×
25.08.2017
217.015.d36f

МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДАТЧИК УДАРА

Вид РИД

Изобретение

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

Устройство относится к области пьезотехники и может быть использовано как частный случай акселерометра для измерения параметров удара, а также в смежных областях науки и техники для определения уровня ударных нагрузок.

В основу работы малогабаритного пьезокерамического датчика удара (далее - датчика) положено явление прямого пьезоэффекта, позволяющего получить на электродах, используемого в его конструкции пьезокерамического элемента (далее - пьезоэлемента), вследствие его деформации, как реакции на воздействующее на него ускорение, электрический сигнал, зависящий от величины этого ускорения [1]. По этому сигналу судят о параметрах ударного ускорения, что позволяет отнести датчик к акселерометрам.

Наиболее широкое применение в датчиках нашли осевые пьезоэлементы, работающие в основном на растяжение-сжатие (компрессионные датчики) и изгибные [2].

Компрессионные датчики обладают более высоким уровнем ударной прочности, но малой чувствительностью к ускорению, по сравнению с изгибными датчиками. В совокупности с рядом других достоинств и недостатков предпочтение может быть отдано тому типу пьезоэлемента, который наиболее соответствует решению поставленной технической задачи, в данном случае - минимальные габаритные размеры, достаточно высокий уровень чувствительности при большой механической прочности и др.

Изгибные датчики базируются на двух основных типах исполнения элементов биморфных пьезокерамических (далее - биморфы) - дисковых и стержневых. В данной работе рассматриваются только стержневые типы п. э., как менее габаритные, так и с целью упрощения изложения, поскольку принцип их работы одинаков.

Известен датчик компрессионного типа, конструкция которого может быть принята как базовая, ввиду ее широкого распространения [3, 4], содержащий пьезоэлемент (с дополнительной инерционной массой, по необходимости), жестко соединенный с частью всей конструкции, называемой основанием, которым весь датчик закреплен на контролируемом объекте, а также выводы, соединяющие электроды пьезоэлемента с внешними цепями.

К недостаткам такого датчика следует отнести ограничения, снижающие возможность уменьшения габаритных размеров, недостаточная направленная избирательность (аналог диаграммы направленности), большое выходное сопротивление (в основном емкостное, при малой выходной емкости), чувствительность к пироэффекту, как паразитному явлению для датчика, усложнение и удорожание конструкции датчика при его миниатюризации и др.

Принятие ряда технических мер при разработке датчиков позволит ослабить негативное влияние этих недостатков на их параметры.

Известен акселерометр компрессионного типа АВС 015 [5], имеющий малые массу и габаритные размеры и предназначенный для измерения параметров ускорения, в том числе и ударного, состоящий из пьезоэлемента, закрепленного внутри специального корпуса, на основании, составляющего одно целое с корпусом, электроды которого соединены с гибкими выводами, соединяющими их с внешними цепями.

Акселерометр АВС 015 обеспечивает сравнительно невысокий верхний предел измерения параметров ударного ускорения - около 2000g (пиковое значение до 4000 g), невысокую зарядовую чувствительность - коэффициент преобразования около 0,36 пКл/g, ограниченные конструктивно снизу габаритные размеры - 6×9×5 мм и масса - 1,0 г. Материал корпуса - ДСВ-2-Р-2МЛ-П по ряду свойств приближен к пластмассе [6] и имеет большой коэффициент линейного расширения, большое водопоглощение и др. Эти особенности акселерометра ограничивают его эффективность и возможности дальнейшей его миниатюризации при конструировании, что следует отнести к его недостаткам.

В то же время ряд параметров ABC 015 является уникальным, например допустимая температура окружающей среды до +200°С, и пригодность для специального применения, например при разработке и испытаниях двигателей, в том числе реактивных, но является совершенно избыточным для работы в обычных климатических условиях.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является достижение технического результата в виде повышения ударной прочности малогабаритного датчика удара и его чувствительности, уменьшения габаритных размеров и массы при улучшенных характеристиках корпуса, ударной прочности изделия и его чувствительности, уменьшения влияния на эксплуатационные характеристики паразитного пироэффекта, улучшения направленной избирательности и др.

