр, отдающий электрический сигнал с возможно большой амплитудой.
Однако, уже на данном месте необходимо идти на компромисс, так как с большой чувствительностью нормально связана необходимость в относительно размерном пьезоэлементе и, следовательно, в увеличении размеров и собственной массы акселерометра.
В нормальных областях применения чувствительность акселерометра не является критическим параметром, так как современные предусилители рассчитаны на усиление сигналов с малыми амплитудами.
Собственная масса акселерометра становится важным параметром при измерении и анализе механических колебаний легких объектов. Образуемая акселерометром дополнительная масса может значительно влиять на амплитуду и частоту измеряемых и анализируемых колебаний.
За общее правило можно взять, что собственная масса акселерометра не должна превышать одну десятую динамической массы объекта, на котором он закреплен.
Рабочий динамический диапазон акселерометра необходимо учитывать при измерении и анализе механических колебаний с очень малыми или очень большими амплитудами ускорения.
Показанный на рисунке нижний предел рабочего динамического диапазона нормально не определяется непосредственно акселерометром, а скорее воспринимаемым и генерируемым соединительными кабелями и усилительными каскадами электрическим
шумом. При применении виброизмерительной аппаратуры общего назначения этот нижний предел нормально порядка 1/100 м/с 2 .

Верхний предел рабочего динамического диапазона акселерометра определяется прочностью его конструкции. Характеристика типичного акселерометра общего назначения линейна до 50000—100000 м/с 2 , т. е. до области амплитуд механических ударов. Специальные акселерометры, предназначенные для измерения и анализа механических ударов, линейны до 1000 км/с 2
(100 000 g).

Рабочий частотный диапазон акселерометров

Энергия механических колебаний, генерируемых механическими системами, обычно сосредоточена в относительно узком диапазоне частот, простирающемся от 10 до 1000 Гц. Однако, измерению и анализу нормально подлежит диапазон с верхним пределом около 10 кГц, так как частоты некоторых составляющих механических колебаний могут находиться в области более высоких и высоких частот. Следовательно, рабочий частотный диапазон используемого акселерометра должен перекрывать частотный диапазон измеряемых и анализируемых колебаний.

Нижний предел рабочего частотного диапазона акселерометра на практике определяется двумя факторами. Первым из них является нижняя частота среза используемого вместе с акселерометром усилителя. Отметим, что нижняя частота среза современных усилителей намного меньше 1 Гц и она не является важной причиной затруднений. Вторым фактором является влияние изменений температуры окружающей среды, к которым все акселерометры более или менее чувствительны. Современные акселерометры, пьезоэлемент которых работает под срезывающим усилием, минимально чувствительны к изменениям температуры, так что их можно применять в нормальных условиях окружающей среды при измерениях в частотном диапазоне с нижним пределом ниже 1 Гц.

Верхний предел рабочего частотного диапазона акселерометра определяется резонансом его системы масса — пружина.

Эмпирическим правилом можно принять, что погрешность измерения составляющих механических колебаний с частотами вблизи верхнего предела рабочего частотного диапазона акселерометра, равного 1/3 его резонансной частоты, не будет превышать + 12%.
Резонансная частота малогабаритных акселерометров, отличающихся малой собственной массой, доходит до 180 кГц, в то время как резонансная частота акселерометров общего назначения находится в области 20—30 кГц.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим акселерометрам, предназначенным для измерения вибрационных и ударных ускорений. Акселерометр содержит поджатые к основанию корпуса пьезочувствительный элемент, работающий на сжатие-растяжение, и инерционный элемент, соединенные электрически параллельно. При этом их вектора поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности акселерометра и направлены в разные стороны, и инерционный элемент выполнен из монокристаллического диэлектрика - пьезоэлектрического материала. Изобретение позволяет повысить осевую чувствительность акселерометра при сохранении его габаритов и массы, уменьшить величину смещения нулевой линии практически до 0 и уменьшить себестоимость. 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2400760

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим акселерометрам, предназначенным для измерения вибрационных и ударных ускорений.

Известны пьезоакселерометры, чувствительные элементы которых имеют предварительно напряженное состояние и работают по механической схеме осевого сжатия-растяжения. Классические схемы таких акселерометров содержат инерционный элемент и два кольцевых пьезоэлемента, расположенных последовательно по оси чувствительности и установленных на жестком цилиндрическом основании корпуса. Пьезоэлементы, как правило, имеют одинаковые геометрические размеры, выполняются из одного пьезоэлектрического материала и соединяются электрически параллельно с противоположным направлением векторов поляризации. Такая конструкция имеет простое устройство, обеспечивает удовлетворительное сочетание осевой чувствительности и резонансной частоты и широко используется в акселерометрах общего назначения, например, акселерометрах типа 4344, 8306, 8308, 8310 фирмы Брюль и Къер (. Bruel&Kjar. Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители. Справочник по теории и эксплуатации. Дания: Нерум. 1978 г.), типа 2215, 2273, 2275 фирмы Эндевко (. Endevco. Shock, Vibration, Pressure. Instrumentation Catalog. 1998 г.) и многих других фирм.

