Пьезоакселерометры: принцип работы, виды и применение в измерительной технике — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое пьезоакселерометр. Как устроен пьезоакселерометр. Какие бывают виды пьезоакселерометров. Где применяются пьезоакселерометры. Каковы преимущества и недостатки пьезоакселерометров.

Содержание

Принцип работы пьезоакселерометра

Пьезоакселерометр — это датчик для измерения ускорения, работающий на основе пьезоэлектрического эффекта. Его основными элементами являются:

Пьезоэлектрический чувствительный элемент
Инерционная масса
Корпус

Принцип действия пьезоакселерометра основан на том, что при воздействии ускорения инерционная масса оказывает давление на пьезоэлемент. В результате пьезоэлектрического эффекта на электродах пьезоэлемента генерируется электрический заряд, пропорциональный действующему ускорению.

Основные виды конструкций пьезоакселерометров

Существует несколько основных типов конструкций пьезоакселерометров:

Сжатия — пьезоэлемент и инерционная масса расположены вертикально
Сдвиговые — пьезоэлемент работает на сдвиг
Изгибные — используется биморфный пьезоэлемент

Кольцевые — с кольцевым пьезоэлементом

Выбор конструкции зависит от требований к чувствительности, частотному диапазону и другим параметрам акселерометра.

Характеристики и параметры пьезоакселерометров

Основными характеристиками пьезоакселерометров являются:

Коэффициент преобразования (чувствительность) — отношение выходного сигнала к измеряемому ускорению
Диапазон измерения — максимальное измеряемое ускорение
Частотный диапазон — диапазон частот измеряемых колебаний
Резонансная частота — частота собственных колебаний акселерометра
Нелинейность
Поперечная чувствительность

Эти параметры определяют область применения и точность измерений конкретной модели акселерометра.

Применение пьезоакселерометров

Пьезоакселерометры широко используются в различных областях техники для измерения вибрации, ударов и ускорений:

Вибродиагностика машин и механизмов
Испытания на ударные и вибрационные воздействия
Сейсмические измерения
Системы навигации и ориентации
Транспортные средства (автомобили, самолеты, космические аппараты)
Мобильные устройства

Благодаря высокой чувствительности пьезоакселерометры позволяют измерять даже очень малые ускорения порядка 0,1-1 см/с².

Преимущества и недостатки пьезоакселерометров

К основным преимуществам пьезоакселерометров относятся:

Высокая чувствительность
Широкий динамический и частотный диапазон
Простота конструкции
Малые габариты и масса
Высокая надежность

Недостатками являются:

Невозможность измерения постоянного ускорения
Чувствительность к температуре
Необходимость усиления сигнала

При правильном выборе модели и условий эксплуатации пьезоакселерометры обеспечивают высокую точность измерений ускорения и вибрации.

Многокомпонентные пьезоакселерометры

Для измерения ускорения по нескольким осям применяются многокомпонентные пьезоакселерометры. Они позволяют измерять две или три ортогональные составляющие вектора ускорения. Конструктивно такие акселерометры содержат несколько пьезоэлементов, ориентированных по разным осям.

Трехкомпонентные акселерометры обычно выполняются в виде трехгранной пирамиды с пьезоэлементами на гранях или в виде куба с элементами на трех взаимно перпендикулярных гранях. Это позволяет получить полную информацию о векторе ускорения объекта.

Особенности применения пьезоакселерометров

При использовании пьезоакселерометров необходимо учитывать следующие факторы:

Способ крепления — влияет на верхнюю границу частотного диапазона
Масса акселерометра — не должна превышать 1/10 массы объекта измерений

Температурный диапазон — воздействие температуры изменяет чувствительность
Поперечная чувствительность — реакция на ускорение по неосновым осям
Влияние кабеля — может вносить дополнительные погрешности

Правильный учет этих факторов позволяет получить достоверные результаты измерений ускорения и вибрации с помощью пьезоакселерометров.

Калибровка пьезоакселерометров

Для обеспечения точности измерений пьезоакселерометры необходимо периодически калибровать. Основные методы калибровки:

Сравнение с эталонным акселерометром на вибростенде
Метод ударного возбуждения
Метод центрифуги
Гравитационный метод

При калибровке определяется актуальное значение коэффициента преобразования акселерометра. Это позволяет скорректировать погрешности, возникающие из-за старения пьезоэлемента и других факторов.

Перспективы развития пьезоакселерометров

Основные направления совершенствования пьезоакселерометров:

Повышение чувствительности и расширение динамического диапазона
Уменьшение габаритов и массы
Снижение влияния внешних факторов (температуры, электромагнитных полей и др.)
Интеграция с микроэлектронными схемами обработки сигнала
Разработка новых пьезоэлектрических материалов

Развитие технологий позволяет создавать все более совершенные пьезоакселерометры для решения сложных измерительных задач в различных областях техники.

Пьезоакселерометр

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустики. Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является измерение трех компонент вектора ускорения с помощью пьезоакселерометра, работающего на деформации сдвига. Известный однокомпонентный пьезоакселерометр содержит предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и пьезочувствительный элемент в виде трех пьезоэлектрических секторов, один из которых выполнен с осевой поляризацией, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, причем электроды подключены к предусилителю, введены второй и третий предусилители, при этом второй и третий пьезоэлектрические сектора выполнены с радиальной поляризацией и подключены ко второму и третьему предусилителям.

1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустике.

Известен трехкомпонентный акселерометр, содержащий корпус, который закреплен на базовом основании и закрыт колпачком. Корпус выполнен из металла в форме трехгранной пирамиды с тремя ортогональными плоскостями, на каждой из которых консольно закреплены по одному пьезоэлектрическому чувствительному элементу. Чувствительные элементы выполнены в виде пьезоэлектрических или биморфных пластин (Патент №2383025, кл. G01P 15/09, 2010 г.).

