RU2212672C1 - Piezoelectric acceleration transducer - Google Patents
Piezoelectric acceleration transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2212672C1 RU2212672C1 RU2002134934/28A RU2002134934A RU2212672C1 RU 2212672 C1 RU2212672 C1 RU 2212672C1 RU 2002134934/28 A RU2002134934/28 A RU 2002134934/28A RU 2002134934 A RU2002134934 A RU 2002134934A RU 2212672 C1 RU2212672 C1 RU 2212672C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- base
- sensor
- piezoelectric
- bimorph
- peripheral part
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к разработке конструкций электрических, механических и электромеханических датчиков и методике их закрепления на исследуемых (крепежных) объектах, преимущественно датчиков ускорения, выполненных на основе пьезокерамических биморфов консольного типа, и может быть использовано для измерения параметров детонаций в электронной системе управления двигателем автомобиля, а также вибраций в различных областях техники. The invention relates to measuring technique, and specifically to the development of designs of electrical, mechanical and electromechanical sensors and the method of their fastening on the studied (fixing) objects, mainly acceleration sensors, made on the basis of cantilever piezoceramic bimorphs, and can be used to measure detonation parameters in electronic the engine control system of the car, as well as vibration in various fields of technology.
В технике известны и получили широкое распространение пьезокерамические датчики, в основу принципа работы которых положен прямой пьезоэффект - механическое воздействие на датчик вызывает реакцию в виде электрического сигнала. Конструкция таких датчиков предусматривает наличие одного или нескольких пьезоэлементов, механически и электрически соединенных между собой и закрепленных на опорных (крепежных) узлах устройства таким образом, чтобы наиболее эффективно реализовать возможность использования прямого пьезоэффекта, возникающего, в зависимости от назначения датчика, при изгибе, растяжении-сжатии, сдвиге и других видах воздействий, для получения электрического сигнала - реакции, несущего информацию о самом воздействии [1]. Piezoceramic sensors are known and widely used in the art, the principle of operation of which is based on the direct piezoelectric effect - a mechanical effect on the sensor causes a reaction in the form of an electrical signal. The design of such sensors provides for the presence of one or more piezoelectric elements mechanically and electrically interconnected and fixed on the supporting (mounting) nodes of the device in such a way as to most effectively realize the possibility of using the direct piezoelectric effect that arises, depending on the purpose of the sensor, during bending, stretching, compression, shear and other types of effects, to obtain an electrical signal - a reaction that carries information about the effect itself [1].
Известно, что наиболее важными характеристиками датчиков детонации являются ширина рабочего частотного диапазона и равномерность амплитудно-частотной характеристики. Ширина полосы пропускания датчика детонации в основном определяется величиной нижней резонансной частоты. Чем выше значение нижней резонансной частоты, тем шире рабочий частотный диапазон датчика. It is known that the most important characteristics of knock sensors are the width of the working frequency range and the uniformity of the amplitude-frequency characteristics. The bandwidth of the knock sensor is mainly determined by the value of the lower resonant frequency. The higher the value of the lower resonant frequency, the wider the working frequency range of the sensor.
При разработке и проектировании подобных датчиков стремятся получить на выходе датчика достаточно высокий уровень сигнала. Так, например, коэффициент преобразования ускорения в электрическое напряжение датчика детонации фирмы "BOSCH" составляет 25-30 мВ/g. В то же время для обеспечения широкого рабочего частотного диапазона необходимо обеспечить высокое значение нижней резонансной частоты. Так, например, для упомянутого датчика оно составляет 20-28 кГц. Т. е. в самой постановке задачи присутствует очевидное противоречие: с одной стороны необходимо увеличивать коэффициент преобразования ускорения, который, в свою очередь, убывает с ростом резонансной частоты. When developing and designing such sensors, they strive to obtain a sufficiently high signal level at the output of the sensor. So, for example, the coefficient of conversion of acceleration to electric voltage of the knock sensor of the company "BOSCH" is 25-30 mV / g. At the same time, to ensure a wide operating frequency range, it is necessary to provide a high value of the lower resonant frequency. So, for example, for the mentioned sensor, it is 20-28 kHz. That is, the statement of the problem itself has an obvious contradiction: on the one hand, it is necessary to increase the acceleration conversion coefficient, which, in turn, decreases with increasing resonance frequency.
Существующие современные тенденции к увеличению плотности компоновки узлов и элементов двигателя, приближающейся по плотности к компоновке узлов в самолетостроении, обуславливают необходимость к уменьшению габаритов не только механической схемы датчика, но и элементов его конструкции. Existing current trends towards an increase in the density of the assembly of components and engine components, approaching in density to the layout of the components in aircraft construction, necessitate a reduction in the dimensions of not only the mechanical circuitry of the sensor, but also its structural elements.
Помимо вышеперечисленных основных требований, конструкция датчика по возможности должна быть достаточно простой, технологичной и дешевой. Высокие требования к технологичности конструкции датчика обусловлены в первую очередь необходимостью обеспечения широкого рабочего диапазона. Вместе с тем, известно, что большое влияние на нижнюю резонансную частоту конструкции оказывает качество выполнения торцевых поверхностей сопрягаемых деталей. В этой связи сопрягаемые элементы, определяющие продольную жесткость конструкции, должны быть изготовлены с соблюдением высоких требований к неплоскостности и шероховатости. Удовлетворение этих требований существенно снижает технологичность и повышает стоимость изготовления датчика в целом. In addition to the above basic requirements, the design of the sensor should be as simple as possible, technologically advanced and cheap. High requirements for the manufacturability of the sensor design are primarily due to the need to ensure a wide operating range. At the same time, it is known that the quality of the execution of the end surfaces of the mating parts has a great influence on the lower resonant frequency of the structure. In this regard, the mating elements that determine the longitudinal rigidity of the structure must be made in compliance with high requirements for non-flatness and roughness. Satisfying these requirements significantly reduces manufacturability and increases the manufacturing cost of the sensor as a whole.
Одной из задач, положенных в основу заявленного изобретения, является поиск оптимального решения, удовлетворяющего упомянутым выше, взаимоисключающим требованиям. One of the tasks underlying the claimed invention is the search for the optimal solution that satisfies the mutually exclusive requirements mentioned above.
В известном уровне технике можно указать ряд технических решений, в которых задача создания датчика, оптимально сочетающего взаимоисключающие требования, решается путем выполнения основных элементов конструкции датчиков, характерные размеры которых связаны определенными соотношениями со свойствами материалов, из которых они выполнены. In the prior art, you can specify a number of technical solutions in which the task of creating a sensor that optimally combines mutually exclusive requirements is solved by performing the basic structural elements of the sensors, the characteristic dimensions of which are connected by certain relations with the properties of the materials from which they are made.
Известен пьезоэлектрический виброизмерительный преобразователь, содержащий корпус, в основании которого выполнен кольцевой выступ, пакет пьезоэлементов, соединенных между собой и прикрепленных к основанию корпуса эластичным токопроводящим клеем, инерционный груз, размещенный на пакете пьезоэлементов. Основные конструктивные параметры преобразователя: высота основания ho, толщина пьезоэлементов h1, поперечный размер (диаметр) пьезоэлементов D, связаны с характеристиками материала элементов конструкции преобразователя: модулем упругости материала пьезоэлемента Е, модулем упругости материала клея Е1 и модулем упругости материала основания Еo следующим соотношением:
3ho•(Eo+E1)/2E+h1≤0,75 D.Known piezoelectric vibration transducer containing a housing, at the base of which is made an annular protrusion, a package of piezoelectric elements interconnected and attached to the base of the housing by elastic conductive adhesive, an inertial load placed on the package of piezoelectric elements. The main structural parameters of the transducer: the height of the base h o , the thickness of the piezoelectric elements h 1 , the transverse size (diameter) of the piezoelectric elements D, are associated with the characteristics of the material of the structural elements of the transducer: the elastic modulus of the material of the piezoelectric element E, the elastic modulus of the adhesive material E 1 and the elastic modulus of the base material E o the following relation:
3h o • (E o + E 1 ) / 2E + h 1 ≤0.75 D.