Однако несмотря на простоту, прочность и надежность конструкции, такие акселерометры имеют ряд недостатков: сравнительно большие габариты и массу, большую деформационную чувствительность и смещение (дрейф) нулевой линии при измерениях однократных ударов большой амплитуды. Эффект смещения нулевой линии обусловлен двумя факторами: невозвратом доменов пьезокерамики в исходное положение после прекращения механического воздействия и деформацией сдвига поверхности контакта между пьезоэлементами. Величина смещения нулевой линии может лежать в пределах ±100% от амплитуды сигнала (А.Н.Пелых, П.Г.Соколов. Некоторые особенности пьезокерамики акселерометров при больших однократных ударах. Электроника, Приборостроение. БТИ № 4. 1977 г., стр.8-15).

Известны пьезоакселерометры, чувствительные элементы которых работают по сдвиговой механической схеме. Сдвиговые акселерометры отличаются сравнительно малыми размерами и массой, что позволяет применять их для измерения ударов и испытаний легких объектов. Сдвиговую конструкцию имеют большинство акселерометров фирмы Брюль и Къер - например, типы 4321, 4374, 4370, 4378, 8318 , фирмы Эндевко - например, типы 22, 2220, 2221, 2222, 23, 225, 7701 и многих других фирм.

Сдвиговые акселерометры по сравнению с акселерометрами, работающими по схеме сжатия-растяжения, обеспечивают лучшую защиту от помех, связанных с деформацией основания и акустическими шумами. Легко центрируемая сдвиговая конструкция обеспечивает существенно меньшую поперечную чувствительность. Однако при измерениях однократных ударов большой амплитуды сдвиговые акселерометры также не лишены недостатка смещения нулевой линии, величина которого может лежать в пределах ±40% от амплитуды сигнала.

Известен также акселерометр, работающий по механической схеме сжатия-растяжения с одним пьезоэлементом, изготовленным из сегнетожесткого пьезокерамического материала, и инерционным элементом из монокристалла рубина, - акселерометр типа 8309 фирмы Брюль и Къер . Использование сегнетожесткого пьезокерамического материала для изготовления пьезоэлемента уменьшает эффект невозврата доменов в исходное положение, а использование монокристалла рубина обеспечивает идеальность плоскопараллельного напряженно-деформированного состояния пьезоэлемента, исключающего сдвиг поверхности контакта с инерционным элементом. В результате указанное устройство, выбранное в качестве прототипа, обладает приемлемой совокупностью таких параметров, как осевая чувствительность, собственная частота, амплитудный диапазон и величина смещения нулевой линии (±10%).

Однако недостатками известного акселерометра являются:

Сравнительно малая осевая чувствительность, что ограничивает точность измерения амплитудного диапазона акселерометра снизу (повышения осевой чувствительности можно достичь путем увеличения габаритов и массы инерционного элемента, что неприемлемо);

Невозможность дальнейшего снижения эффекта смещения нулевой линии, что уменьшает достоверность измерений;

Высокая себестоимость акселерометра из-за использования драгоценного камня - рубина.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании пьезоэлектрического акселерометра, измеряющего параметры однократных ударов малой длительности и большой амплитуды с высокой точностью и достоверностью.

Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются повышение осевой чувствительности акселерометра при сохранении его габаритов и массы, а также возможность уменьшения величины смещения нулевой линии практически до 0.

Кроме того, заявляемый акселерометр обладает меньшей себестоимостью.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем поджатые к основанию корпуса пьезочувствительный элемент, работающий на сжатие-растяжение, и инерционный элемент из монокристаллического диэлектрика, новым является то, что инерционный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала, при этом указанные элементы соединены электрически параллельно, а их векторы поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности акселерометра и направлены в разные стороны.

