ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КРЕПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УСКОРЕНИЯ

Аннотация

Исследования выполнены с целью получения данных, необходимых для повышения точности расчета и оптимизации конструкций пьезоэлектрических датчиков механиче- ских величин, которые широко используются для контроля, мониторинга и диагностики сложного оборудовании и инженерных сооружений в различных областях техники. Задача исследований состоит в изучении особенностей рабочих деформаций в пьезоэлектрическом электромеханическом преобразователе в области крепления к основанию датчика и оценке их влияния на основные метрологические характеристики. Объектом исследования являет- ся электромеханический преобразователь в виде цилиндрического монолитного блока из пьезоэлектрической керамики с отношением высоты к диаметру от 0,33 до 2, закреплен- ный на основании датчика, на которое воздействует поступательное ускорение вибраци- онных колебаний со стороны контролируемого объекта. С использованием программного пакета ANSYS Multiphysics исследована математическая модель преобразователя с двумя принципиально разными типами крепления  «свободно-скользящего» и «жесткого». При этом выявлен механизм поперечного механического шунтирования деформации преобразо- вателя в области границы жесткого креплении. Для количественной оценки влияния усло- вий крепления на характеристики преобразователя предложены «коэффициент влияния крепления» и формула для его определения при различных отношениях высоты к диаметру преобразователя. Для определения влияния крепления преобразователя в реальных конст- рукциях датчиков разработана методика и проведены экспериментальные исследования с учетом свойств используемых на практике конструкционных материалов и наиболее час- то применяемого упругого поджатия элементов. Установлено, что свойства материала основания и соотношения размеров преобразователя в реальной конструкции датчика мо- гут вызывать изменения его коэффициента преобразования по напряжению до 15 %, ко- эффициента преобразования по заряду до 22 %, электрической емкости до 9 % и частоты продольного резонанса до 16 %. Влияние граничных условий крепления снижается одновре- менно с возрастанием относительной высоты преобразователя. Экспериментально полу- чены данные для расчета коэффициента влияния крепления при выполнении основания датчиков из металлов с модулем упругости от 74 до 300 ГПа и плотностью от 2,7 до 17,5 т/м3. Результаты проведенных исследований могут учитываться при конструировании пьезоэлектрических датчиков механических величин.