При выполнении преобразователя с конструктивными размерами и свойством материалов его элементов в пределах полученного соотношения, обеспечивается при минимальных геометрических размерах повышенный уровень выходного сигнала, возникающего под воздействием продольных (осевых) колебаний, при одновременном снижении погрешности от поперечных (боковых) колебаний (патент РФ 2018134, МПК 5 G 01 Р 15/09, 1994 г.) [2]. When performing the Converter with the structural dimensions and the property of the materials of its elements within the obtained ratio, with a minimum geometric dimensions, an increased level of the output signal arising under the influence of longitudinal (axial) vibrations, while reducing the error from lateral (lateral) vibrations (RF patent 2018134, IPC 5 G 01
Однако эта конструкция не позволяет в полной мере исключить погрешность, вносимую деформациями, возникающими при ее изготовлении. However, this design does not allow to completely eliminate the error introduced by the deformations that occur during its manufacture.
Одним из существенных факторов, влияющих на стабильность основных характеристик пьезопреобразователей, является качество и стабильность используемого в конструкции преобразователя клеевого соединения. One of the significant factors affecting the stability of the basic characteristics of piezoelectric transducers is the quality and stability of the adhesive joint used in the construction of the transducer.
Известен датчик детонации, содержащий соосно расположенные цилиндрические корпус с упругим основанием и опорный элемент, соединенный с основанием корпуса, стержневой электрический вывод с контактной пружиной, дисковый пьезоэлектрический элемент с нижним и верхним электродами, контактирующими соответственно с упругим основанием корпуса и с контактной пружиной стержневого электрического вывода, и заглушку. На упругом основании корпуса выполнены вертикальные радиальные выступы, на которые опирается упомянутый дисковый пьезоэлектрический элемент. Радиальные выступы обеспечивают получение оптимальных параметров клеевого соединения пьезоэлемента с основанием и осуществление электрического контакта нижнего электрода пьезоэлектрического элемента с корпусом (патент США 4393688, н. кл.73-35, МПК G 01 L 23/22, 1983 г.) [3]. Known knock sensor containing coaxially arranged cylindrical body with an elastic base and a support element connected to the base of the housing, a rod electrical terminal with a contact spring, a piezoelectric disk element with lower and upper electrodes in contact respectively with the elastic base of the housing and the contact spring of the rod electrical terminal , and stub. On the elastic base of the casing, vertical radial protrusions are made on which the said piezoelectric disk element is supported. Radial protrusions provide optimal parameters for the adhesive connection of the piezoelectric element with the base and the electrical contact of the lower electrode of the piezoelectric element with the housing (US patent 4393688, N ° 73-35, IPC G 01
Несмотря на то, что в упомянутом техническом решении устранен ряд недостатков, присущих известному уровню техники, все таки зависимость технических характеристик датчика от качества и стабильности клеевого соединения в значительной мере сохранилась. Despite the fact that the aforementioned technical solution has eliminated a number of disadvantages inherent in the prior art, the dependence of the technical characteristics of the sensor on the quality and stability of the adhesive joint has been largely preserved.
Известен также датчик детонации, содержащий соосно расположенные цилиндрический корпус с упругим основанием и опорный элемент, соединенный с основанием корпуса, стержневой электрический вывод с контактной пружиной, дисковый пьезоэлектрический элемент с нижним и верхним электродами, один из которых контактирует с упругим основанием корпуса, заглушку и прижимной узел в виде тарельчатой пружины с центральным отверстием, при этом внешние края тарельчатой пружины контактируют с периферией дискового пьезоэлектрического элемента, изолированной от верхнего электрода, а внутренняя - с заглушкой, причем дисковый пьезоэлектрический элемент вторым электродом соединен с контактной пружиной стержневого электрического вывода через центральное отверстие тарельчатой пружины. Кроме того, в упругом основании корпуса и верхней части опорного элемента выполнено глухое центральное отверстие или кольцевая проточка, диаметр которых d и их глубина h связаны с диаметром D опорного элемента и толщиной S упругого основания корпуса следующим соотношением:
(0,7....l,4)/h=D-d= (1,4...2,8)S.Also known is a knock sensor containing a coaxially arranged cylindrical body with an elastic base and a support element connected to the base of the body, a rod electrical terminal with a contact spring, a piezoelectric disk element with lower and upper electrodes, one of which is in contact with the elastic base of the body, a plug and a clamp an assembly in the form of a disk spring with a central hole, while the outer edges of the disk spring are in contact with the periphery of the disk piezoelectric element, insulating a bath from the upper electrode, and the inner one with a plug, and the disk piezoelectric element by the second electrode is connected to the contact spring of the rod electrical output through the central hole of the Belleville spring. In addition, in the elastic base of the housing and the upper part of the support element, a blind central hole or annular groove is made, the diameter of which d and their depth h are related to the diameter D of the support element and the thickness S of the elastic base of the housing by the following ratio:
(0.7 .... l, 4) / h = Dd = (1.4 ... 2.8) S.
Такое конструктивное решение позволяет обеспечить стабильность основных технических характеристик датчика без применения в его конструкции клеевого соединения пьезоэлектрического элемента с основанием (патент РФ 2106643, МПК 6 G 01 P 15/09, 1998 г.) [4]. Such a constructive solution allows to ensure the stability of the basic technical characteristics of the sensor without the use of an adhesive connection of a piezoelectric element with a base in its design (RF patent 2106643, IPC 6 G 01
В данной конструкции удалось исключить погрешности, связанные с клеевым соединением, однако погрешности, обусловленные закреплением датчика на объекте, сохранились. In this design, it was possible to exclude errors associated with the adhesive connection, however, errors due to the mounting of the sensor on the object were preserved.
Известен также пьезоэлектрический виброизмерительный преобразователь, содержащий основание и укрепленный на нем пьезоэлемент, при этом высота основания h1 преобразователя, поперечный размер D пьезоэлемента и параметры, характеризующие свойства материала элементов преобразователя, связаны соотношением:
0,2En/EoD≤h1≤0,4En/EoD,
а высота h2 пьезоэлемента равна
h2=4/3 D-3h1Eo/En,
где En - модуль упругости материала пьезоэлемента;
Ео - модуль упругости материала основания.Also known is a piezoelectric vibration transducer containing a base and a piezoelectric element mounted on it, while the height of the base h 1 of the transducer, the transverse dimension D of the piezoelectric element and parameters characterizing the properties of the material of the transducer elements are related by the ratio:
0.2En / EoD≤h 1 ≤0.4En / EoD,
and the height h 2 of the piezoelectric element is equal to
h 2 = 4/3 D-3h 1 Eo / En,
where En is the modulus of elasticity of the material of the piezoelectric element;
Eo is the elastic modulus of the base material.