Выполнение инерционного элемента из пьезоэлектрического монокристаллического материала (например, монокристалла кварца) приводит к тому, что указанный элемент наряду с функцией инерционного элемента, обеспечивающего идеальное плоскопараллельное напряженно-деформированное состояние пьезочувствительного элемента, осуществляет функцию «дополнительного» пьезоэлемента. При направлении векторов поляризации указанных элементов в разные стороны заряд, генерируемый «дополнительным» пьезоэлементом, складывается с зарядом пьезочувствительного элемента, в результате чего повышается осевая чувствительность акселерометра без увеличения габаритов и массы инерционного элемента. Монодоменная структура кварца не подвержена развороту домена при действии механических напряжений под воздействием ускорения, поэтому генерирование заряда прекращается с прекращением действия ускорения. Полидоменная структура пьезокерамического материала, даже сегнетожесткого, из которого, как правило, выполнен пьезочувствительный элемент, подвержена развороту доменов при действии механических напряжений под воздействием ускорения, в связи с чем генерирование заряда продолжается с прекращением действия ускорения еще некоторое время, до возврата доменов в исходное положение, что и приводит к эффекту смещения нулевой линии. Количественно эффект смещения нулевой линии оценивается величиной отношения заряда, генерируемого после действия ускорения, к заряду - при действии ускорения. Большая величина этого отношения свидетельствует о большем проявлении указанного эффекта. Таким образом, в заявляемом акселерометре возможность уменьшения величины отношения заряда, генерируемого после действия ускорения, к суммарному заряду, генерируемому при действии ускорения, приводит к уменьшению эффекта смещения нулевой линии. Подбирая материалы пьезоэлементов по пьезомодулю и плотности, осевую чувствительность можно увеличить до 100% и более, а смещение нулевой линии уменьшить практически до 0.

На приведенном чертеже изображена конструктивная схема заявляемого пьезоэлектрического акселерометра.

Пьезоэлектрический акселерометр содержит пьезочувствительный элемент 1 и инерционный элемент 2, поджатые к основанию 3 корпуса 4 посредством упругого элемента 5, например, пружины. Пьезочувствительный элемент 1 выполнен, например, из сегнетожесткого пьезокерамического материала - титаната натрия висмута (ТНАВ). Инерционный элемент 2 выполнен из монокристаллического диэлектрика - пьезоэлектрического материала, например, кварца.

Векторы поляризации 7 и 8, соответственно инерционного элемента 2 и пьезочувствительного элемента 1, ориентированы вдоль оси чувствительности 10 акселерометра и направлены в разные стороны.

Электроды (выделены основными линиями) указанных элементов соединены электрически параллельно. С помощью токосъемника 11, установленного между пьезочувствительным 1 и инерционным 2 элементами, обеспечивается электрическое соединение первой пары электродов, а с помощью пружины 5 и крышки 6 - соединение второй пары электродов. При этом корпус 4 и крышка 6 выполнены из токопроводящего материала. С помощью токовыводов 9 осуществляется электрический съем сигнала.

Пьезоэлектрический акселерометр работает следующим образом. При воздействии на акселерометр ударного ускорения большой амплитуды в направлении оси чувствительности 10 пьезочувствительный элемент 1 испытывает плоскопараллельное напряженно-деформированное состояние сжатия с минимальным смещением (разворотом) доменов от исходного состояния в силу того, что указанный элемент изготовлен из сегнетожесткого пьезокерамического материала и поджат к основанию 3 через инерционный элемент 2 из монокристаллического диэлектрика, обеспечивающего исключение сдвига поверхности контакта между ними.

При таком напряженно-деформированном состоянии на электродах пьезочувствительного элемента 1 генерируется электрический заряд, пропорциональный воздействующему ускорению, с минимальным искажением (с минимальным смещением нулевой линии), чем и обеспечивается достоверность измерения. Одновременно с пьезочувствительным элементом 1 деформацию сжатия испытывает и инерционный элемент 2, на электродах которого также генерируется электрический заряд, пропорциональный воздействующему ускорению. Заряды пьезочувствительного и инерционного элементов, соединенных электрически параллельно, складываются, что увеличивает осевую чувствительность и повышает точность измерения.

Изготовлен макетный образец пьезоэлектрического акселерометра, проведенные испытания которого показали, что по сравнению с акселерометром типа 8309 фирмы Брюль и Къер при одинаковой собственной частоте достигнуто увеличение осевой чувствительности на 25% и уменьшение эффекта смещения нулевой линии на 20%. Кроме того, полученный образец имеет меньшие массу (2,8 г - заявляемый акселерометр, 3 г - известный акселерометр), габариты ( 6,9 мм×10,2 мм и 7 мм×10,8 мм соответственно) и обладает меньшей себестоимостью.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий поджатые к основанию корпуса пьезочувствительный элемент, работающий на сжатие-растяжение, и инерционный элемент из монокристаллического диэлектрика, отличающийся тем, что инерционный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала, при этом указанные элементы соединены электрически параллельно, а их вектора поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности акселерометра и направлены в разные стороны.