Недостатком трехкомпонентного акселерометра является слабая чувствительность к высоким частотам из-за консольного закрепления чувствительных элементов.

Наиболее близким по конструкции, совпадающим по характеру работы с заявленным, является однокомпонентный акселерометр, принятый за прототип предлагаемого трехкомпонентного акселерометра.

Прототип содержит предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и пьезочувствительный элемент в виде трех пьезоэлектирческих секторов, один из которых выполнен с осевой поляризацией, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями кольцевых пьезоэлектрических секторов, причем электроды подключены к предусилителю (Патент №2098831, кл.

G01P 15/09, 1998 г.).

Недостатком прототипа является ограниченность его применения случаем измерения одной компоненты ускорения.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является получение возможного измерения трех компонент ускорения.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известный пьезоакселерометр, содержащий предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и пьезочувствительный элемент в виде трех пьезоэлектирческих секторов, один из которых выполнен с осевой поляризацией, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, причем электроды подключены к предусилителю, дополнительно введены второй и третий предусилители, при этом второй и третий пьезоэлектрические сектора выполнены с радиальной поляризацией и подключены ко второму и третьему предусилителям.

Второй и третий пьезоэлектрические сектора пьезоакселерометра могут быть установлены таким образом, что линии, проведенные из центра данного кольцевого сечения пьезоакселерометра через середины второго и третьего пьезоэлектрических секторов, образуют прямой угол.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг. 1 представлена конструктивная схема пьезоакселерометра; на фиг. 2 — его электронная схема.

Пьезокселерометр содержит концентрично расположенные кольцевые инерционную массу 1, корпус 2 и пьезочувствительный элемент 3 в виде трех пьезоэлектрических секторов (на фиг. 1 не соприкасающихся друг с другом).

Один из трех пьезочувствительных элементов, например 4, выполнен с осевой поляризацией, а два других пьезочувствительных элемента, например 5₁ 5_2, выполнены с радиальной поляризацией, в частном случае расположенных под углом 90° друг к другу (сечение А-А справа).

Имеются также электроды 6, 7, контактирующие с боковыми поверхностями газоэлектрических секторов. При этом кольцевой корпус 2 выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов 5₁ и 5₂.

Электрическая схема пьезоакселерометра включает в себя три предусилителя 8, 9, 10, к входам которых подключены соответственно пьезоэлетрйческие сектора 5

1 5₂ и 4 по количеству измеряемых компонент х, у, z, как показано на фиг. 2.

Конкретное выполнение электродов 6, 7 в пьезоакселерометре является НОУ-ХАУ заявителя.

Пьезоакселерометр работает следующим образом.

Закрепляют корпус пьезоакселерометра на исследуемом изделии (элементы крепления пьезоакселерометра не приведены).

При колебаниях корпуса 2 в среде вдоль осей х, у, z на пьезоэлементы 4, 5₁ и 5₂ действует сила инерции, деформирующая пьезоэлементы. На выходах пьезоэлементов появляются напряжения U_x, U_y, U_z, пропорциональные измеряемым компонентам вектора ускорения.

Таким образом, область применения акселерометра, работающего на деформации сдвига, расширена па случай измерения параметров вектора ускорения. Этим достигается поставленный технический результат.

1. Пьезоакселерометр, содержащий предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и пьезочувствительный элемент в виде трех пьезоэлектрических секторов, один из которых выполнен с осевой поляризацией, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, причем электроды подключены к предусилителю, отличающийся тем, что в него введены второй и третий предусилители, при этом второй и третий пьезоэлектрические сектора выполнены с радиальной поляризацией и подключены ко второму и третьему предусилителям.

2. Пьезоакселерометр по п. 1, отличающийся тем, что второй и третий пьезоэлектрические сектора установлены таким образом, что линии, проведенные из центра данного кольцевого сечения пьезоакселерометра через середины второго и третьего пьезоэлектрических секторов, образуют прямой угол.

Похожие патенты:

Пьезоэлектрический акселерометр // 2566411

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустики. Пьезоэлектрический акселерометр содержит предусилитель и концентрично расположенные кольцевые инерционную массу, корпус и первый пьезочувствительный элемент с осевой поляризацией в виде пары пьезоэлектрических секторов, не соприкасающихся друг с другом, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пары пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями пары кольцевых пьезоэлектрических секторов, имеющих различную поляризацию, причем электроды подключены к предусилителю, при этом в него введены второй и третий предуселители, а также второй кольцевой пьезочувствительный элемент, установленный над первым кольцевым пьезочувствительным элементом и выполненный в виде двух пар радиально поляризованных секторов, снабженных электродами, контактирующими с боковыми поверхностями секторов, при этом предуселители выполнены дифференциальными, а сектора пар второго кольцевого пьезочувствительного элемента имеют одинаковую поляризацию, причем три пары первого и второго кольцевых пьезочувствительных элементов через электроды подключены к входам трех соответствующих дифференциальных усилителей.

Линейный микроакселерометр с оптической системой // 2564810

Изобретение относится к области измерительной техники и касается линейного микроакселерометра с оптической системой. Микроакселерометр включает в себя корпус, две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя.

Вибродатчик с элементом цифровой калибровки // 2558636

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для вибродиагностики технологического оборудования. Вибродатчик с элементом цифровой калибровки выполнен в виде металлического корпуса с фланцем для крепления на контролируемом объекте.