Выполнение элементов конструкции преобразователя, с учетом полученных соотношений, позволило оптимизировать размеры преобразователя и разместить пьезоэлемент в зоне поверхности нулевой деформации. Это, в свою очередь, обеспечило повышение эффективности преобразователя как за счет повышения его резонансной частоты и расширения диапазона рабочих частот, так и за счет увеличения коэффициента преобразования (авторское свидетельство СССР 1205028, МПК 4 G 01 Р 15/09, 1983 г.) [5]. The implementation of the structural elements of the transducer, taking into account the obtained relations, made it possible to optimize the size of the transducer and place the piezoelectric element in the zone of the surface of zero deformation. This, in turn, provided an increase in the efficiency of the converter both by increasing its resonant frequency and expanding the operating frequency range, and by increasing the conversion coefficient (USSR copyright certificate 1205028, IPC 4 G 01
В данном преобразователе также частично устранены недостатки, присущие известному уровню техники. Однако, в связи с тем, что при получении приведенных зависимостей исходили из условий плосконапряженного состояния преобразователя при воздействии деформаций объекта, учесть в полной мере возникающие при этом погрешности, обусловленные реальным состоянием преобразователя, не представляется возможным. This converter has also partially eliminated the inherent disadvantages of the prior art. However, due to the fact that when obtaining the above dependences, we proceeded from the conditions of the plane-stressed state of the transducer under the influence of deformations of the object, it is not possible to take into account the errors that arise in this case due to the actual state of the transducer.
В известных преобразователях [2-5] удалось обеспечить оптимальное сочетание взаимно исключающих требований. Однако в целом конструкции этих датчиков достаточно сложны, обеспечение технологичности таких конструкций существенно удорожает стоимость датчиков. Кроме этого, и что наиболее важно, упомянутые конструкции датчиков при многосерийном производстве не обеспечивают повторяемости их основных параметров от датчика к датчику. In the known converters [2-5] it was possible to provide the optimal combination of mutually exclusive requirements. However, in general, the design of these sensors is quite complex, ensuring the manufacturability of such structures significantly increases the cost of the sensors. In addition, and most importantly, the mentioned sensor designs in batch production do not ensure the repeatability of their basic parameters from sensor to sensor.
В этой связи, наибольшее распространение для измерения вибраций, преимущественно транспортных средств, получили датчики, упомянутые выше, описанные в [1]. К основному недостатку таких датчиков следует отнести чувствительность пьезоэлементов к способу их механического соединения (крепления), как между собой и элементами конструкции датчика, так и чувствительность самих датчиков к способу их механического соединения (закрепления) с элементами конструкции исследуемого (контролируемого) объекта. Это в свою очередь приводит к изменению, зачастую неконтролируемому, эффективных параметров самого датчика, например к неконтролируемому изменению его коэффициента преобразования или его входной емкости. Последнее имеет простое физическое объяснение. Деформация опорных или крепежных конструкций датчика, необходимая при его закреплении на исследуемом (контролируемом) объекте, неизбежно передается чувствительным частям конструкции - мембранам, иглам и т.д., а также непосредственно самим пьезоэлементам. Эта деформация меняет их механические свойства, как, например, изменение упругих свойств струны гитары, путем ее дополнительного натяжения, изменяет тональность ее звучания. In this regard, the most widely used for measuring vibrations, mainly vehicles, are the sensors mentioned above, described in [1]. The main disadvantage of such sensors is the sensitivity of the piezoelectric elements to the method of their mechanical connection (fastening), both between themselves and the structural elements of the sensor, and the sensitivity of the sensors themselves to the method of their mechanical connection (fixing) with the structural elements of the studied (controlled) object. This in turn leads to a change, often uncontrolled, of the effective parameters of the sensor itself, for example, to an uncontrolled change in its conversion coefficient or its input capacitance. The latter has a simple physical explanation. The deformation of the support or mounting structures of the sensor, necessary when it is fixed on the studied (controlled) object, is inevitably transmitted to the sensitive parts of the structure - membranes, needles, etc., as well as directly to the piezoelectric elements themselves. This deformation changes their mechanical properties, such as a change in the elastic properties of a guitar string, by its additional tension, changes the tone of its sound.
При воздействии на пьезоэлементы, подобная деформация приводит к более сложным последствиям, включая изменения электрических и пьезоэлектрических свойств, помимо механических. Так, например, приклеивание пьезоэлемента из ЦТС-19, габаритами ⌀7,1•0,15 мм к металлической мембране, приводит к изменению их электрической емкости (в сторону ее уменьшения) более чем на 15%, что установлено авторами экспериментально в ходе разработки пьезоэлектрических преобразователей. Это объясняется тем, что величина диэлектрической проницаемости ЦТС-19 практически в два раза отличается в зависимости от того, является ли пьезоэлемент абсолютно свободным механически или абсолютно зажатым [6]. Приклеивание пьезоэлемента к мембране создает эффект "частичного" зажатия, что и приводит к некоторому изменению его емкости. When exposed to piezoelectric elements, such deformation leads to more complex consequences, including changes in electrical and piezoelectric properties, in addition to mechanical ones. So, for example, gluing a piezoelectric element from TsTS-19, dimensions ⌀7.1 • 0.15 mm to a metal membrane, leads to a change in their electric capacitance (downward) by more than 15%, which was established experimentally by the authors during development piezoelectric transducers. This is explained by the fact that the value of the dielectric constant of TsTS-19 is almost two times different depending on whether the piezoelectric element is absolutely free mechanically or absolutely clamped [6]. Gluing the piezoelectric element to the membrane creates the effect of "partial" clamping, which leads to some change in its capacity.
Наиболее широко известным пьезоэлектрическим датчиком ускорения биморфного типа, достаточно эффективным и чувствительным, является консольный биморф, используемый в звукоснимателях в качестве чувствительного элемента [7] . Упомянутый биморф консольного типа жестко закреплен одним концом на твердом основании и соединен другим концом с иглой звукоснимателя. The most widely known bimorph type piezoelectric acceleration sensor, quite effective and sensitive, is a cantilever bimorph used in pickups as a sensitive element [7]. Said cantilever bimorph is rigidly fixed at one end to a solid base and connected at the other end to a pickup needle.
Датчик работает следующим образом. При вращении грампластинки, игла подвергается механическому воздействию со стороны неровностей двигающейся дорожки, в которой она находится. Практически это полный аналог датчика неровности дороги, размещенного на движущемся автомобиле. Силовое воздействие неровностей на иглу, пропорциональное ее ускорению, передается биморфу. Это, вследствие прямого пьезоэффекта, вызывает появление на электродах биморфа электрического сигнала, пропорционального ускорению иглы. The sensor operates as follows. During the rotation of the record, the needle is subjected to mechanical stress from the irregularities of the moving track in which it is located. In practice, this is a complete analogue of the road roughness sensor located on a moving car. The forceful effect of irregularities on the needle, proportional to its acceleration, is transmitted to the bimorph. This, due to the direct piezoelectric effect, causes the appearance of an electric signal on the bimorph electrodes proportional to the needle acceleration.
Для данной конструкции также имеют место неконтролируемые изменения параметров датчика ускорения (звукоснимателя), вызванные неконтролируемыми деформациями при его сборке и креплении. Однако эти погрешности сводятся к практически несущественным, вследствие проведения следующих мероприятий:
- отработки серийной технологии сборки датчиков, обеспечивающей высокую повторяемость их параметров и их монтаж с минимальной деформацией в крепежных узлах и конструкциях, допустимых в работе в стационарных условиях (в комнате, при неподвижном размещении радиоустройства);
- остаточное, неконтролируемое изменение параметров датчика легко компенсируется индивидуальными регулировками (громкости, тембра).For this design, there are also uncontrolled changes in the parameters of the acceleration sensor (pickup) caused by uncontrolled deformations during its assembly and fastening. However, these errors are reduced to almost insignificant, due to the following measures:
- development of serial technology for the assembly of sensors, ensuring high repeatability of their parameters and their installation with minimal deformation in the mounting nodes and structures that are acceptable for use in stationary conditions (in a room, when the radio device is stationary);
- the residual, uncontrolled change in the parameters of the sensor is easily compensated by individual adjustments (volume, tone).
