SU1760462A1

SU1760462A1 - Three-component piezoelectric accelerometer

Info

Publication number: SU1760462A1
Application number: SU904806005A
Authority: SU
Inventors: Адольф Александрович Барихин; Виктор Николаевич Кочедыков
Original assignee: Ленинградский Кораблестроительный Институт
Priority date: 1990-03-26
Filing date: 1990-03-26
Publication date: 1992-09-07

Abstract

Изобретение относитс к технике измерени вибрации и сейсмических колебаний. Сущность изобретени : акселерометр содержит корпус, внутри корпуса с зазором установлен инерционный элемент с отверсти ми , в которых установлены пьезоэлектрические пакеты между корпусом и инерционным элементом, причем отверсти в инерционном элементе выполнены попарно-параллельно в трех взаимно перпендикул рных плоскост х равноудаленными от оси инерционного элемента и непересекающимис друг с другом. 1 ил.This invention relates to a technique for measuring vibrations and seismic vibrations. SUMMARY OF THE INVENTION: The accelerometer comprises a housing, an inertial element with openings is installed inside the housing with holes in which piezoelectric packages are installed between the housing and the inertial element, with the holes in the inertial element being parallel-parallel in three mutually perpendicular planes equidistant from the axis of the inertial element and non-intersecting with each other. 1 il.

Description

Изобретение относитс , к измерительной технике, к технике измерени параметров вибрации и сейсмических колебаний грунтов.The invention relates to a measurement technique, a technique for measuring vibration parameters and seismic vibrations of soils.

Рациональна конструкци трехкомпо- нентного сейсмометра типа ТПС известна 1. Сейсмометр состоит из общего дл трех каналов инерционного элемента, пьезоэлектрических пакетов, устройств поджима пьезоэлементов. Несмотр на оригинальность компоновки сейсмометра, его чувствительность невысока, так как он не оптимизирован по чувствительности. В частности , отношение высоты пьезоэлектрического пакета h к его диаметру D значительно меньше единицы.The rational design of a three-component seismometer of the TPS type is known 1. The seismometer consists of an inertial element common to three channels, piezoelectric packages, and devices for pressing piezoelectric elements. Despite the original layout of the seismometer, its sensitivity is low, as it is not optimized for sensitivity. In particular, the ratio of the height of the piezoelectric package h to its diameter D is significantly less than unity.

Низкочастотный акселерометр 2 содержит основные элементы, характерные дл трехкомпонентного пьезоэлектрического акселерометра с общим инерционным элементом. Достоинством данного акселерометра вл етс высока чувствительность за счет установки пьезопакетов с отношением , а фактически h/D 3. Недостатком данного акселерометра вл етс невозможность увеличени чувствительности путем дальнейшего увеличени массы инер-0 ционного элемента (например, в 10 раз), так как при данной конструктивной схеме снижаетс частота крутильных колебаний, что ограничивает рабочий диапазон частот. Кроме того, данна конструктивна схема не позвол ет увеличить чувствительность за счет увеличени размеров пьезопакето в при заданных габаритах. Рассмотренный акселерометр Ьудем считать прототипом.The low-frequency accelerometer 2 contains the basic elements characteristic of a three-component piezoelectric accelerometer with a common inertial element. The advantage of this accelerometer is its high sensitivity due to the installation of piezoelectric packets with the ratio, and actually h / D 3. The disadvantage of this accelerometer is the impossibility of increasing the sensitivity by further increasing the mass of the inertia element (for example, 10 times), since The design scheme reduces the frequency of torsional vibrations, which limits the working frequency range. In addition, this structural scheme does not allow to increase the sensitivity by increasing the size of the piezopacket at given dimensions. Consider the accelerometer let's consider the prototype.

Целью изобретений вл етс увеличение чувствительности путем размещени пьезопакетов еще большей высоты при тех же размерах инерционного элемента при одновременном увеличении частоты крутильных колебаний.The aim of the invention is to increase the sensitivity by placing piezopacks of even greater height with the same dimensions of the inertial element while simultaneously increasing the frequency of torsional vibrations.