Линейный акселерометр // 2552553

Изобретение относится к измерительной технике. Акселерометр содержит кремниевую подложку, на которую нанесен пьезоэлектрический слой, например, из окиси цинка в виде прямоугольной вытянутой дорожки.

Микромеханический акселерометр // 2543686

Изобретение относится к устройствам для измерения линейных ускорений и может быть использовано для одновременного измерения ускорений вдоль трех взаимно перпендикулярных осей.

Волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта // 2539681

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения линейного ускорения. Волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения состоит из двух каналов приемо-передачи оптического излучения и чувствительного элемента, включающего два устройства ориентации оптического излучения, выполненные из кварцевого стекла в форме параллелепипеда, частично покрытые зеркальным напылением, и устройство поглощения оптического излучения, которое консольно закреплено через прокладки между устройствами ориентации оптического излучения и выполнено в виде балки из светопоглощающего материала с грузом, закрепленным на ее конце.

Акселерометр поляризационно-оптический // 2538929

Изобретение относится к приборостроению, а именно к акселерометрам, предназначенным для измерения малых ускорений. Акселерометр содержит ячейку из двух параллельно установленных поляроидов с чувствительным элементом между ними, выполненным из прозрачного тензочувствительного материала — полиуретана, имеющего форму клина.

Пьезоэлектрический датчик удара // 2533539

Изобретение относится к пьезоэлектрическим датчикам и может быть использовано, в частности, в системах диагностики автомобиля и системах автосигнализации. Сущность: датчик включает пьезоэлектрическое рабочее тело и систему регистрации.

Способ и 3d-приемник измерения вектора механических колебаний // 2530479

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению параметров механических колебаний в широкой полосе частот. Изобретение может быть использовано для измерения волновых параметров механических колебаний различных объектов в строительстве, машиностроении, акустике и т.д.

Устройство для измерения продолжительности удара // 2512104

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике измерения параметров удара на стендах и может быть использовано при исследовании ударного взаимодействия тел.

Низкочастотный сложенный маятник с высокой механической добротностью в вертикальной конфигурации и вертикальный сейсмический датчик, использующий такой сложенный маятник // 2589944

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в сейсмоприемных устройствах. Предложен сложенный маятник, который может быть реализован в виде монолитного маятника, который не расположен в вертикальной конфигурации, т.е. повернутый на 90°, либо в направлении по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. В частности, вариант такого вертикального сложенного маятника в монолитной конфигурации представляет более компактную реализацию, охарактеризованную высоким разделением вертикальной степени свободы от других степеней свободы. Технический результат — достижение оптимальной механической добротности устройства. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Пьезоэлектрический преобразователь пространственной вибрации и способ контроля его работоспособности на работающем объекте // 2602408

Изобретение относится к метрологии. Пьезоэлектрический преобразователь содержит ортогональную систему из четырех однокомпонентных вибропреобразователей. Ось чувствительности четвертого преобразователя проходит через центр ортогональной системы координат и ориентирована относительно каждой из осей под заданными углами и образует с осями три некомпланарные и неколлинеарные пространственные косоугольные системы координат. Ось чувствительности четвертого преобразователя предпочтительно совмещена с плоскостью, проходящей через вертикальную ось и биссектрису угла между горизонтальными осями ортогональной системы координат и ориентирована под острым углом к вертикальной оси. Корпус преобразователя содержит разъем и элементы крепления. Контроль работоспособности преобразователя предполагает определение значений проекций ортогонального и косоугольного пространственного вектора вибрации объекта, которые приводят к ортогональной системе координат. Затем определяют модули вектора вибрации, их суммируют и определяют среднее значение. Вычисляют отклонение вибрации от среднего значения, сравнивают эти отклонения c заданным отклонением и определяют работоспособность преобразователя. Технический результат — получение объективной информации о функционировании устройства. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 5 табл.

Способ и устройство для обнаружения подводных сигналов // 2603438

Раскрыты способы и устройства, которые облегчают обнаружение подводных сигналов при геофизических исследованиях. Один вариант осуществления относится к преобразователю, включающему в себя консоль, соединенную с основанием. Консоль может включать в себя стержень и первую соединительную поверхность, ориентированную под углом от стержня, а основание может включать в себя вторую соединительную поверхность, ориентированную под углом от стержня и по существу параллельную первой соединительной поверхности консоли. Преобразователь может дополнительно включать в себя чувствительный материал, присоединенный между первой соединительной поверхностью консоли и второй соединительной поверхностью основания. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

Способ склеивания элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения // 2607224

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при изготовлении пьезоэлектрического датчика ударного ускорения для соединения его элементов, в частности — в технологии создания клеевых электропроводящих композиций. Способ склеивания элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения включает создание клеевого состава путем смешивания эпоксидного клея с каучуком не менее 60% массовых долей и графитом не более 10% массовых долей с дальнейшим вводом в полученный клеевой состав токопроводящих калиброванных частиц размером 20-80 мкм с нанесением клеевого состава на поверхность. Осуществляют соединение поверхностей и вулканизацию при температуре от 100°C до 110°C. В клеевой состав вводят растворитель в соотношении от 1:10 до 1:3 от объема клеевого состава. В качестве токопроводящих частиц используют ферромагнитные частицы размером не более 10 мкм в количестве 2-10% массовых долей. В качестве калиброванных частиц используют стеклянные или полимерные микросферы. Вулканизацию проводят под давлением 0,05-0,20 МПа в течение 21-24 ч в постоянном магнитном поле с индукцией не менее 0,2 Тл, силовые линии которого перпендикулярны склеиваемым поверхностям. Технический результат, достигаемый при использовании способа по изобретению заключается в обеспечении повышения точности и надежности измерений ударных ускорений пьезоэлектрическим датчиком в условиях интенсивного ударного ускорения при повышенной температуре и/или высокочастотных неизмеряемых воздействиях.