Отсутствие герметичности делает такой датчик принципиально непригодным для использования в климатических условиях транспортных магистралей. Герметизация же датчика приводит к дополнительным деформациям, приводящим к неконтролируемым изменениям параметров датчика (см. табл.2 прилагаемого протокола). The lack of tightness makes such a sensor fundamentally unsuitable for use in climatic conditions of transport highways. The sealing of the sensor leads to additional deformations, leading to uncontrolled changes in the parameters of the sensor (see table 2 of the attached protocol).
Недопустимость сильных механических деформаций при креплении на исследуемом объекте, неизбежных при надежном закреплении датчика на транспортном средстве, предназначенном для передвижения в условиях транспортных магистралей. Inadmissibility of strong mechanical deformations when mounting on the object under study, inevitable when the sensor is mounted securely on a vehicle designed for movement in the conditions of highways.
Необходимость индивидуальной подстройки электронных блоков (усиление, тембр) в ходе работы, исключающая высокую серийноспособность датчиков ускорения специального назначения, например датчиков неровности дороги, размещаемых на автомобилях и других транспортных средствах, движущихся в условиях транспортных магистралей. The need for individual adjustment of electronic components (amplification, timbre) during operation, eliminating the high serial capacity of special-purpose acceleration sensors, for example, road roughness sensors, placed on cars and other vehicles moving in the conditions of highways.
Основными техническими требованиями, предъявляемыми к датчикам ускорения, используемых в качестве датчиков неровности дороги и размещаемых на транспортных средствах, являются [8]:
- высокий уровень герметичности;
- минимальные габариты;
- независимость параметров датчика от способов и условий его крепления на различных участках корпуса автомобиля (транспортного средства) как исследуемого объекта.The main technical requirements for acceleration sensors used as road roughness sensors and placed on vehicles are [8]:
- high level of tightness;
- minimum dimensions;
- independence of the sensor parameters from the methods and conditions of its mounting in various parts of the car body (vehicle) as an object under study.
Сложившаяся в результате многолетних исследований и разработок конструкция датчика ускорения (неровности дороги) содержит достаточно массивное металлическое основание, жестко прикрепляемое (например, винтовыми соединениями) к корпусу автомобиля, содержащее закрепленную на нем, например, посредством клея плату с электронными блоками и жестко закрепленный на нем пьезокерамический датчик ускорения биморфного типа, например, в виде консоли, а также герметичные выводы и крышку, обеспечивающую герметизацию всех упомянутых элементов датчика [8]. The design of the acceleration sensor (road irregularities) resulting from many years of research and development contains a rather massive metal base, rigidly attached (for example, by screw connections) to the car body, containing a board with electronic blocks fixed by means of glue and rigidly fixed to it piezoelectric acceleration sensor of a bimorph type, for example, in the form of a console, as well as sealed leads and a cover that provides sealing of all the mentioned sensor elements ka [8].
Далее, в описании под пьезоэлектрическим датчикам ускорения будем понимать непосредственно пассивный чувствительный элемент биморфного типа, в частности, консольного варианта исполнения, а под датчиком неровности дороги - вышеописанную конструкцию, составной частью которой является датчик ускорения. Further, in the description, by piezoelectric acceleration sensors we mean directly a passive sensitive element of a bimorph type, in particular, a cantilever version, and by a road roughness sensor we mean the above construction, of which an acceleration sensor is a component.
Известна также конструкция датчика ускорения, содержащая основание минимальной площади, позволяющей создать консольную конструкцию с содержащимся биморфом и свести к минимуму передачу деформаций корпуса, к которому прикрепляется основание к биморфу, сведя к минимуму неконтролируемые изменения коэффициента преобразования К, а также выводы, одним из которых является основание, а другим - проводник [8-9]. Also known is the design of the acceleration sensor, containing the base of the smallest area that allows you to create a cantilever structure with the contained bimorph and minimize the transmission of deformation of the body to which the base is attached to the bimorph, minimizing uncontrolled changes in the conversion coefficient K, as well as conclusions, one of which is base, and the other conductor [8-9].
К недостаткам упомянутой конструкции датчика следует отнести трудности создания надежного теплоотвода от основания, при его закреплении на корпусе датчика неровности дороги путем пайки. А также трудности самой пайки и трудности контроля параметров датчика при его закреплении в измерительных устройствах (на вибростенде, при измерении электрических параметров, при проведении различных испытаний). Кроме того, сохраняется остаточная деформация, приходящаяся на площадь основания, которая уже не может быть уменьшена без потерь эффективности конструкции (нарушение условий, при которых биморф и основание образуют консоль). The disadvantages of the aforementioned design of the sensor include the difficulty of creating a reliable heat sink from the base, when it is fixed to the sensor housing by roughness by soldering. As well as the difficulties of soldering itself and the difficulties of monitoring the parameters of the sensor when it is fixed in measuring devices (on a vibration stand, when measuring electrical parameters, during various tests). In addition, residual deformation per area of the base is preserved, which can no longer be reduced without loss of structural efficiency (violation of the conditions under which the bimorph and base form a cantilever).
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому при использовании результату является пьезоэлектрический датчик ускорений (фиг.2), содержащий размещенные в герметичном корпусе (на фиг.2 не показан) пьезокерамический биморф 1, жестко соединенный с проводящим, металлическим (латунным) основанием 2 путем пайки или склеивания, обеспечивающих помимо жесткого механического и электрический контакт, и выводы электрического сигнала, одним из которых является проводящее основание 2, а другим - проводник 3. Крепление датчика ускорения к металлическому основанию конструкции датчика неровности дороги осуществляется путем пайки, приклеивания или винтового соединения [10]. The closest to the claimed invention in technical essence and the result achieved when using is a piezoelectric acceleration sensor (Fig. 2) containing
Поскольку его конструкция практически идентична двум конструкциям датчиков, представленным выше, основные недостатки прототипа также аналогичны упомянутым выше недостаткам. Since its design is almost identical to the two sensor designs presented above, the main disadvantages of the prototype are also similar to the above disadvantages.
Как отмечалось выше, пьезоэлектрические чувствительные элементы могут закрепляться посредством пайки, клея, винтового соединения и т.д. в посадочных местах датчика, например, в нашем случае, датчика неровности дороги. При этом неизбежно возникают первичные деформации, обусловленные креплением чувствительного элемента. Сам датчик неровности дороги размещают на контролируемом объекте аналогичным способом. При этом также неизбежно возникают новые деформации, которые через крепежные элементы передаются чувствительному элементу в виде вторичных деформаций. Чем жестче условия работы датчика неровностей дороги, тем жестче и условия крепления. As noted above, piezoelectric sensitive elements can be fixed by soldering, glue, screw connections, etc. in the sensor seats, for example, in our case, the road roughness sensor. In this case, primary deformations inevitably arise due to the fastening of the sensitive element. The road roughness sensor itself is placed on the controlled object in a similar way. In this case, new deformations also inevitably arise, which are transmitted through the fasteners to the sensitive element in the form of secondary deformations. The harsher the working conditions of the road roughness sensor, the harsher the mounting conditions.
Известно, что датчик неровности дороги работает на автомобиле в условиях вибраций, ударов, жестких климатических воздействий. В таких условиях работы влияние крепления и герметизации датчика неровности дороги могут достигать предельных величин, вплоть до необратимой деформации отдельных крепежных узлов. Эти деформации передаются сложным или простым механическим путем пьезоэлементам, что приводит к увеличению разброса их основных параметров, а следовательно, и основных параметров самого датчика неровностей дороги, в ряде случаев в пределах, превышающих допустимые. На уменьшение влияния этих факторов на разброс параметров, на снижение этого разброса и направлено заявленное техническое решение. It is known that the road roughness sensor works on a car in conditions of vibration, shock, severe climatic influences. In such operating conditions, the influence of fastening and sealing the road roughness sensor can reach extreme values, up to the irreversible deformation of individual fastening nodes. These deformations are transmitted in a complex or simple mechanical way to the piezoelectric elements, which leads to an increase in the scatter of their main parameters, and therefore, the main parameters of the road roughness sensor itself, in some cases exceeding the permissible limits. To reduce the influence of these factors on the scatter of parameters, to reduce this scatter, the claimed technical solution is directed.