Поставленная задача решается в конструкции малогабаритного датчика удара, состоящего из пьезокерамического элемента, закрепленного внутри корпуса, внешние электроды которого соединены проводниками с токоподводящими выводами, соединяющими их с внешними цепями, где в качестве пьезокерамического элемента использован пьезокерамический элемент биморфный, изготовленный по пленочной технологии, с учетом непропорциональной зависимости соотношения его электрофизических параметров от соотношения его габаритов, закрепленный компаундом одним из концов в виде консоли внутри металлокерамического корпуса, причем внешние электроды пьезокерамического элемента биморфного соединены проводниками с контактными площадками корпуса, предназначенного для поверхностного монтажа.

Существует вариант малогабаритного датчика удара, где габаритные размеры закрепления биморфа выбраны из заданного соотношения

габаритных размеров рабочей и нерабочей зон, при неизменных габаритных размерах самого пьезокерамического элемента биморфного.

Возможен также вариант датчика, где в качестве корпуса использован металлокерамический корпус типа SMD для поверхностного монтажа.

Возможно использование в малогабаритном датчике удара элемента биморфного последовательного типа.

Известно, что изгибные чувствительные элементы (далее - ЧЭ) консольного исполнения обладают более высоким показателям в части более высокой чувствительности к измеряемому ускорению, меньшему выходному сопротивлению (за счет большей выходной емкости) и существенно меньшими прочностными характеристиками, чем осевые - компрессионные ЧЭ. В то же время ряд положительных качеств компрессионных ЧЭ оказывается избыточным, например высокая механическая ударная прочность, для решения многих практических задач, а их недостатки делают эти задачи невыполнимыми (например, разработку датчиков существенно меньших габаритных размеров, чем ABC 015 и более высокой чувствительности).

Что касается ЧЭ консольного типа, то их предельные возможности по достижению совокупности этих противоречивых требований недостаточно изучены ввиду развития разработок подобных изделий по пленочной технологии методом литья пленки [7].

Теоретически и экспериментально установлено, что с уменьшением толщины биморфа убывает прочность ЧЭ по отношению к ударным нагрузкам, но возрастает его чувствительность к ним. Уменьшением длины рабочей зоны можно восстановить эту величину, но при этом чувствительность ЧЭ не восстанавливается, а остается большей, чем была (фиг. 4). Учет такой непропорциональной зависимости соотношения электрофизических параметров ЧЭ от соотношения его габаритных размеров позволяет уменьшать габаритные размеры ЧЭ в широких пределах, увеличивая или ударную прочность изделия при сохранении его чувствительности, или наоборот, или иную их комбинацию. Для обычных биморфов это ограничивалось возможностями технологии, а именно в обеспечении толщины пьезоэлемента, из которых его изготавливали, менее 0,2 мм. Технология изготовления биморфов путем использования технологии литья пьезокерамической пленки позволяет уменьшить эту величину на порядок.

К достоинствам биморфов следует отнести также как высокую пространственную избирательность, так и противодействие пироэффекту, как при их последовательной конструкции, так и при параллельной. Например, при последовательной конструкции биморфа (наиболее простой при изготовлении) вектор поляризации каждого из составляющих его пьезоэлементов направлен противоположно (фиг. 2). В этом случае разность потенциалов между каждой из составляющих одинакового пироэффекта (синфазная) даст нулевое значение на выходе, и только не синфазная составляющая (не одинаковый нагрев каждого пьезоэлемента, различие их параметров и т.д.), оставит негативное влияние паразитного пироэффекта, влияющее на результаты измерений, но ослабленным за счет учета синфазной составляющей.

Использование стандартного металлокерамического корпуса, в свою очередь, позволяет реализовать при размещении в нем пьезокерамического консольного ЧЭ высокую герметизацию, миниатюризацию, возможность при этом поверхностного монтажа и др.