Акселерометр // 2614661

Изобретение относится к устройствам, измеряющим переменное ускорение, а именно к акселерометрам, которые могут быть использованы в качестве сейсмодатчиков, вибродатчиков, датчиков удара и т. д. Акселерометр состоит из n каналов, соответствующих n координатам (n=1÷3), каждый из которых содержит совокупность электронных блоков: чувствительный элемент, ориентированный осью чувствительности по присвоенной ему координате; блок обработки электрического сигнала и подачи его на выход акселерометра; вторичный блок питания для каждого из блоков обработки электрического сигнала, механически закрепленных внутри пылевлагозащищенного корпуса, при этом совокупность электронных блоков для каждого из каналов выполнена на основе заготовки однокоординатного малогабаритного акселерометра в отдельном пылевлагозащищенном корпусе. Технический результат – повышение технологичности конструкции и процесса изготовления акселерометра, а также его унификации. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Ударопрочный малогабаритный высокочувствительный пьезоэлектрический акселерометр // 2615600

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным высокочувствительным пьезоэлектрическим акселерометрам, транспортировка и установка которых связана с большими внешними воздействиями. Акселерометр содержит корпус, инерционную массу М, пьезоэлементы, винт с пружиной, при этом инерционная масса, пьезоэлементы, винт и пружина установлены на промежуточном основании с массой m (m<0,1⋅М), связанном с основанием корпуса дополнительной пружиной, зазор между инерционной массой и корпусом — Δx, и жесткость пружины К выбираются из условия K⋅Δx<0,3⋅Gmax⋅S, где Gmax — максимально допустимые напряжения в пьезоэлементах площадью S. Технический результат – повышение стойкости малогабаритного акселерометра к большим внешним ускорениям в сочетании с высоким значением коэффициента преобразования. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Малогабаритный датчик удара // 2621467

Использование: для измерения параметров удара. Сущность изобретения заключается в том, что малогабаритный датчик удара состоит из пьезокерамического элемента, закрепленного внутри корпуса, внешние электроды которого соединены проводниками с токоподводящими выводами, соединяющими их с внешними цепями, в качестве пьезокерамического элемента использован пьезокерамический элемент биморфный, изготовленный по пленочной технологии, закрепленный компаундом одним из концов в виде консоли внутри металлокерамического корпуса, где внешние электроды пьезокерамического элемента биморфного соединены проводниками с контактными площадками корпуса, предназначенного для поверхностного монтажа. Технический результат: обеспечение возможности повышения ударной прочности изделия и его чувствительности, уменьшения габаритных размеров и массы при улучшенных характеристиках корпуса, ударной прочности изделия и его чувствительности, уменьшения влияния на эксплуатационные характеристики паразитного пироэффекта, улучшения направленной избирательности. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Пьезоэлектрический акселерометр // 2627571

Изобретение относится к датчикам для измерения вибрационных и ударных ускорений сложных технических объектов, работающих в условиях экстремальных механических перегрузок. Техническим результатом является снижение чувствительности пьезоэлектрического акселерометра к деформации контролируемого объекта при уменьшении габаритов, повышении резонансной частоты и увеличении верхней границы рабочего диапазона частот. Компенсационный пьезоэлектрический элемент с поперечным радиальным направлением поляризации, установленный на диэлектрической прокладке между рабочим пьезоэлементом и основанием, позволяет преобразовать механические напряжения, возникающие в основании вследствие его деформации, в пропорциональный электрический сигнал, который используется для компенсации сигнала помехи от деформации контролируемого объекта. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Линейный микроакселерометр // 2629654

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах ориентации и навигации. Линейный микроакселерометр содержит основание, рамку с инерционной массой, закрепленной на упругих подвесах, датчик положения, источник напряжения, четыре компаратора, два усилителя тока, ключ, электромагнитный силовой привод, состоящий из 2N катушек, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках, которые размещены с противоположных сторон рамки по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы с каждой стороны расположены магнитопроводы, замыкающие магнитные потоки катушек, причем входы катушек подключены к выходу ключа, входы которого через компараторы подключены к датчику положения, который выполнен оптическим и состоит из излучателя, подключенного к источнику напряжения, и двух фотоприемников, при этом между излучателем и фотоприемниками расположены четыре оптических кабеля, а инерционная масса выполнена в виде маятника с возможностью совершения крутильных колебаний на упругих подвесах вокруг одной оси и содержит две заслонки, установленные с возможностью перекрытия светового потока между излучателем и фотоприемниками, размещенными на основании. Технический результат – повышение точности, расширение диапазона измеряемых ускорений и уменьшение нелинейности. 4 ил.

Датчик с подвижным чувствительным элементом, работающим в смешанном вибрирующем и маятниковом режиме, и способы управления таким датчиком // 2632264

Группа изобретений относится к датчику, используемому для обнаружения ускорения, давления или, в целом, любой физической величины, изменение которой может привести к перемещению подвижного тела относительно корпуса. Датчик для измерения давления или ускорения содержит корпус; первое тело, подвижное вдоль чувствительной оси, две пары вторых тел, расположенные симметрично относительно первого тела вдоль чувствительной оси; преобразователи для обнаружения положения первого тела относительно корпуса, сообщения колебаний вторым телам вдоль оси вибрации и обнаружения частоты колебаний вторых тел; и средства поверхностной электростатической связи, связывающие каждое второе тело с первым телом таким образом, чтобы перемещение первого тела относительно корпуса вдоль чувствительной оси приводило соответственно к усилению или к ослаблению электростатической связи для одной и другой из пар вторых тел. Технический результат – повышение точности измерения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Cтраница 1