Рассмотрим консольный пьезокерамический биморфный чувствительный элемент, в виде протяженной полоски, закрепленной на металлическом основании, а конкретно на его части, которую назовем основной. Ее особенности заключаются в том, что площадь поверхности крепления биморфа должна быть по возможности минимальной, а высота - максимально допустимая, позволяющая снизить влияние первичных и вторичных, упомянутых выше, деформаций. Однако только эти меры очень часто оказываются недостаточными при неизбежно больших деформациях, как, например, при изготовлении и закреплении на автомобиле датчика неровности дороги. Кроме того, как отмечалось ранее, эти меры усложняют технологию производства чувствительных элементов, контроль их параметров при изготовлении, что в условиях крупномасштабного производства имеет большое значение. Consider a cantilever piezoelectric ceramic bimorph sensor, in the form of an extended strip mounted on a metal base, and specifically on its part, which we will call the main one. Its features consist in the fact that the surface area of the bimorph mount should be as small as possible, and the height should be as much as possible, allowing to reduce the influence of primary and secondary deformations mentioned above. However, only these measures very often turn out to be insufficient with inevitably large deformations, such as, for example, in the manufacture and fastening of a road roughness sensor on a car. In addition, as noted earlier, these measures complicate the technology for the production of sensitive elements, the control of their parameters during manufacture, which in the context of large-scale production is of great importance.
Если основание выполнить из двух частей - основной, как отмечалось выше, и периферийной, то влияние внешних деформаций можно уменьшить еще более существенно. Для этого периферийная часть основания должна быть жестко связана с основной, нести на себе крепежные функции, вместе с ней быть достаточно жесткой для малых механических напряжений, возникающих при воздействии измеряемых ускорений, и становиться податливой, вплоть до пластических деформаций, при больших механических (статических) напряжениях, не передавая их (деформации) основной части. Такое возможно, если в месте соединения периферийной и основной частей основания соблюдаются условия, при которых одно и то же большое крепежное (статическое) воздействие приводит к большой деформации периферийной части и малой деформации основной части. При упрощенном анализе выявленного эффекта это можно показать на упрощенной модели основания, показанной на фиг.1. При деформации изгиба величиной "а" (фиг.1б) периферийной части, основная часть основания практически не деформируется, поскольку ее высота "Н" много больше высоты "h" периферийной части, а выполнены они из одного материала, как одно целое. Из фиг.1б видно, что периферийная часть основания может даже деформироваться пластически, не линейно, в то время как такая деформация не приводит к большим деформациям основной части. If the base is made of two parts - the main, as noted above, and the peripheral, then the influence of external deformations can be reduced even more significantly. For this, the peripheral part of the base must be rigidly connected to the main one, bear the fastening functions, along with it be sufficiently rigid for small mechanical stresses arising from the action of measured accelerations, and become pliable, up to plastic deformations, with large mechanical (static) voltages without transmitting them (deformation) of the main part. This is possible if, at the junction of the peripheral and main parts of the base, conditions are met under which the same large fastening (static) effect leads to large deformation of the peripheral part and small deformation of the main part. With a simplified analysis of the revealed effect, this can be shown on a simplified base model, shown in figure 1. When bending strain value "a" (fig.1b) of the peripheral part, the main part of the base is practically not deformed, since its height "H" is much greater than the height "h" of the peripheral part, and they are made of one material, as a whole. From Fig.1b it is seen that the peripheral part of the base can even be deformed plastically, not linearly, while such a deformation does not lead to large deformations of the main part.
Аналогично можно провести анализ и для других видов деформации (кручения, сдвига, растяжения-сжатия), причем все реальные ситуации могут быть в первом приближении представлены простыми моделями, подобно модели, показанной на фиг.1, с эффективными величинами (характерными размерами) Н, h, диаметрами и т.д. Длина основания периферийной части в первом приближении не принимается во внимание, однако при возникновении пластических деформаций, ее следует учитывать, моделируя оптимальные размеры основной и периферийной частей основания. Similarly, it is possible to analyze other types of deformation (torsion, shear, tension-compression), and all real situations can be represented, to a first approximation, by simple models, like the model shown in Fig. 1, with effective values (characteristic dimensions) of H, h, diameters, etc. The length of the base of the peripheral part in a first approximation is not taken into account, however, when plastic deformations occur, it should be taken into account, modeling the optimal dimensions of the main and peripheral parts of the base.
Задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в создании датчика ускорения, преимущественно транспортных средств, свободного от перечисленных выше недостатков, присущих известному уровню техники. Т.е. создать датчик ускорений, в котором существенно снижено влияние механических деформаций, вызванных последовательностью жестких закреплений, на разброс основных параметров датчика. The task underlying the present invention is to create an acceleration sensor, mainly vehicles, free from the above disadvantages inherent in the prior art. Those. create an acceleration sensor, in which the influence of mechanical deformations caused by a sequence of rigid fastenings on the spread of the main parameters of the sensor is significantly reduced.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изобретения, заключается в создании датчика ускорения, обеспечивающего при минимальных геометрических размерах его основных элементов, расширение частотного диапазона, увеличение уровня выходного сигнала, обеспечение повторяемости основных характеристик датчика в условиях широкомасштабного серийного производства, повышение технологичности конструкции датчика и снижение его себестоимости. The technical result achieved by using the claimed invention is to create an acceleration sensor that provides, with the minimum geometric dimensions of its main elements, expanding the frequency range, increasing the level of the output signal, ensuring the repeatability of the main characteristics of the sensor in large-scale serial production, increasing the manufacturability of the sensor design and reducing its cost.
Задача, положенная в основу настоящего изобретения, с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в известном пьезоэлектрическом датчике ускорения, содержащем биморфный чувствительный элемент, жестко закрепленный на твердом основании с токовыводами, твердое основание выполнено из жестко соединенных друг с другом двух частей: основной, на которой закреплен биморфный чувствительный элемент с токовыводами, и периферийной, при этом площадь сечения периферийной части выполнена меньше площади сечения основной части в месте их соединения, а конечные участки периферийной части являются местами крепления датчика;
- а также тем, что периферийная часть основания выполнена в виде пластины, высота которой, по крайней мере, не менее чем в два раза меньше высоты основной части основания;
- а также тем, что периферийная часть основания выполнена в виде стержня, высота и ширина которого выполнены меньше высоты и ширины основной части основания;
- а также тем, что стержень выполнен S-образной формы;
- а также тем, что основная часть основания выполнена в виде прямоугольной призмы или в виде цилиндра;
- а также тем, что основание выполнено как одно целое;
- а также тем, что основание выполнено из латуни.The task underlying the present invention, with the achievement of the above technical result, is solved by the fact that in the known piezoelectric acceleration sensor containing a bimorph sensor, rigidly fixed to a solid base with current leads, the solid base is made of two parts rigidly connected to each other: on which a bimorph sensitive element with current outputs and a peripheral one is fixed, while the cross-sectional area of the peripheral part is smaller than the cross-sectional area of the main part Asti in the place of their connection, and the final sections of the peripheral part are the mounting points of the sensor;
- and also the fact that the peripheral part of the base is made in the form of a plate, the height of which is at least not less than two times less than the height of the main part of the base;
- as well as the fact that the peripheral part of the base is made in the form of a rod, the height and width of which is less than the height and width of the main part of the base;
- as well as the fact that the rod is made S-shaped;
- as well as the fact that the main part of the base is made in the form of a rectangular prism or in the form of a cylinder;
- as well as the fact that the base is made as a whole;
- as well as the fact that the base is made of brass.