Таким образом, отличительными признаками заявляемого устройства является то, что малогабаритный датчик удара, состоящий из пьезокерамического элемента, закрепленного внутри корпуса, внешние электроды которого соединены проводниками с токоподводящими выводами, соединяющими их с внешними цепями, где в качестве пьезокерамического элемента использован малогабаритный пьезокерамический элемент биморфный, изготовленный по пленочной технологии, с учетом непропорциональной зависимости соотношения его электрофизических параметров от соотношения его габаритов, закрепленный компаундом одним из концов в виде консоли внутри металлокерамического корпуса, причем внешние электроды пьезокерамического элемента биморфного соединены проводниками с контактными площадками корпуса, предназначенного для поверхностного монтажа; габаритные размеры закрепления биморфа выбраны из заданного соотношения габаритных размеров рабочей и нерабочей зон, при неизменных габаритных размерах самого пьезокерамического элемента биморфного; в качестве корпуса датчика использован металлокерамический корпус типа SMD для поверхностного монтажа; в качестве пьезокерамического элемента используется элемент биморфный последовательного типа.

На фиг. 1 приведен чертеж корпуса фирмы KYOCERA.

На фиг. 2 показана конструкция и габаритные размеры биморфа.

На фиг. 3 представлено фото закрепления биморфа в корпусе.

На фиг. 4 схематически изображен биморф, закрепленный в корпусе.

На фиг. 5 представлено фото малогабаритного датчика удара.

Устройство опробовано на предприятии. Был разработан макетный образец акселерометра - малогабаритного датчика удара в металлокерамическом корпусе фирмы KYOCERA, габаритные размеры которого составляли 7,0×5,0×1,5 мм (фиг. 1). Для этого была разработана конструкция и технология изготовления (методом литья пленки) биморфа с габаритными размерами 5,6×2,5×0,25 мм (фиг. 2). Этот биморф закрепляли эпоксидным компаундом внутри корпуса одним из концов (фиг. 3), создавая, таким образом, ЧЭ консольного типа. Не изменяя габаритных размеров биморфа (длины l0), меняя величину закрепления нерабочей зоны Δl=l0-l,

изменяли длину рабочей зоны l (фиг. 4) изменяли, таким образом, максимальное допустимое ударное ускорение и получаемое при этом значение коэффициента преобразования.

Окончательно, ЧЭ имел длину l0=5,6 мм, l=4,1 мм, причем использовали биморф последовательного типа.

Собранный макет датчика приведен на фиг. 5. Его основные параметры составили (типовые значения):

Свых ≈ 690nФ - выходная емкость;

Кнапр ≈ 4,6 мВ/g - чувствительность по напряжению;

Кзаряд ≈3,1nКл/g - чувствительность по заряду;

а mах ≈6000÷8000g - предельное ударное ускорение, при котором биморф ломается.

При сравнении с параметрами ABC 015 (справочные данные):

Свых≈180nФ;

Кнапр≈2,0 мВ/g;

a mах ≈4000g,

видно, что макет изгибного датчика более эффективен и имеет большие перспективы в дальнейшем усовершенствовании. Это послужило основанием о постановке соответствующей ОКР на предприятии.

Литература:

1. В.В. Янчич: Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры) / В.В. Янчич - М: Изд. ЮФУ, Ростов-на-Дону, 2010 г. - 24 с.

2. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / Изд. ООО «ФУ Аинформ», Минск, 2003 г. - 42 с.

3. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / Изд. ООО «ФУ Аинформ», Минск, 2003 г. - 44 с.

4. В.В. Янчич: Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры) / В.В. Янчич - М: Изд. ЮФУ, Ростов-на-Дону, 2010 г. - 46 с.

5. Датчики теплофизических и механических параметров / Справочник, том II - М: Изд. «Радиотехника», 1999 г. - 428-429 с.

6. В. Громов: Электроника. Металлокомпозиционные корпуса с полостью / В. Громов, №2 (00133), 2014 г. - 106-112 с.

7. Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков: патент №2540440, Рос. Федерация: Н01L 41/273 / Головнин В.А. и др.; заявитель и патентообладатель г. Москва, Зеленоград - ОАО «НИИ «Элпа». - 2013136032/28; заявл. 01.08.2013, опубл. 10.02.2015 - 6 с.


МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДАТЧИК УДАРА
МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДАТЧИК УДАРА
МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДАТЧИК УДАРА
МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДАТЧИК УДАРА
МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДАТЧИК УДАРА
МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДАТЧИК УДАРА
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 10 items.
10.09.2013
№216.012.68dc

Способ определения параметров изделий пьезотехники

Изобретение относится к области пьезотехники. Сущность: способ включает в себя измерение емкости свободных пьезоэлементов, непосредственно входящих в состав изделия, и емкости пьезоэлементов, частично зажатых путем склеивания в ходе изготовления изделия. Определяют различие емкостей свободных и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492491
Дата охранного документа: 10.09.2013
27.09.2014
№216.012.f8d9

Полимерная композиция для герметизации пьезокерамических приемоизлучающих гидроакустических устройств

Изобретение относится к химической технологии герметиков и заливочных компаундов и предназначено для использования в производстве пьезокерамических приемоизлучающих гидроакустических устройств, используемых для ультразвуковых систем визуализации подводных объектов и акустической микроскопии и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529542
Дата охранного документа: 27.09.2014
10.02.2015
№216.013.231b

Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков

Изобретение относится к пьезоэлектронике, к технологии изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов для электромеханических преобразователей и актюаторов. Сущность изобретения: способ включает операции приготовления шликера на основе порошка пьезокерамического материала и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002540440
Дата охранного документа: 10.02.2015
10.02.2015
№216.013.250f

Измерительный стенд для определения коэффициента преобразования пьезокерамических акселерометров

Изобретение относится к области пьезотехники, а конкретно к измерению параметров пьезоэлектрических акселерометров, вибродатчиков, сейсмодатчиков и других устройств, реагирующих на ускорение (вибрацию). Измерительный стенд для определения коэффициента преобразования пьезокерамических...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002540940
Дата охранного документа: 10.02.2015
10.06.2015
№216.013.52e3

Полимерная композиция для заливки пьезокерамических приемоизлучающих модулей

Изобретение относится к химической технологии получения герметиков и заливочных компаундов и предназначено для использования в производстве пьезокерамического приборостроения, в частности при изготовлении ультразвуковых приемоизлучающих модулей для бесконтактных датчиков уровня топлива....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002552740
Дата охранного документа: 10.06.2015
20.06.2015
№216.013.56cc

Способ измерения коэффициента преобразования пьезокерамических акселерометров

Изобретение относится к области пьезотехники и используется для измерения коэффициента преобразования акселерометров методом сравнения с калибровочным акселерометром. Предложен способ измерения коэффициента преобразования пьезокерамических акселерометров, в котором тестовое ускорение,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002553750
Дата охранного документа: 20.06.2015
25.08.2017
№217.015.b63c

Акселерометр

Изобретение относится к устройствам, измеряющим переменное ускорение, а именно к акселерометрам, которые могут быть использованы в качестве сейсмодатчиков, вибродатчиков, датчиков удара и т.д. Акселерометр состоит из n каналов, соответствующих n координатам (n=1÷3), каждый из которых содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614661
Дата охранного документа: 28.03.2017
28.11.2018
№218.016.a155

Способ получения пористой пьезокерамики с анизотропией диэлектрической проницаемости и ряда других параметров

Изобретение относится к получению пористых пьезокерамик для ультразвуковых преобразователей, работающих в диапазоне частот 0,1…2000 кГц. Сущность способа заключается в том, что порошок исходного синтезированного пьезокерамического материала смешивают с двухкомпонентным порообразователем, в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002673444
Дата охранного документа: 26.11.2018
13.11.2019
№219.017.e092

Эпоксидный компаунд для заливки пьезокомпозитных гидроакустических преобразователей

Изобретение относится к химической технологии получения герметиков и заливочных компаундов и предназначено для использования в производстве пьезокомпозитных гидроакустических преобразователей. Полимерная композиция для заливки пьезокомпозитных гидроакустических преобразователей включает...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002669278
Дата охранного документа: 09.10.2018
12.04.2023
№223.018.45fb

Способ работы устройства дозированной подачи жидкого вещества

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к дозирующим устройствам подачи топлива в судовых двигателях внутреннего сгорания, где подача топлива осуществляется путем открытия и закрытия сопла. Способ работы устройства дозированной подачи жидкого топлива включает воздействие...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002748627
Дата охранного документа: 28.05.2021
Showing 1-10 of 13 items.
10.09.2013
№216.012.68dc