Пьезоакселерометр ОСПА-3 может быть использован в машино -, судо-и станкостроении, в авиационной промышленности. [1]

Общий вид ТРМЭ-датчика силы и разрез фланца с пьезоэлементом 1 — фланец, 2 — пробка резьбовая, 3 — прокладка металлическая, 4 — прокладка генаксовая, 5, 7 — электроды положительные, 6 — электрод отрицательный, 8 — слой резиновый, 9, 10 — пьезопластины, 11 — втулка изолированная, 12 -шайба ( столик. [2]

Пьезоакселерометр ОСПА-1 может быть использован в машино -, судо-и станкостроении, а также в авиационной промышленности. [3]

Пьезоакселерометр ОСПА-2 также может быть использован в машино -, судо — и станкостроении, в авиационной промышленности. [4]

Схема пьезоакселерометра изображена на рис. 34, в. От известных схем дифференциальных пьезоакселерометров преобразователь ОСПА-3 отличается тем, что в целях повышения чувствительности по заряду изолятор выполнен из пьезоэлектрического материала. [5]

Выбор пьезоакселерометра в качестве основного измерительного устройства объясняется его высокой чувствительностью, так как возникает практическая необходимость измерять ускорения порядка 0 1 — 1 см / с2 в широкой полосе частот. Измерение динамических усилий на стыках деталей или конструкций осуществляется пьезодатчиками силы с чувствительностью порядка 1 В / кгс. Датчики силы должны устанавливаться во всех точках жесткого крепления конструкции и, следовательно, воспринимать все статические и весовые нагрузки, действующие на конструкцию. При исследованиях вибраций амортизированных механизмов может использоваться динамометр, состоящий из рези-нометаллического амортизатора с вставленным внутрь резинового массива пьезоэлементом. Приложение к амортизатору динамической нагрузки вызывает переменные напряжения растяжения-сжатия резинового массива, которые, воздействуя на пьезоэлементы, создают на его обкладках электрическое напряжение, пропорциональное амплитуде силы. Динамометр предварительно тарируется на специальном стенде. [6]

Схема пьезоакселерометра ОСПА-1 изображена на рис. 34, а. От известных схем дифференциальных пьезоакселерометров преобразователь ОСПА-1 отличается тем, что в целях повышения чувствительности по заряду изолятор выполнен из пьезокерамического материала. [8]

Для измерения параметров вибрации в цеховых и натурных условиях разработаны помехоустойчивые пьезоакселерометры, нечувствительные к сильным электрическим и электромагнитным полям. Эти датчики имеют симметричный электрический выход и работают совместно с дифференциальными усилителями заряда, вычитающими сигнал помехи. Для этих же целей разработана помехоустойчивая многоканальная усилительная аппаратура. [9]

Шестнадцатиканальный дифференциальный усилитель для измерения вибраций БДУ-16М предназначен для усиления и фильтрации электрических сигналов с дифференциальных пьезоакселерометров и дальнейшей регистрации их на многоканальный измерительный магнитофон. [10]

На этой схеме представлены: 1 — вибростенд типа LINGDYNAMIK, 2 — задающий генератор, 3 — блок управления и контроля, 4 — испытуемый объект ( гидроопора), 5 — нагрузочная масса, 6 — первичные преобразователи вибросигнала ( пьезоакселерометры), 7 — блок анализа выходного вибросигнала. Справа приведена выходная характеристика движения стола вибростенда. [11]

Колебания стола и штифтов измерялись с помощью пьезоакселерометров. [15]

Страницы: 1 2

Пьезоэлектрические акселерометры: практическое руководство

СОДЕРЖАНИЕ

Конструкции акселерометров
Типы акселерометров
Характеристики акселерометра
Диапазон частот датчика
Ошибки резонанса

Пьезоэлектрический акселерометр является самогенерирующим, поэтому ему не требуется источник питания. Нет движущихся частей, которые могут изнашиваться, и, наконец, его выходной сигнал, пропорциональный ускорению, может быть интегрирован для подачи сигналов, пропорциональных скорости и смещению. Они способны работать при экстремальных температурах, но имеют ограничения из-за высокого выходного импеданса, требующего малошумящих кабелей и усилителей заряда для обработки сигнала.

Сердцем пьезоэлектрического акселерометра является срез пьезоэлектрического материала, обычно искусственно поляризованной ферроэлектрической керамики, который проявляет уникальный пьезоэлектрический эффект. Когда он подвергается механическому напряжению при растяжении, сжатии или сдвиге, он генерирует электрический заряд на своих полюсных поверхностях, пропорциональный приложенной силе.

В практических конструкциях акселерометров пьезоэлектрический элемент устроен так, что при вибрации узла масса прикладывает к пьезоэлектрическому элементу силу, пропорциональную вибрационному ускорению. Это видно из закона 9.0029 Сила = Масса x Ускорение .

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ
ДАТЧИК АКСЕЛЕРОМЕТРА

Для частот, лежащих значительно ниже резонансной частоты всей системы пружина-масса, ускорение массы будет таким же, как ускорение основания, и амплитуда выходного сигнала следовательно, будет пропорциональна ускорению, которому подвергается датчик.

Обычно используются две конфигурации:

Тип сжатия, когда масса оказывает сжимающее усилие на пьезоэлектрический элемент, и тип сдвига, когда масса оказывает сдвигающее усилие на пьезоэлектрический элемент.

У большинства производителей на первый взгляд широкий ассортимент акселерометров, может быть, слишком много, чтобы сделать выбор простым.