Изобретение иллюстрируется графическим материалом, на котором на фиг.1 показана модель деформации основания датчика, в процессе воздействия на него напряжений, возникающих при креплении датчика; на фиг.2 представлено техническое решение, выбранное в качестве прототипа, а на фиг.3 и 3а показаны особенности конструкции заявленного изобретения. The invention is illustrated by graphic material, in which figure 1 shows a model of deformation of the base of the sensor, in the process of exposure to stresses arising from the mounting of the sensor; figure 2 presents the technical solution selected as a prototype, and figure 3 and 3A shows the design features of the claimed invention.
Пьезоэлектрический датчик ускорений, в соответствии с заявленным изобретением (фиг 3 и 3а), содержит размещенные в герметичном корпусе (на фиг.3 и 3а не показан) пьезокерамический биморф 1, который жестко соединен с основанием 2, выполненным из проводящего металлического материала (например, латуни) путем пайки или склеивания, обеспечивающих помимо жесткого механического и электрический контакт, и выводы электрического сигнала, одним из которых является упомянутое проводящее основание 2, а другим - проводник 3. Крепление датчика ускорения к металлическому основанию конструкции датчика неровности дороги осуществляется путем пайки, приклеивания или винтового соединения. The piezoelectric acceleration sensor, in accordance with the claimed invention (FIGS. 3 and 3a), comprises a
Датчик работает следующим образом. При воздействии ускорения, перпендикулярного плоскости биморфа 1, происходит его деформация в виде изгиба (как консоли), в результате чего возникает разность потенциалов "U" на выводах датчика 2, 3, пропорциональная величине воздействующего ускорения "а", с точностью до коэффициента преобразования "к":
U=к•a.The sensor operates as follows. Under the action of acceleration perpendicular to the plane of
U = k • a.
Величина "U" при известном постоянном "К" несет информацию об ускорении "а", возникающем, в частности, при езде по неровной дороге на ухабах. Величина "К" зависит от особенностей конструкции датчика ускорения и физических констант материалов, использованных для изготовления основных элементов, составляющих эту конструкцию, а также от неконтролируемых, паразитных деформаций, передаваемых через основание собственно биморфу, возникающих при сборке, герметизации, креплении датчика неровности дороги к корпусу автомобиля. The value of "U" at a known constant "K" carries information about the acceleration "a", which occurs, in particular, when driving on rough roads with bumps. The value of "K" depends on the design features of the acceleration sensor and the physical constants of the materials used to make the basic elements that make up this structure, as well as on uncontrolled, parasitic deformations transmitted through the base to the bimorph itself, arising from the assembly, sealing, and fastening of the road roughness sensor to car body.
Перечисленные факторы приводят к снижению повторяемости параметров датчиков, как при их изготовлении, так и при их монтаже (закреплении) на транспортных средствах (автомобилях), а также снижает стабильность их характеристик в условиях внешних воздействий. These factors lead to a decrease in the repeatability of the parameters of the sensors, both during their manufacture and during their installation (fixing) on vehicles (cars), and also reduces the stability of their characteristics under external influences.
Для уменьшения влияния деформации корпуса датчика неровности дороги на величину "К" датчика ускорения, его основание, а точнее площадь соприкосновения основания с корпусом уменьшают до минимально возможной величины. To reduce the influence of deformation of the sensor body of the roughness of the road on the value "K" of the acceleration sensor, its base, or rather the area of contact of the base with the body is reduced to the minimum possible value.
Эти недостатки устраняются тем, что конструкция основания 2 выполнена в виде двух частей, основной 2.1 - утолщенной или возвышенной, на которой закреплен биморф, и периферийной 2.2, причем периферийная часть 2.2 имеет меньшее сечение, чем основная 2.1 в месте их соединения (сочленения), а граничные участки периферийной части 2.2 являются зонами крепления датчика. These disadvantages are eliminated by the fact that the design of the
В основу особенностей конструкции заявляемого изобретения положены следующие основные принципы механики деформируемых тел:
- деформация кручения круглого стержня обратно пропорциональна четвертой степени его радиуса [11];
- деформация изгиба консоли обратно пропорциональна кубу ее толщины [12] .The basis of the design features of the claimed invention are the following basic principles of the mechanics of deformable bodies:
- torsion strain of a round rod is inversely proportional to the fourth degree of its radius [11];
- bending deformation of the console is inversely proportional to the cube of its thickness [12].
Как отмечалось выше, все возможные варианты выполнения конструкции датчика в соответствии с заявляемым изобретением, содержащим основание, выполненное из двух частей: основной и периферийной, могут быть сведены расчетно-экспериментальным путем, в зависимости от доминирующего вида (или видов) деформации, к одной из нескольких упрощенных конструкций, поддающихся расчету и анализу. Геометрические размеры такой конструкции принято называть эффективными. Пример такой модели приведен на фиг.1. В этом случае соотношение геометрических размеров основной 2.1 и периферийной частей 2.2, например, высот "Н" и "h" таково, что периферийная часть 2.2, при закреплении датчика по участкам "А", более податлива, чем основная часть 2.1. Этот эффект проявляется тем сильнее, чем строже выполняется соотношение "Н">"h", и практически отсутствует при соотношении "Н"="h". Расстояние "L" от места соединения периферийной части 2.2 с основной частью 2.1 основания 2 до места крепления должно быть при этом достаточно большим и составлять величину, превышающую "h" более чем в несколько раз. В произвольном случае реальной геометрии периферийной части 2.2, величина "h" определяется максимальной хордой, соединяющей участки замкнутого контура, охватывающего сечение периферийной части 2.2 в месте ее соединения с основной частью 2.1 в направлении воздействия. As noted above, all possible embodiments of the sensor design in accordance with the claimed invention, containing a base made of two parts: the main and peripheral, can be reduced by calculation and experimental means, depending on the dominant type (or types) of deformation, to one of several simplified designs that can be calculated and analyzed. The geometric dimensions of this design are called effective. An example of such a model is shown in figure 1. In this case, the ratio of the geometric dimensions of the main 2.1 and the peripheral parts 2.2, for example, the heights "H" and "h", is such that the peripheral part 2.2, when fixing the sensor in sections "A", is more flexible than the main part 2.1. This effect is manifested the stronger, the more strictly the ratio "H"> "h" is fulfilled, and is practically absent with the ratio "H" = "h". The distance "L" from the junction of the peripheral part 2.2 with the main part 2.1 of the
Не прибегая к детальному анализу всех видов деформации, ее зависимости от других размеров (ширины консоли, длины) и сложному анализу произвольной формы сечения деформируемого тела (во избежание загромождения описания сложными математическими выкладками), можно утверждать, что в соответствии с полученными зависимостями, деформация уменьшается с ростом площади сечения и увеличивается с ростом длины. В этом случае, при переходе от периферийной части 2.2 основания 2 датчика, имеющей меньшее сечение, к основной части 2.1, имеющей большее сечение, деформация уменьшается, уменьшается и механическое напряжение. При этом деформация периферийной части 2.2 может быть даже необратимой, в то время как деформация основной части 2.1 может быть сделана сколь угодно малой. Without resorting to a detailed analysis of all types of deformation, its dependence on other sizes (cantilever width, length) and complex analysis of an arbitrary section shape of the deformable body (to avoid cluttering the description with complex mathematical calculations), it can be argued that, in accordance with the obtained dependences, the deformation decreases with increasing cross-sectional area and increases with increasing length. In this case, during the transition from the peripheral part 2.2 of the
В соответствии с изложенным, в предлагаемой конструкции датчика ускорения, периферийная часть 2.2 основания выполнялась в виде пластины, толщина которой была выбрана меньше высоты, а ширина равнялась ширине основной части основания датчика. In accordance with the foregoing, in the proposed design of the acceleration sensor, the peripheral part 2.2 of the base was made in the form of a plate, the thickness of which was chosen less than the height, and the width was equal to the width of the main part of the base of the sensor.
