RU2400760C1

RU2400760C1 - Piezoelectric accelerometre

Info

Publication number: RU2400760C1
Application number: RU2009110796/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Кирпичев (RU); Александр Александрович Кирпичев
Original assignee: ООО "ГлобалТест"
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-09-27
Also published as: RU2009110796A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: accelerometer has a piezoelectric sensitive element working on compression and stretching and an inertial element electrically connected in parallel and pressed to the base of a housing. The polarisation vectors of said elements are aligned along the axis of sensitivity of the accelerometer and are directed in different sides and the inertial element is made from monocrystalline dielectric material which is piezoelectric material.

EFFECT: invention increases axial sensitivity of the accelerometer with retention of its size and mass, reduces the offset value of the neutral line to virtually 0 and reduces cost price.

1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим акселерометрам, предназначенным для измерения вибрационных и ударных ускорений.The invention relates to measuring technique, in particular to piezoelectric accelerometers designed to measure vibration and shock accelerations.

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 ([1]. Bruel&Kjar. Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители. Справочник по теории и эксплуатации. Дания: Нерум. 1978 г.), типа 2215, 2273, 2275 фирмы Эндевко ([2]. Endevco. Shock, Vibration, Pressure. Instrumentation Catalog. 1998 г.) и многих других фирм.Piezo accelerometers are known whose sensitive elements have a prestressed state and operate according to a mechanical axial compression-tension scheme. The classical schemes of such accelerometers contain an inertial element and two annular piezoelectric elements arranged in series along the sensitivity axis and mounted on a rigid cylindrical base of the housing. Piezoelectric elements, as a rule, have the same geometric dimensions, are made of the same piezoelectric material and are connected electrically in parallel with the opposite direction of the polarization vectors. This design has a simple device, provides a satisfactory combination of axial sensitivity and resonant frequency and is widely used in general-purpose accelerometers, for example, accelerometers such as 4344, 8306, 8308, 8310 from Bruhl & Kjar ([1]. Bruel & Kjar. Piezoelectric accelerometers and preamplifiers. Reference on the theory and operation. Denmark: Nerum. 1978), type 2215, 2273, 2275 firm Endevko ([2]. Endevco. Shock, Vibration, Pressure. Instrumentation Catalog. 1998) and many other firms.

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).However, despite the simplicity, strength and reliability of the design, such accelerometers have a number of disadvantages: relatively large dimensions and mass, large deformation sensitivity and zero line displacement (drift) when measuring single impacts of large amplitude. The zero line shift effect is due to two factors: the non-return of the piezoceramic domains to their original position after the cessation of mechanical action and the deformation of the shear of the contact surface between the piezoelectric elements. The value of the zero line shift can lie within ± 100% of the signal amplitude (A.N. Pelykh, P.G. Sokolov. Some features of the piezoceramics of accelerometers with large single impacts. Electronics, Instrumentation. BTI No. 4. 1977, p. 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 [1], фирмы Эндевко - например, типы 22, 2220, 2221, 2222, 23, 225, 7701 [2] и многих других фирм.Piezoaccelerometers are known, the sensitive elements of which work according to a shear mechanical scheme. Shear accelerometers are relatively small in size and mass, which allows them to be used to measure impacts and tests of light objects. Most of the Bruhl and Kjерr accelerometers — for example, types 4321, 4374, 4370, 4378, 8318 [1], Endevko — for example, types 22, 2220, 2221, 2222, 23, 225, 7701 [2] and many other firms.

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.Shear accelerometers compared to accelerometers operating according to the compression-extension scheme, provide better protection against interference associated with deformation of the base and acoustic noise. Easily centered shear design provides significantly lower lateral sensitivity. However, when measuring single hits of large amplitude, shear accelerometers are also not without a lack of a zero line offset, the value of which can lie within ± 40% of the signal amplitude.

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 [1]. 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%).Also known is an accelerometer operating according to a mechanical compression-tension scheme with one piezoelectric element made of a ferroelectric piezoceramic material and an inertial element from a ruby single crystal — an accelerometer type 8309 from Bruhl and Kj фирмыr [1]. The use of a ferro-rigid piezoelectric ceramic material for the manufacture of a piezoelectric element reduces the effect of domain non-return to the initial position, and the use of a ruby single crystal ensures the ideality of a plane-parallel stress-strain state of the piezoelectric element, which excludes the shift of the contact surface with the inertial element. As a result, the specified device, selected as a prototype, has an acceptable combination of parameters such as axial sensitivity, natural frequency, amplitude range, and zero line offset (± 10%).

Однако недостатками известного акселерометра являются:However, the disadvantages of the known accelerometer are:

- 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);- a relatively small axial sensitivity, which limits the accuracy of measuring the amplitude range of the accelerometer from below (increasing axial sensitivity can be achieved by increasing the dimensions and mass of the inertial element, which is unacceptable);

- невозможность дальнейшего снижения эффекта смещения нулевой линии, что уменьшает достоверность измерений;- the impossibility of further reducing the effect of the zero line shift, which reduces the reliability of the measurements;

- высокая себестоимость акселерометра из-за использования драгоценного камня - рубина.- The high cost of the accelerometer due to the use of a gemstone - ruby.

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.The problem to which the invention is directed, is to create a piezoelectric accelerometer that measures the parameters of single impacts of short duration and large amplitude with high accuracy and reliability.