Сущность изобретени состоит в том. что в трехкомпонентном пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем корпус. внутри которого с зазором установлен инер (ЛThe essence of the invention is. which is in a three-component piezoelectric accelerometer, comprising a housing. inside which is set with a gap iner (L

СWITH

XIXi

О ОOh oh

ОABOUT

ЮYU

ционный элемент с отверсти ми, в которых между корпусом и инерционным элементом установлены пьезоэлектрические пакеты, отверсти в инерционном элементе выполнены попарно-параллельно в трех взаимно перпендикул рных плоскост х равноудаленными от оси инерционного элемента и непересекающимис друг с другом.The element with holes, in which piezoelectric packages are installed between the case and the inertial element, the holes in the inertial element are made in pairs and in parallel in three mutually perpendicular planes equidistant from the axis of the inertial element and not intersecting with each other.

Повышение чувствительности (при равной массе инерционного элемента, габаритах и при равной величине электрической емкости предлагаемого акселерометра и прототипа) достигнуто за счет установки пьезоэлектрических пакетов большей высоты , чем в прототипе, что стало возможным благодар тому, что отверсти в инерционном элементе выполнены попарно-параллельно в трех взаимно перпендикул рных плоскост х равноудаленными от оси инерционного элемента и непересекающимис друг с другом.The increase in sensitivity (with an equal mass of the inertial element, dimensions and equal magnitude of the electrical capacity of the proposed accelerometer and the prototype) is achieved by installing piezoelectric packages of greater height than in the prototype, which was possible due to the fact that the holes in the inertial element are pairwise parallel to three mutually perpendicular planes equidistant from the axis of the inertial element and not intersecting with each other.

Дальнейшее увеличение чувствительности возможно путем увеличени массы инерционного элемента т. но увеличение массы ограничено допустимым снижением резонансной частоты крутильных колебаний .A further increase in sensitivity is possible by increasing the mass of the inertial element t. But the increase in mass is limited by the permissible decrease in the resonant frequency of torsional vibrations.

Можно показать, руководству сь теорией механических колебаний, что квадрат резонансной частоты- крутильных колеба- -ний за вл емого акселерометра определ етс по формулеIt can be shown, by the guidance of the theory of mechanical oscillations, that the square of the resonant frequency-torsional vibrations of the claimed accelerometer is determined by the formula

& 1& one

Ek 5Э 1ГEk 5E 1G

(D(D

(2 Я)2 2Lim/G где Ек - модуль упругости пьезокерамики;(2 I) 2 2Lim / G where Ek is the modulus of elasticity of piezoceramics;

Зэ площадь поперечного сечени пье- зоэлемента;The cross-sectional area of the piezoelectric element;

b - рассто ние между пьезоэлемента- ми;b is the distance between the piezoelectric elements;

р - радиус инерции инерционного элемента;p is the radius of inertia of the inertial element;

U - длина пьезолакета. а квадрат резонансной частоты крутильных колебаний акселерометра-прототипа - по формулеU - the length of the piezolacket. and the square of the resonant frequency of the torsional vibrations of the accelerometer prototype - according to the formula

1 12 ЕСТ dbn1 12 ECT dbn

(2 Я)2(2 I) 2

f202 f202

(2)(2)

где Ест - модуль упругости стали;where Eats is the modulus of elasticity of steel;

1шп. dujn длина и диаметр шпильки.1shp. dujn the length and diameter of the stud.

Отношение резонансных частот foi и fo2 в соответствии с приведенными формулами равно The ratio of the resonant frequencies foi and fo2 in accordance with the given formulas is equal to

Ек S3 i/ IEk S3 i / I

шпshp

fob/fob /

fa 2 Li 1,2 Ест dunfa 2 Li 1,2 Eats dun

Определим отношение частот при следующих параметрах:Determine the ratio of the frequencies with the following parameters:

0,7.1011 н/м2, Ест 2,М011 н/м20.7.1011 N / m2, Eats 2, M011 N / m2

83с1шп 0,3-КГ2 м, Li 3, 4..83с1шп 0,3-КГ2 м, Li 3, 4 ..