Небольшая группа типов «общего назначения» удовлетворит большинство потребностей. Они доступны с верхними или боковыми разъемами и имеют чувствительность в диапазоне от 1 до 10 мВ или пКл на м/с ² . Чувствительность датчиков Uni-Gain® компании Brüel & Kjær нормализована до удобной «круглой цифры», такой как 1 или 10 пКл/мс ^-2, для упрощения калибровки измерительной системы.

Акселерометры CCLD/DeltaTron® или IEPE

Акселерометры CCLD (линейный привод постоянного тока) или акселерометры IEPE (интегрированная электроника пьезоэлектрические) представляют собой пьезоэлектрические акселерометры со встроенными предусилителями, которые выдают выходные сигналы в виде модуляции напряжения на мощности линия подачи.

Акселерометры IEPE компании Brüel & Kjær обладают высокой выходной чувствительностью, высоким отношением сигнал/шум и широкой полосой пропускания, что делает их подходящими как для измерений общего назначения, так и для измерения высокочастотной вибрации.

Эти акселерометры представляют собой высокопроизводительные приборы с более высокой выходной чувствительностью, чем стандартные пьезоэлектрические акселерометры (без встроенных усилителей). Они герметичны для защиты от загрязнения окружающей среды, имеют низкую восприимчивость к радиочастотному и электромагнитному излучению, а также низкое выходное сопротивление благодаря внешнему источнику питания постоянного тока. Выход с низким импедансом позволяет использовать недорогие коаксиальные кабели для акселерометров.

Характеристики многих акселерометров, не входящих в диапазон общего назначения, ориентированы на конкретное применение. Пример; небольшие акселерометры, предназначенные для высокоуровневых или высокочастотных измерений, а также для использования на хрупких конструкциях, панелях и т. д., которые весят ок. от 0,5 до 2 грамм.

Прочие типы специального назначения оптимизированы для одновременного измерения в трех взаимно перпендикулярных направлениях; высокие температуры; очень низкий уровень вибрации; потрясения высокого уровня; калибровка других акселерометров путем сравнения; и постоянный мониторинг промышленных машин.

Чувствительность является первой обычно рассматриваемой характеристикой. В идеале мы хотели бы иметь высокий выходной уровень, но здесь мы должны пойти на компромисс, потому что высокая чувствительность обычно влечет за собой относительно большой пьезоэлектрический блок и, следовательно, относительно большой и тяжелый блок.

В нормальных условиях чувствительность не является критической проблемой, поскольку современные предусилители рассчитаны на прием этих низкоуровневых сигналов. Масса акселерометров становится важной при измерении на легких тестовых объектах. Дополнительная масса может значительно изменить уровни и частоты вибрации в точке измерения.

Как правило, масса акселерометра не должна превышать одной десятой динамической массы вибрирующей части, на которой он установлен. Если необходимо измерить аномально низкий или высокий уровень ускорения, следует учитывать динамический диапазон акселерометра.

Нижний предел, показанный на чертеже, обычно определяется не непосредственно акселерометром, а электрическими помехами от соединительных кабелей и схемы усилителя. Этот предел обычно не превышает одной сотой м/с ² с инструментами общего назначения.

Верхний предел определяется прочностью конструкции акселерометра. Типичный акселерометр общего назначения является линейным в диапазоне от 50000 до 100000 м/с ² , что находится в диапазоне механических ударов. Акселерометр, специально разработанный для измерения механических ударов, может быть линейным до 1000 км/с ² (100000 g).

Механические системы, как правило, имеют большую часть своей энергии вибрации, содержащейся в относительно узком диапазоне частот от 10 Гц до 1000 Гц, но измерения часто выполняются, скажем, до 10 кГц, поскольку на этих более высоких частотах часто присутствуют интересные компоненты вибрации. Поэтому при выборе акселерометра мы должны убедиться, что диапазон частот датчика может охватывать интересующий диапазон частот.

Диапазон частот датчика вибрации, в котором акселерометр выдает истинные выходные данные, на практике ограничивается на низкочастотном конце двумя факторами. Во-первых, это отсечка низких частот усилителя, которая следует за ним. Обычно это не проблема, так как предел обычно значительно ниже одного Гц.

Второй — влияние колебаний температуры окружающей среды, к которым чувствителен акселерометр. В современных акселерометрах сдвигового типа этот эффект минимален, что позволяет проводить измерения с частотой ниже 1 Гц для нормальных условий.

Верхний предел определяется резонансной частотой системы масса-пружина самого акселерометра. Как правило, если мы установим верхний предел частоты на одну треть резонансной частоты акселерометра, мы знаем, что вибрация, измеренная на верхнем пределе частоты компонента, будет погрешна не более чем на + 12%. .

У небольших акселерометров с малой массой резонансная частота может достигать 180 кГц, но для более крупных акселерометров общего назначения с более высоким выходом типичны резонансные частоты от 20 до 30 кГц.

Так как акселерометр обычно имеет повышенную чувствительность на высокочастотном конце из-за его резонанса, его выходные данные не будут давать истинного представления вибрации в точке измерения на этих высоких частотах.

При частотном анализе сигнала вибрации можно легко определить, что высокочастотный пик обусловлен резонансом акселерометра, и поэтому игнорировать его. Но если брать общее широкополосное показание, включающее резонанс акселерометра, это даст неточный результат, если в то же время измеряемая вибрация также имеет компоненты в районе резонансной частоты.

Эта проблема решается за счет выбора датчика вибрации с как можно более широким частотным диапазоном и использования фильтра нижних частот, который обычно входит в комплект виброметров и предусилителей, для отсекания нежелательного сигнала, вызванного резонансом акселерометра.