С целью дальнейшего снижения влияния паразитных механических воздействий на параметры датчика, уменьшалось сечение периферийной части 2.2 за счет уменьшения ее ширины, т. е. периферийная часть 2.2 приближалась по форме к стержню. In order to further reduce the influence of parasitic mechanical influences on the parameters of the sensor, the cross section of the peripheral part 2.2 was reduced due to a decrease in its width, i.e., the peripheral part 2.2 was closer in shape to the rod.
Для уменьшения габаритов датчика, стержень может быть выполнен S-образной формы. Основная часть 2.1 основания 2 может быть выполнена виде прямоугольной призмы, или в виде цилиндра. To reduce the size of the sensor, the rod can be made S-shaped. The main part 2.1 of the
В результате практической реализации полученных соотношений и проведенных испытаний, оптимальный вариант конструкций датчика содержит (фиг 3 и 3а) основание 2, выполненное как одно целое, например, из латуни. Чувствительный элемент 1 выполнен в виде пьезокерамического биморфа - консоли, причем высота основной части 2.1 основания 2 более чем в 2 раза превышает толщину периферийной части 2.2. Датчик ускорения крепился на корпусе датчика неровности дороги путем пайки к боковым поверхностям "А" периферийной части 2.1 основания 2. As a result of the practical implementation of the obtained ratios and tests, the optimal version of the sensor constructions contains (Figs. 3 and 3a) a
При воздействии ускорения перпендикулярно большим плоскостям поверхности биморфа 1 возникает его изгиб как консоли, что приводит к появлению на электродах 1,3 разности потенциалов, вследствие прямого пьезоэффекта. Under the action of acceleration perpendicular to large planes of the surface of
Для проведения сравнительных испытаний были изготовлены две группы датчиков ускорения в соответствии с фиг.2 и 3. Датчики с 1 по 5 номер были изготовлены аналогично прототипу, а датчики с 6 по 10 номер были изготовлены в соответствии с заявляемым изобретением. До закрепления обеих групп датчиков на печатные платы были определены их коэффициенты преобразования - приведены в таблице 1. Затем, датчики подвергались механическим воздействиям вследствие технологических операций: запайки на печатную плату, развальцовки экрана, заливки корпуса герметиком. После каждой операции измерялось относительное изменение коэффициента преобразования, вызванное такими воздействиями (см. таблицу 2 протокола). Вычислялось среднее значение этого изменения по каждой из групп. To conduct comparative tests, two groups of acceleration sensors were manufactured in accordance with FIGS. 2 and 3.
Было установлено, что это изменение составило около 1% для датчиков второй группы и около 7% для датчиков первой после первой операции, менее 1% и более 12%, соответственно, после второй операции и 4% и 13%, соответственно после третьей операции. Из приведенных результатов испытаний однозначно следует вывод о том, что датчики второй группы, выполненные в соответствии с заявленным изобретением, существенно менее чувствительны к механическим воздействиям, возникающим в процессе их изготовления, чем датчики первой группы. It was found that this change was about 1% for the sensors of the second group and about 7% for the sensors of the first after the first operation, less than 1% and more than 12%, respectively, after the second operation and 4% and 13%, respectively, after the third operation. From the above test results, the conclusion clearly follows that the sensors of the second group, made in accordance with the claimed invention, are significantly less sensitive to mechanical stresses arising during their manufacture than the sensors of the first group.
Далее упомянутые группы датчиков были подвергнуты температурному воздействию в диапазоне температур от -40oС до +105oС. Результаты этих испытаний приведены в таблице 3 и также показывают существенное снижение зависимости коэффициента преобразования у датчиков второй группы от температурных воздействий.Further, the mentioned groups of sensors were subjected to temperature in the temperature range from -40 o C to +105 o C. The results of these tests are shown in table 3 and also show a significant reduction in the dependence of the conversion coefficient of the sensors of the second group on temperature effects.
Таким образом, и результаты эксперимента, приведенные в прилагаемом протоколе, показали существенное снижение чувствительности коэффициента преобразования датчика ускорения, к паразитным механическим напряжениям, возникающим вследствие воздействия конструктивных, технологических и температурных факторов при выполнении основания датчика в соответствии с заявленным изобретением. Thus, the experimental results shown in the attached protocol showed a significant decrease in the sensitivity of the conversion coefficient of the acceleration sensor to parasitic mechanical stresses arising from the influence of structural, technological and temperature factors when performing the sensor base in accordance with the claimed invention.
Протокол сравнительных испытаний пьезоэлектрических датчиков ускорения
1. Объект испытаний.Protocol of comparative tests of piezoelectric acceleration sensors
1. The object of the test.
Первую группу образцов составили пьезоэлектрические датчики ускорения с условными номерами 1-5, содержащие чувствительный элемент (пьезоэлектрический биморф с выводом), выполненный в виде консоли, жестко закрепленной на основании в виде латунной пластины. Вторую группу образцов - пьезоэлектрические датчики ускорения с условными номерами 6-10, отличающиеся тем, что латунное основание выполнено в виде S-образной пластины, в центре которой находится возвышение в виде прямоугольной призмы, высота которого в 2,5 раза превышает толщину S-образной пластины. Чувствительный элемент закреплен на верхней грани возвышения. The first group of samples consisted of piezoelectric acceleration sensors with conditional numbers 1-5, containing a sensitive element (piezoelectric bimorph with output), made in the form of a console, rigidly fixed to the base in the form of a brass plate. The second group of samples is piezoelectric acceleration sensors with conditional numbers 6-10, characterized in that the brass base is made in the form of an S-shaped plate, in the center of which there is an elevation in the form of a rectangular prism, the height of which is 2.5 times the thickness of the S-shaped plates. The sensing element is mounted on the upper edge of the elevation.
2. Цель испытаний
Оценка влияния технологических факторов на основные параметры пьезоэлектрических датчиков ускорения в процессе производства акселерометров на их основе в зависимости от конструкции основания пьезоэлектрических датчиков.2. The purpose of the tests
Assessment of the influence of technological factors on the main parameters of piezoelectric acceleration sensors in the production process of accelerometers based on them, depending on the design of the base of the piezoelectric sensors.
Оценка чувствительности параметров пьезоэлектрических датчиков ускорения к изменению температур в диапазоне от минус 40oC до плюс 105oC в зависимости от конструкции их основания.Assessment of the sensitivity of the parameters of piezoelectric acceleration sensors to temperature changes in the range from minus 40 o C to plus 105 o C depending on the design of their base.
3. Основание для проведения испытаний
Протокол о намерениях между ОАО "ЭЛПА" и ОАО "КЗА" от 28.06.01.3. The basis for testing
Protocol of intent between ELPA OJSC and KZA OJSC dated 06.28.01.
4. Программа и методы испытаний
Испытания проводились по программе-методике, разработанной ОАО "КЗА". Контролируемым параметром пьезоэлектрических датчиков ускорения являлся коэффициент преобразования (К, мВ/g) датчиков.4. Program and test methods
The tests were carried out according to the methodology program developed by KZA OJSC. The controlled parameter of the piezoelectric acceleration sensors was the conversion coefficient (K, mV / g) of the sensors.