Ек .,. .,. - 0.69. м2. м, Шп 7.10 2l bEk,. .,. - 0.69. m2 m, Shp 7.10 2l b

Подставл данные параметры в форму- лу (3), получимSubstituting these parameters in the formula (3), we get

Ј1 10.Ј1 10.

f02f02

Таким образом, за вл емый акселерометр имеет дополнительное преимуществоThus, the claimed accelerometer has an additional advantage

0 - в 10 раз более высокую резонансную частоту крутильных колебаний при одинаковой массе т. Тем самым открываетс возможность проектировать акселерометры с большей массой инерционного элемента.0 - 10 times higher resonant frequency of torsional oscillations with the same mass m. Thus, it opens up the possibility to design accelerometers with a larger mass of the inertia element.

5 Возможно отметить, что при увеличении размеров корпуса и инерционного элемента рассто ние между пьезопакетами можно пропорционально увеличивать, что вызывает увеличение частоты крутильных колеба0 ний за вл емого акселерометра пропорционально Ь. что подтверждает преимущества предлагаемого устройства.5 It is possible to note that by increasing the size of the body and the inertial element, the distance between the piezoelectric packets can be proportionally increased, which causes an increase in the frequency of torsional oscillations of the proposed accelerometer proportional to b. which confirms the advantages of the proposed device.

Пример конструктивного выполнени An example of a constructive implementation

5 за вл емого трехкомпонентного акселерометра приведен на чертеже. Акселерометр показан в разрезе в трех проекци х: а) разрез по оси X (канал X), б) разрез по оси Y (канал Y), в) разрез по оси Z (канал Z).5 of the claimed three-component accelerometer is shown in the drawing. The accelerometer is shown in section in three projections: a) a section along the X axis (channel X), b) a section along the Y axis (channel Y), c) a section along the Z axis (channel Z).

0 В корпусе 1 размещен инерционный элемент 2, сопр гающийс с зазором по внутреннему контуру корпуса. В инерционном элементе в трех взаимно перпендикул рных плоскост х выполнены шесть0 In the housing 1 an inertial element 2 is placed, mating with a gap along the internal contour of the housing. In the inertial element in three mutually perpendicular planes, six

5 отверстий (по два отверсти в каждой плоскости ). Шесть пьезоэлектрических пакетов 3 размещены между инерционным элементом и корпусом 1 (по два пьезоэлектрических пакета в каждой плоскости).5 holes (two holes in each plane). Six piezoelectric packages 3 are placed between the inertial element and the housing 1 (two piezoelectric packages in each plane).

0 Армирующие шпильки, ст гивающие пьезо- элементы, корпус и инерционные элементы между собой, не показаны.0 Reinforcing studs, tightening piezoelectric elements, body and inertial elements among themselves, not shown.

Акселерометр работает следующим образом . Под действием сейсмической волныThe accelerometer works as follows. Under the influence of seismic waves

5 (или вибрации) возбуждаютс колебани корпуса 1 акселерометра. В общем случае колебани происход т одновременно по ос м X, Y и2, и каждый канал воспринимает соответствующую проекцию вектора коле0 бательного ускорени на ось X, Y, Z. Инерционный элемент 2 в соответствии с теорией колебаний колеблетс с некоторым запаздыванием относительно колебаний корпуса. В св зи с разностью по амплитуде5 (or vibrations) oscillates the body 1 of the accelerometer. In the general case, oscillations occur simultaneously along the axes X, Y and 2, and each channel perceives the corresponding projection of the vibrational acceleration vector on the axes X, Y, Z. The inertial element 2, in accordance with the theory of oscillations, oscillates with some delay relative to the oscillations of the body. Due to the difference in amplitude

5 и фазе колебательных ускорений инерционного элемента и корпуса возникает механическа деформаци пьезоэлементов 3 каналов X, Y , Z и на выходе по вл етс электрический сигнал.5 and in the phase of the oscillatory accelerations of the inertial element and the housing, mechanical deformation of the piezoelectric elements of the 3 channels X, Y, Z occurs and an electrical signal is output.

Claims

The invention has a three component and a piezoelectric accelerometer, comprising a housing within which an inertial element with holes is installed with openings in which piezoelectric packages are installed between the housing and the inertia element, characterized in that, in order to increase the sensitivity, the holes in the inertial element are made in pairs in three mutually perpendicular planes equidistant from the axis of the inertial element and not intersecting with each other.