Если измерения ограничены низкими частотами. эффекты высокочастотной вибрации и резонанса акселерометра, такие как перегрузки электроники, можно устранить с помощью механических фильтров. Они состоят из упругой среды, обычно резины, наклеенной между двумя монтажными дисками, которые устанавливаются между акселерометром и монтажной поверхностью. Обычно они снижают верхний предел частоты до 0,5–5 кГц.

ПОЛУЧИТЬ ПОЛНОЕ РУКОВОДСТВО
ИЗМЕРЕНИЕ ВИБРАЦИИ
КОМПАНИЕЙ BRÜEL & KJÆR

ЗАГРУЗИТЬ СЕЙЧАС

Пьезоэлектрические акселерометры

Если вы хотите создать пьезоэлектрический акселерометр, отвечающий вашим конкретным потребностям и спецификациям, вам могут помочь прецизионные компоненты пьезоэлектрического акселерометра. Выберите один из стандартных вариантов компонентов пьезоэлектрического датчика, а также индивидуальные решения, основанные на ваших конкретных потребностях.

Независимо от того, нужно ли вам производить большие объемы специализированных пьезодатчиков, специализированные экспериментальные устройства в небольших количествах или датчики для университетских и частных исследований, важно начать с правильных типов качественных компонентов.

Свяжитесь с APC сегодня

Принципы работы

Акселерометр — это тип датчика, который измеряет силу, вызванную ускорением датчика. Для наглядности представьте деревянный ящик с колесами и бетонный блок внутри. Теперь представьте, что кто-то сильно толкает эту коробку. Если этот человек достаточно быстро толкнет коробку и разгонит ее, бетонный блок внутри коробки может соскользнуть. Это связано с тем, что и коробка, и бетонный блок обладают инерцией и соответственно сопротивляются изменениям в своем движении.

Когда ящик ускоряется, внутренняя поверхность оказывает сдвигающее усилие на поверхность бетонного блока, тем самым заставляя блок двигаться вместе с ящиком, если только поперечное усилие не превышает максимально допустимую силу из-за трения. Однако, если бы этот блок был прочно приклеен к внутренней поверхности коробки, блок никогда не скользил бы независимо от скорости ускорения.

Теперь предположим, что цемент между блоком и внутренней поверхностью коробки заменен пьезоэлектрической пластиной с режимом сдвига, воспринимающей силу сдвига. Соответствующие провода присоединяются от пьезопластины к мультиметру. В этом случае, если вы решите хорошенько подтолкнуть коробку, вы можете заметить изменение показаний напряжения. Это изменение показаний напряжения соответствует сдвигающей силе между блоком и коробкой.

Метафоры в сторону, то, что вы, возможно, представляли себе, это грубый и простой пьезоакселерометр. Основной принцип работы любого акселерометра заключается в том, что масса известной величины подвешивается и удерживается калиброванным датчиком силы. Таким образом, преобразователь может измерять всю силу, действующую на массу из-за ускорения. В случае пьезоакселерометра сила измеряется с помощью встроенного пьезодатчика.

Типы конфигураций

Во многих случаях требования к конструкции требуют, чтобы акселерометр был способен измерять компоненты ускорения в нескольких направлениях. В этом случае несколько масс и преобразователей встроены в единый компактный блок и образуют многоосевой акселерометр. Например, двухосевой пьезоэлектрический акселерометр будет включать в себя два набора масс и пьезодатчиков, расположенных вдоль желаемых осей измерения. Они объединены в единый пакет. Точно так же трехосевой акселерометр будет включать в себя три набора масс и датчиков, ориентированных и откалиброванных соответствующим образом.

В некоторых приложениях могут даже потребоваться пьезоэлектрические акселерометры для измерения вращательного ускорения вокруг одной или нескольких осей. Нужен ли вам трехосевой акселерометр, который измеряет компоненты линейного и вращательного ускорения по каждой из трех осей (всего шесть измерений)? В APC International есть инженеры, которые могут проконсультировать вас по вопросам разработки такого оборудования.

Пьезоэлектрические акселерометры могут включать или не включать встроенную схему формирования сигнала. Проще говоря, схема обработки сигнала получает необработанное выходное напряжение от пьезодатчиков акселерометра. Затем он преобразует его в более удобный сигнал, который легче обрабатывается приборами.

Схема формирования сигнала может включать в себя фильтры, усилители, ограничители, ограничители или любую другую комбинацию аналоговых и цифровых схем, необходимую для преобразования необработанных выходных данных акселерометра в пригодные для использования форматы. Некоторые люди предпочитают использовать токовые петли в качестве выхода для помехоустойчивости и обнаружения неисправностей — другие могут предпочесть выходы по напряжению с заданным выходным сопротивлением.

Без интегральной обработки сигнала пьезоэлектрические датчики работают в режиме заряда. В режиме зарядки необработанные выходные напряжения с высоким импедансом акселерометра подаются непосредственно по кабелю на соответствующую электронику или контрольно-измерительные приборы.

Преимущества пьезоакселерометра

Пьезоакселерометры предлагают ряд преимуществ, в том числе:

Частотная характеристика — Пьезоэлектрические датчики имеют широкую частотную характеристику. В конце концов, пьезодатчики используются в самых разных приложениях, от восприятия низких частот бас-гитары до восприятия и передачи высоких частот ультразвукового устройства. Это означает, что производительность пьезоэлектрических акселерометров в широком диапазоне частот не имеет себе равных среди других технологий акселерометров, представленных в настоящее время на рынке.