5. Результаты испытаний
5.1 Пьезоэлектрические датчики ускорения до запайки их на печатные платы акселерометров имели коэффициенты преобразования, представленные в таблице 1.5. Test Results
5.1 Piezoelectric acceleration sensors before sealing them on the printed circuit boards of accelerometers had conversion coefficients presented in table 1.
5.2 Относительные изменения коэффициентов преобразования пьезоэлектрических датчиков ускорения (К/Ко), обусловленные воздействием технологических факторов в процессе производства акселерометров на их основе, представлены в таблице 2.5.2 The relative changes in the conversion coefficients of piezoelectric acceleration sensors (K / K o ), due to the influence of technological factors in the production process of accelerometers based on them, are presented in table 2.
5.3 Относительные изменения коэффициентов преобразования пьезоэлектрических датчиков ускорения К/Ко под воздействием температуры в диапазоне от минус 40oC до плюс 105oC представлены в таблице 3.5.3 The relative changes in the conversion coefficients of the piezoelectric acceleration sensors K / K about under the influence of temperature in the range from minus 40 o C to plus 105 o C are presented in table 3.
6. Выводы
6.1 Образцы второй группы ( 6-10) обладают более чем в 1,5 раза большим коэффициентом преобразования при одинаковых геометрических размерах чувствительного элемента.6. Conclusions
6.1 Samples of the second group (6-10) have more than 1.5 times a large conversion coefficient with the same geometric dimensions of the sensitive element.
6.2 Образцы второй группы имеют существенно меньшие относительные изменения коэффициентов преобразования, обусловленные воздействием технологических факторов в процессе производства акселерометров на их основе. 6.2. The samples of the second group have significantly smaller relative changes in the conversion coefficients due to the influence of technological factors in the production process of accelerometers based on them.
6.3 Образцы второй группы имеют меньшие относительные изменения коэффициентов преобразования в диапазоне температур от минус 40oC до плюс 105oC.6.3 Samples of the second group have smaller relative changes in the conversion coefficients in the temperature range from minus 40 o C to plus 105 o C.
Использование в качестве основания пьезоэлектрических датчиков S-образной латунной пластины, в центре которой находится возвышение в виде прямоугольной призмы, высота которого в 2,5 раза превышает толщину S-образной пластины, позволяет существенно снизить чувствительность коэффициента преобразования датчиков к воздействию механических напряжений, неизбежно возникающих вследствие воздействия конструктивных, технологических и температурных факторов. Последнее особенно важно в условиях серийного производства измерительных устройств на их основе, в частности, пьезоэлектрических акселерометров. The use of a S-shaped brass plate as the base of the piezoelectric sensors, in the center of which there is an elevation in the form of a rectangular prism, the height of which is 2.5 times the thickness of the S-shaped plate, can significantly reduce the sensitivity of the conversion coefficient of the sensors to mechanical stresses that inevitably occur due to the impact of structural, technological and temperature factors. The latter is especially important in conditions of mass production of measuring devices based on them, in particular, piezoelectric accelerometers.
Источники информации
1. Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе. Пьезоэлектрическая керамика, М., Мир, 1974, с. 250-257.Sources of information
1. B. Jaffe, W. Cook, G. Jaffe. Piezoelectric ceramics, M., Mir, 1974, p. 250-257.
2. Патент РФ 2018134, МПК 5 G 01 Р 15/09, 1994 г. 2. RF patent 2018134, IPC 5 G 01
3. Патент США 4393688, н. кл.73-35, МПК G 01 L 23/22, 1983 г. 3. US patent 4393688, n. cl. 73-35, IPC G 01
4. Патент РФ 2106643, МПК 6 G 01 Р 15/09, 1998 г. 4. RF patent 2106643, IPC 6 G 01
5. Авторское свидетельство СССР 1205028, МПК 4 G 01 Р 15/09, 1983 г. 5. Copyright certificate of the USSR 1205028, IPC 4 G 01
6. ОСТ 11 0444-87. Материалы пьезокерамические. ТУ. 6. OST 11 0444-87. Piezoceramic materials. TU.
7. В.В. Фурдуев. Электроника. ОГИЗ, М., 1948, Л., с.369-378. 7. V.V. Furduev. Electronics. OGIZ, M., 1948, L., s. 369-378.
8. BOSH Acceleration seusors, с. 20-21. 8. BOSH Acceleration seusors, p. 20-21.
9. Патент США 4700973. 9. US patent 4700973.
10. Патент США 5438859. 10. US patent 5438859.
11. С.П. Стрелков. Механика. М., Наука, 1975, с.296. 11. S.P. Shooters. Mechanics. M., Science, 1975, p.296.
12. Там же, с.318. 12. Ibid., P. 318.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002134934/28A RU2212672C1 (en) | 2002-12-25 | 2002-12-25 | Piezoelectric acceleration transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002134934/28A RU2212672C1 (en) | 2002-12-25 | 2002-12-25 | Piezoelectric acceleration transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2212672C1 true RU2212672C1 (en) | 2003-09-20 |
Family
ID=29778008
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002134934/28A RU2212672C1 (en) | 2002-12-25 | 2002-12-25 | Piezoelectric acceleration transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2212672C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2621467C1 (en) * | 2016-06-30 | 2017-06-06 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" | Small sensor of shock |
-
2002
- 2002-12-25 RU RU2002134934/28A patent/RU2212672C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2621467C1 (en) * | 2016-06-30 | 2017-06-06 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" | Small sensor of shock |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4413202A (en) | Transducer with a flexible sensor element for measurement of mechanical values | |
| EP0678730B1 (en) | Angular velocity sensor device | |
| EP0221467B1 (en) | Vibrating type transducer | |
| WO1997014969A1 (en) | Method and apparatus for measuring acceleration or mechanical forces | |
| FR2365785A1 (en) | MICRO-DISPLACEMENT TRANSDUCER | |
| JP2002502964A (en) | Capacitive based pressure sensor design | |
| CN111999525A (en) | Piezoelectric acceleration sensor capable of detecting working state in real time and detection method | |
| US6925878B2 (en) | Acceleration sensor | |
| GB2035560A (en) | Apparatus for detecting and analysing acoustic and ultrasonic signals in hollow bodies | |
| RU2212672C1 (en) | Piezoelectric acceleration transducer | |
| JP3281217B2 (en) | Semiconductor type acceleration sensor and method for evaluating characteristics of sensor element of the sensor | |
| US3506857A (en) | Compressive mode piezoelectric transducer with isolation of mounting base strains from the signal producing means thereof | |
| CN216115850U (en) | High-precision measuring device for dynamic displacement of structural microcracks | |
| JPH05223662A (en) | Load measuring apparatus | |
| RU2401999C1 (en) | Detecting element of linear compression-tension force detector | |
| US4446722A (en) | Vibration sensor, particularly knock sensor for internal combustion engines | |
| SU1430767A1 (en) | Piezoelectric force cell | |
| RU2797312C1 (en) | Piezoelectric shock wave pressure sensor | |
| RU2344389C1 (en) | Thin-film pressure sensor | |
| DD298307A5 (en) | DEVICE FOR MEASURING MECHANICAL FORCES AND ENERGETIC EFFECTS | |
| RU207514U1 (en) | Piezoelectric accelerometer | |
| SU1755039A1 (en) | Roughness indicator | |
| US7069790B1 (en) | Systems and methods for measuring relative thermal expansion coefficient of low thermal coefficient of expansion materials | |
| RU30006U1 (en) | Piezoelectric accelerometer | |
| JPH05118933A (en) | Strain sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RH4A | Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation |
Effective date: 20061130 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091226 |