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.The technical results achieved during the implementation of the invention are to increase the axial sensitivity of the accelerometer while maintaining its dimensions and mass, as well as the ability to reduce the magnitude of the zero line offset to almost 0.

Кроме того, заявляемый акселерометр обладает меньшей себестоимостью.In addition, the inventive accelerometer has a lower cost.

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.The indicated technical results are achieved by the fact that in a piezoelectric accelerometer containing a piezosensitive compression-tensile element pressed against the base of the body and an inertial element of a single-crystal dielectric, it is new that the inertial element is made of a piezoelectric material, while these elements are electrically connected in parallel, and their polarization vectors are oriented along the axis of sensitivity of the accelerometer and are directed in different directions.

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.The execution of the inertial element from a piezoelectric single crystal material (for example, quartz single crystal) leads to the fact that this element, along with the function of the inertial element providing the ideal plane-parallel stress-strain state of the piezoelectric element, performs the function of an "additional" piezoelectric element. When the polarization vectors of these elements are directed in different directions, the charge generated by the "additional" piezoelectric element is added with the charge of the piezoelectric sensitive element, resulting in an increase in the axial sensitivity of the accelerometer without increasing the dimensions and mass of the inertial element. The single-domain structure of quartz is not subject to a domain rotation under the action of mechanical stresses under the influence of acceleration, therefore, charge generation ceases with the termination of the acceleration. The multidomain structure of a piezoelectric ceramic material, even a ferro-rigid material, of which a piezosensitive element is usually made, is subject to a turn of domains under the action of mechanical stresses under the action of acceleration, and therefore, charge generation continues with the termination of the acceleration for a while, until the domains return to their original position , which leads to the effect of shifting the zero line. Quantitatively, the effect of the zero line shift is estimated by the ratio of the charge generated after the action of acceleration to the charge under the action of acceleration. A large value of this ratio indicates a greater manifestation of this effect. Thus, in the inventive accelerometer, the possibility of decreasing the ratio of the charge generated after the action of acceleration to the total charge generated by the action of acceleration leads to a decrease in the effect of the zero line shift. By selecting the piezoelectric materials according to the piezoelectric module and density, the axial sensitivity can be increased to 100% or more, and the zero line offset can be reduced to almost 0.

На приведенном чертеже изображена конструктивная схема заявляемого пьезоэлектрического акселерометра.The drawing shows a structural diagram of the inventive piezoelectric accelerometer.

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.The piezoelectric accelerometer contains a piezoelectric element 1 and an inertial element 2, pressed against the base 3 of the housing 4 by means of an elastic element 5, for example, a spring. The piezosensitive element 1 is made, for example, of a ferro-rigid piezoelectric ceramic material - bismuth sodium titanate (TNAB). The inertial element 2 is made of a single-crystal dielectric - a piezoelectric material, for example, quartz.

Векторы поляризации 7 и 8, соответственно инерционного элемента 2 и пьезочувствительного элемента 1, ориентированы вдоль оси чувствительности 10 акселерометра и направлены в разные стороны.The polarization vectors 7 and 8, respectively, of the inertial element 2 and the piezosensitive element 1, are oriented along the sensitivity axis 10 of the accelerometer and are directed in different directions.

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.The electrodes (highlighted by the main lines) of these elements are connected electrically in parallel. By means of a current collector 11 installed between the piezosensitive 1 and inertial 2 elements, an electrical connection of the first pair of electrodes is provided, and by means of a spring 5 and a cover 6, a connection of the second pair of electrodes is provided. In this case, the housing 4 and the cover 6 are made of conductive material. Using current outputs 9 is an electrical signal pickup.

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.The piezoelectric accelerometer works as follows. When the accelerometer is subjected to shock acceleration of large amplitude in the direction of the sensitivity axis 10, the piezosensitive element 1 experiences a plane-parallel stress-strain state of compression with a minimum displacement (turn) of the domains from the initial state due to the fact that this element is made of ferroelectric piezoceramic material and is pressed to the base 3 through an inertial element 2 from a single crystal dielectric, which ensures the exclusion of a shift in the contact surface between them.

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.With this stress-strain state, an electric charge is generated on the electrodes of the piezosensitive element 1, which is proportional to the acting acceleration, with minimal distortion (with a minimum zero line offset), which ensures the reliability of the measurement. Simultaneously with the piezosensitive element 1, the inertial element 2 also experiences compression deformation, on the electrodes of which an electric charge is also generated, which is proportional to the acting acceleration. The charges of the piezosensitive and inertial elements connected electrically in parallel are added, which increases the axial sensitivity and increases the measurement accuracy.

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.A prototype piezoelectric accelerometer was manufactured, the tests of which showed that, compared to the Bruhl and Kjерr type accelerometer type 8309, the axial sensitivity was increased by 25% and the zero line shift effect by 20% at the same natural frequency. In addition, the resulting sample has a lower mass (2.8 g - the inventive accelerometer, 3 g - the known accelerometer), dimensions (⌀6.9 mm × 10.2 mm and ⌀7 mm × 10.8 mm, respectively) and has a smaller cost price.

Claims

A piezoelectric accelerometer comprising a compressive-tensile piezosensitive element pressed against the base of the body and an inertial element made of a single-crystal dielectric, characterized in that the inertial element is made of a piezoelectric material, while these elements are connected electrically in parallel and their polarization vectors are oriented along the axis accelerometer sensitivity and directed in different directions.