|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы где а - угол между вектором поляризации и осью Z; gn - пьезоэлектрические коэффициенты материала. Пути уменьшения обеих составляющих поперечной чувствительности в основном определяют конструктивные особенности пьезоэлектрических акселерометров и способы их реализации при проектировании. Форма пьезоэлемента. В акселерометрах, как правило, применяют дисковые пьезоэлементы с большим отношением диаметра к толщине {2RII = 6-=-10). Относительно большая площадь пьезоэлемента (большой радиус) способствует уменьшению первой составляющей поперечной чувствительности. На большей площади неравномерности распределения чувствительности акселерометра по рабочей поверхности в среднем сказываются меньше, и центр тяжести диаграммы распределения чувствительности располагается ближе к геометрической оси (уменьшается г). Поперечная чувствительность зависит от неровностей рабочих поверхностей пьезоэлемента и от давления его предварительного поджатия. Уменьшение неровностей с ±50 мкм до ±5 мкм приводит к трехкратному снижению максимальной поперечной чувствительности. Отсюда важное значение приобретает чистота обработки рабочих поверхностей пьезоэлемента, а также их плоскопараллель-ность. Параллельность рабочих плоскостей имеет особое значение, когда для увеличения чувствительности пьезоэлектрический преобразователь набирают из нескольких дисков. Поджатие пьезоэлементов также способствует уменьшению поперечной чувствительности. Однако основное назначение поджатия (при бесклеевом соединении) заключается в возможности измерения знакопеременных ускорений. Величина поджатия выбирается таким образом, чтобы максимальные растягивающие усилия, возникающие при движении инерционной массы, не превышали усилия поджатия. В противном случае возможно нарушение контакта инерционной массы и пьезоэлемента и, следовательно, нарушение работоспособности датчика. Поджатие может осуществляться с помощью плоских пружин. В конструкции, изображенной на рис. 8.4, а, корпус / с закрепленной в нем плоской пружиной 2 подтягивается к основанию 3 с помощью винтов. Такая конструкция весьма чувствительна к температуре. При повышенной температуре стенки корпуса удлиняются, вследствие чего предварительное поджатие пьезоэлемента уменьшается. Датчик может стать неработоспособным. Для сохранения Рис. 8.4. Варианты выполнения под- поджатия при повышенных жатия пьезоэлементов температурах можно восполь-  зеваться конструкцией (рис. 8.4, б), предложенной в работе [90]. Элементы датчика размещены в стакане/, который имеет массивное донышко 2. В донышке имеется кольцеобразная выточка, которая образует мембрану 3. В нормальных условиях мембрана лежит под натягом на инерционной массе 4. Роль пружины играют стенки стакана /. При температурном удлинении стенок мембрана продолжает создавать поджимающее усилие. Скосы донышка сделаны на величину хода мембраны. Форма инерционной массы также 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. Центры масс можно совместить, если спроектировать инерционную массу более сложной формы или применить так называемую составную инерционную массу. На рис. 8.5, а представлена инерционная масса в виде стакана, который охватывает пьезоэлемент; инерционная масса может быть составлена из нескольких частей с помощью резьбового соединения (рис. 8.5, б) или сварки (рис. 8.5, в). Для выбора параметров инерционной массы, центр которой совпадает с центром массы пьезоэлемента, обратимся к рис. 8.6. На этом рисунке в центр массы пьезоэлемента помещено начало прямоугольной системы координат. Предположим, что наружный Dh и внутренний диаметры инерционной массы, а также толщина d пьезоэлемента заданы. Варьируемыми величинами являются длина стенок стакана х и толщина дна у. Задача состоит в нахождении таких значений х и у, при которых центр инерционной массы имеет координаты (о, о), причем единственным ограничивающим условием является неизменность значения инерционной массы Поскольку тело инерционной массы симметрично относительно оси у, то равенство нулю координаты х центра массы является очевидным при любых хк у. Для нахождения значений х и у, обращающих в ноль координату у, составляем уравнения. Первое уравнение получим из известной формулы для координаты центра массы где rrii - элемент массы; yi - расстояние центра массы элемента до оси X с учетом знака.   В) г Рис. 8.5. Разновидности выполнения инерционной массы Рис. 8.6. К расчету пара- метров инерционной-массы x Рис. 8.7. Акселерометр с составной инерционной массой 4  В нашем случае г/ = О, учитывая симметричность тела массы и однородность ее материала, имеем = 0. (8.1) Эта формула получена при условии разбиения инерционной массы на три части: т- - с толщиной у и диаметром D„; - с длиной (у + dl2) и шир1 ной кольца (D„ - £>вн)/2; "з - с длиной {х - d/2) и шириной кольца (D„ - D„)/2. На рис. 8.6 и в формуле (8.1) эти массы заменены пропорциональными значениями площадей соответствующих плоских фигур; Si; (Sg-fs); (sg+ss). Второе уравнение составим из условия сохранности значения инерционной массы: -у + (8.2) где р - плотность материала инерционной массы. Пьезоэлектрический акселерометр с составной инерционной массой изображен на рис. 8.7. Винт / совместно с плоской пружиной 2 обеспечивает поджатие пьезоэлемента 3. Съем зарядов с пьезоэлемента осуществляется через основание 4 и проводник 5. В тех случаях, когда пьезоэлемент собирают из нескольких дисков или шайб, уменьшения поперечной чувствительности можно достигнуть за счет обеспечения противофазности частных (для каждого диска) диаграмм поперечной чувствительности. Противофазности можно добиться путем поворота шайб пьезоэлемента относительно друг друга. Основание пьезоэлектрических акселерометров изготовляют из относительно лёгких, но достаточно прочных материалов. Подходящим в этом отношении является титан, который значительно легче стали (р = 4,5 г/см), но не уступает ей по механическим характеристикам. В том случае, когда пьезоэлемент состоит из одного диска пьезокерамики, для съема зарядов необходимо изолировать один из электродов от корпуса. Оригинальным решением в этом отно-190 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 [ 61 ] 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 |
|||||||||||||||||||||||||||||||