Способ определения параметров изделий пьезотехники

Изобретение относится к области пьезотехники. Сущность: способ включает в себя измерение емкости свободных пьезоэлементов, непосредственно входящих в состав изделия, и емкости пьезоэлементов, частично зажатых путем склеивания в ходе изготовления изделия. Определяют различие емкостей свободных и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492491
Дата охранного документа: 10.09.2013
27.09.2014
№216.012.f8d9

Полимерная композиция для герметизации пьезокерамических приемоизлучающих гидроакустических устройств

Изобретение относится к химической технологии герметиков и заливочных компаундов и предназначено для использования в производстве пьезокерамических приемоизлучающих гидроакустических устройств, используемых для ультразвуковых систем визуализации подводных объектов и акустической микроскопии и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529542
Дата охранного документа: 27.09.2014
10.02.2015
№216.013.231b

Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков

Изобретение относится к пьезоэлектронике, к технологии изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов для электромеханических преобразователей и актюаторов. Сущность изобретения: способ включает операции приготовления шликера на основе порошка пьезокерамического материала и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002540440
Дата охранного документа: 10.02.2015
10.02.2015
№216.013.250f

Измерительный стенд для определения коэффициента преобразования пьезокерамических акселерометров

Изобретение относится к области пьезотехники, а конкретно к измерению параметров пьезоэлектрических акселерометров, вибродатчиков, сейсмодатчиков и других устройств, реагирующих на ускорение (вибрацию). Измерительный стенд для определения коэффициента преобразования пьезокерамических...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002540940
Дата охранного документа: 10.02.2015
10.06.2015
№216.013.52e3

Полимерная композиция для заливки пьезокерамических приемоизлучающих модулей

Изобретение относится к химической технологии получения герметиков и заливочных компаундов и предназначено для использования в производстве пьезокерамического приборостроения, в частности при изготовлении ультразвуковых приемоизлучающих модулей для бесконтактных датчиков уровня топлива....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002552740
Дата охранного документа: 10.06.2015
20.06.2015
№216.013.56cc

Способ измерения коэффициента преобразования пьезокерамических акселерометров

Изобретение относится к области пьезотехники и используется для измерения коэффициента преобразования акселерометров методом сравнения с калибровочным акселерометром. Предложен способ измерения коэффициента преобразования пьезокерамических акселерометров, в котором тестовое ускорение,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002553750
Дата охранного документа: 20.06.2015
25.08.2017
№217.015.b63c

Акселерометр

Изобретение относится к устройствам, измеряющим переменное ускорение, а именно к акселерометрам, которые могут быть использованы в качестве сейсмодатчиков, вибродатчиков, датчиков удара и т.д. Акселерометр состоит из n каналов, соответствующих n координатам (n=1÷3), каждый из которых содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614661
Дата охранного документа: 28.03.2017
20.03.2019
№219.016.e6f7

Упругий подвес для пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного датчика угловой скорости и способ его монтажа

Изобретение относится к малогабаритным вибрационным датчикам угловой скорости. Подвес выполнен из упругого металлического материала и закреплен в узловой точке балочного чувствительного элемента, причем подвес выполняют из материала с модулем упругости Е≤11·10 Н/м в виде плоской замкнутой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002369836
Дата охранного документа: 10.10.2009
10.04.2019
№219.017.0632

Ударопрочный вибрационный датчик угловой скорости

Изобретение относится к малогабаритным вибрационным датчикам угловой скорости. Датчик содержит корпус, электрическую схему возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов, закрепленный на упругих подвесах чувствительный элемент в форме балки треугольного сечения из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002412448
Дата охранного документа: 20.02.2011
29.06.2019
№219.017.9e1d

Пьезоэлемент для фокусирующего ультразвукового излучателя

Изобретение относится к медицинской технике, в частности для применения в ингаляторах. Пьезоэлемент для фокусирующего ультразвукового излучателя выполнен из пьезокерамики в виде части сферической оболочки с углом раскрытия до 180°. В вершине части сферической оболочки пьезоэлемента выполнен...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002333023
Дата охранного документа: 10.09.2008
+ добавить свой РИД