Температурная стабильность — Пьезоэлектрические датчики по своей природе стабильны в широком диапазоне температур. Эта характеристика позволяет удобно использовать пьезоакселерометры в приложениях, где конкурирующие технологии быстро выходят из строя. Некоторые из наших пьезоакселерометров могут работать при температурах до 160 C (320 F). Это позволяет устанавливать их непосредственно на многие типы промышленного оборудования без необходимости охлаждения.

Прочность — Наши пьезоакселерометры очень надежны. Это связано с их твердотельной конструкцией и нашим исключительным производственным опытом, приобретенным с момента основания в 1986 году.

Адаптивность — Когда вы сообщите нам о своем предполагаемом применении, наши инженеры приложат все усилия, чтобы гарантировать, что вы получите удовлетворительный продукт — продукт, который соответствует или превосходит требования вашего предполагаемого применения.

Электрические характеристики — Для всех практических целей выходные напряжения наших пьезоэлектрических акселерометров линейны и пропорциональны измеренным показателям ускорения. Это значительно упрощает преобразование сигнала и даже позволяет размещать электронику преобразования сигнала на значительном расстоянии от акселерометра. У нас также есть навыки и опыт, необходимые для реализации аппаратного обеспечения преобразования сигналов, чтобы удовлетворить уникальные ожидания клиентов.

Типичные области применения

Пьезоакселерометры
можно использовать в различных условиях и средах, и у многих наших клиентов есть уникальные приложения. Инженеры APC International могут помочь вам разработать решение, точно отвечающее вашим требованиям. Некоторые распространенные приложения включают:
Датчики детонации двигателя — Производители двигателей постоянно сталкиваются с проблемами, связанными с контролем параметров двигателя. При неблагоприятных обстоятельствах бензиновые двигатели подвержены нежелательному явлению, известному как детонация. При детонации воздушно-топливный заряд взрывается, а не плавно горит, что приводит к повреждению двигателя.
Исторически сложилось так, что большинство производителей проектировали двигатели с консервативными эксплуатационными запасами в ущерб эффективности, чтобы избежать этой печально известной проблемы. Однако с развитием более совершенных систем управления соответствующие параметры двигателя можно регулировать в режиме реального времени, чтобы максимизировать эффективность и мощность. Если детонация начинает происходить, датчики детонации двигателя могут обнаружить детонацию до того, как она станет проблематичной, чтобы системы управления могли внести необходимые коррективы. Наши пьезоакселерометры особенно подходят для датчиков детонации двигателя, учитывая их термостабильность и высокую частотную характеристику.
Испытания и мониторинг вибрации — Пьезоэлектрические акселерометры часто используются для анализа вибрации машин. В некоторых случаях инженеры могут захотеть постоянно отслеживать вибрации одного или нескольких элементов оборудования, пытаясь предсказать дорогостоящие отказы до того, как они произойдут. В других случаях заказчик может заботиться о минимизации шума оборудования. Они хотят внедрить мониторинг, чтобы можно было обнаружить чрезмерный шум, прежде чем он станет проблематичным.
Мониторинг ударных импульсов подшипников электродвигателя — Мониторинг ударных импульсов (SPM) подшипников электродвигателя — это относительно новый метод, используемый для контроля состояния и смазки подшипников. Всякий раз, когда в подшипнике происходит контакт металла с металлом во время работы оборудования, при столкновении металлических поверхностей генерируются ударные импульсы.
Здоровые подшипники демонстрируют относительно небольшое количество высокоамплитудных ударных импульсов среди множества ударных импульсов низкой амплитуды. Подшипники, срок службы которых приближается к концу или которые живут в «одолженное время», демонстрируют большое количество высокоамплитудных ударных импульсов. Это связано с тем, что металлические поверхности сталкиваются с большей силой и чаще, чем в здоровом подшипнике.
В типичной установке SPM на корпусе подшипника или рядом с ним устанавливается пьезодатчик, а для контроля выходного сигнала подключается прибор. Используя методы цифровой обработки сигналов, можно отслеживать и интерпретировать соотношение ударных импульсов высокой амплитуды к ударным импульсам низкой амплитуды для определения состояния подшипника. В некоторых случаях промышленные объекты, на которых используется много вращающегося оборудования, могут выбрать непрерывный мониторинг ударных импульсов. Это позволяет им заранее прогнозировать сбои и избегать дорогостоящих простоев.
Инерциальная навигация — Самолеты, космические корабли, подводные лодки и различные виды вооружения в значительной степени полагаются на инерциальную навигацию, которая позволяет им точно ориентироваться, используя передовые формы точного счисления. Прочность и термическая стабильность наших пьезоэлектрических акселерометров помогут вашей машине удовлетворительно работать в суровых условиях с экстремальными температурами.
Дроны и беспилотные летательные аппараты — Автономные летательные аппараты широко используют акселерометры для контроля их устойчивости и положения.
Испытание на удар — Оборудование для испытаний на удар и удар требует надежных и надежных средств измерения длительного удара. Часто тесты такого рода повторяются несколько раз, и соответствующие датчики должны выдерживать повторяющиеся неправомерные действия. Широкий рабочий диапазон и долговечность наших акселерометров делают их идеальными кандидатами для подобных приложений.
Контроль устойчивости автомобиля — Недавние изменения в автомобильных стандартах безопасности теперь требуют добавления контроля устойчивости автомобиля ко всем легковым автомобилям, производимым для продажи в США. Одним из важных для безопасности компонентов любой системы контроля устойчивости является точный и надежный набор акселерометров.
Сейсмические датчики — Сейсмические датчики требуют особенно чувствительных и прочных акселерометров, чтобы быть эффективными, поскольку датчики могут быть закопаны под землю в удаленных местах на годы вперед.