Пьезоэлектрические датчики силы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

"Уфимский государственный авиационный технический университет" в г. Кумертау

Кафедра ИИТ

Контрольная работа

По дисциплине «Введение в приборостроение»

на тему «Пьезоэлектрические датчики силы»

Выполнил: студент гр П-250В

Яппаров И.Ф.

Проверил: профессор Ураксеев М.А.



Содержание

1. Пьезоэлектрический эффект

2. Пьезоэлектрические преобразователи

3. Пьезоэлектрические датчики силы

4. Различные сферы применения

5. Пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления

6. Пьезоэлектрический акселерометр

Список литературы



1. Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему механических напряжений. Слово пьезо происходит из греческого piezen, означающего давление. Братья Кюри открыли пьезоэлектрический эффект в кварце еще в 1880 году, но долгое время это открытие не имело почти никакого практического применения. Только в 1917 году французский профессор П. Лангевин использовал х-срез кварцевой пластины для возбуждения и детектирования звуковых колебаний в воде. Его открытие привело к созданию гидролокатора[1].

Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками [5].

Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Пьезоэффект обратим. При воздействии на пьезоэлектрик, например кристалл, электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические напряжения и деформации. При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположное направления напряжений и деформаций. Это явление получило название обратного пьезоэффекта.

Рис. 1 Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов

Стрелками Р и Е изображены внешние воздействия - механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями - контуры деформации пьезоэлектрика (для наглядности во много раз увеличены); Р - вектор поляризации [5].

В некоторых источниках для обратного пьезоэффекта неуместно используют термин электрострикция, относящийся к сходному, но другому физическому явлению, характерному для всех диэлектриков, деформации их под действием электрического поля. Электрострикция - четный эффект, означающий, что деформация не зависит от направления электрического поля, а ее величина пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Порядок деформаций при электрострикции намного меньше, чем при пьезоэффекте (примерно на два порядка). Электрострикция всегда возникает и при пьезоэффекте, но вследствие малости в расчет не принимается. Электрострикция - эффект необратимый.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением t:

P = dt (1)

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности d называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем), и он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью:

r = dE (2)

где r - деформация; Е - напряженность электрического поля. Пьезомодуль d для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение.

Приведенные выражения даны в элементарной форме только для уяснения качественной стороны пьезоэлектрических явлений. В действительности пьезоэлектрические явления в кристаллах более сложны, что обусловлено анизотропией их упругих и электрических свойств. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и их характера и направления сил относительно кристаллофических осей кристалла. Пьезоэффект может возникать в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений. Существуют направления, для которых пьезоэффект равен нулю. Пьезоэффект описывается несколькими пьезомодулями, число которых зависит от симметрии кристалла. Направления поляризации может совпадать с направлением механического напряжения или составлять с ним некоторый угол. При совпадении направлений поляризации и механического напряжения пьезоэффект называют продольным, а при их взаимно перпендикулярном расположении - поперечным. За направление касательных напряжений принимают нормаль к плоскости, в которой действуют напряжения.

Рис. 2 Схематичные изображения, поясняющие продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, весьма незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 2,3 х 10-7мм. Незначительность величин деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

2. Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические преобразователи - пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформаторы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рисунке 3, поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

Рис. 3 Пьезоэлектрический трансформатор

Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии - электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии.

Пьезоэлемент (ПЭ) - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).

Рис. 4 Пьезоэлемент: 1 - пластина из пьезоэлектрика; 2 - электроды из проводящего матариала, наложенные на грани пластины

Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Ниже будет показано, какое значение имеет наличие пьезоэффекта и каким образом он оказывает влияние на электрические и механические характеристики пьезоэлемента. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующий на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьэзоэлектрика используют электроды,. покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

Внешняя механическая сила, воздействующая на пьезоэлемент, сообщает последнему энергию W0 в виде энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Если обозначить энергию упругой деформации пьезоэлемента через Wм, а электрическую энергию заряда его ёмкости через Wэ, то полная энергия W0, сообщенная пьезоэлементу, будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт (уже в результате обратного пьезоэффекта) механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет, следовательно, должно произойти уменьшение жесткости пьезоэлемента.

Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного пьезоэффекта, т. е. воздействия на пьезоэлемент внешней электрической силы. При этом внешний источник электрической энергии сообщает пьезоэлементу энергию в виде энергии заряда ёмкости пьезоэлемента и механической энергии его упругой деформации. Здесь также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации жестким зажатием пьезоэлемента, то можно обнаружить изменение его ёмкости. Этот факт легко наблюдается у сильных пьезоэлектриков, для слабых же, таких как кварц, изменение ёмкости невелико (около 1%). К этому выводу легко прийти, приняв во внимание термодинамические соображения. Из теории пьезоэлектричества известно, что упругие коэффициенты пьезоэлектриков зависят от электрических условий, как и их коэффициенты диэлектрических проницаемостей зависят от механических условий. Это естественно, так как пьезоэлектричество по определению предполагает наличие связи между упругими и диэлектрическими свойствами. Поэтому описание пьезоэлектрических свойств материала невозможно без привлечения упругих и диэлектрических коэффициентов с указанием граничных механических и электрических условий.

Более полно пьезоэффект характеризует энергетический коэффициент и, называемый коэффициентом электромеханической связи (ЭМС) и определяемый отношением



k = Wэ / W0 = Wм / W0 (3)

где W0 - вся приложенная к пьезоэлементу энергия, а Wэ и Wм - преобразованная (электрическая и механическая) энергия. Коэффициент ЭМС оказывается очень полезным для сравнения пьезоэлектриков, пьезоэлектрические, упругие и диэлектрические коэффициенты которых могут сущевенно различаться. Этот коэффициент различен для статического и динамического режимов преобразования, в последнем случае он зависит также от вида и моды колебания. Коэффициент ЭМС, как и пьезоэлектрические модули, зависит от направления воздействующих сил относительно кристаллографических осей кристалла. Он определяет такую существенную характеристику резонатора, как относительная ширина резонансной кривой. Чем больше коэффициент ЭМС, тем больше относительная ширина резонансной кривой. Преобразование энергии пьезоэлектрическим элементом не может быть полным, поэтому коэффициент ЭМС не бывает больше 1. Для так называемых слабых пьезоэлектриков, к которым принадлежат кварц, коэффициент ЭМС не превышает нескольких процентов, для сильных пьезоэлектриков, таких как сегнетова соль или пьезокерамика, он может достигать 50 ...90%.

3. Пьезоэлектрические датчики силы

Пьезоэлектрические тактильные датчики не предназначены для проведения точных измерений силы. Однако на основе того же пьезоэлектрического эффекта можно реализовать и прецизионные датчики силы, как активные, так и пассивные. При разработке таких датчиков всегда следует помнить, что пьезоэлектрические устройства не могут измерять стационарные процессы. Это означает, что пьезоэлектрические датчики силы преобразуют изменения силы в переменный электрический сигнал, но при этом они никак не реагируют на постоянное значение внешней силы. Поскольку приложенные силы могут изменять некоторые свойства материалов, при разработке активных датчиков необходимо учитывать всестороннее влияние сигналов возбуждения. На рис. 5 показан вариант активного датчика силы [1].

При проведении количественных измерений при помощи такого датчика следует помнить, что его диапазон измерения зависит от частоты механического резонанса применяемого пьезоэлектрического кристалла. Принцип действия таких датчиков основан на том, что при механической нагрузке кварцевых кристаллов определенных срезов, используемых в качестве резонаторов в электронных генераторах, происходит сдвиг их резонансной частоты. Выражение для спектра собственных механических частот пьезоэлектрического генератора имеет вид:

(4)

где п -- номер гармоники, l -- геометрический параметр, определяющий резонансную частоту (например, толщина относительно большой и тонкой пластины или длина тонкого длинного стержня), с -- коэффициент упругой деформации (например, коэффициент жесткости при сдвиге вдоль толщины пластины или модуль Юнга в случае тонкого стержня), а с -- плотность кристалла. Частотный сдвиг возникает из-за нелинейности зависимостей некоторых параметров кристалла от величины внешних сил. Например, в уравнении коэффициент жесткости с зависит от приложенной нагрузки, тогда как плотность и геометрический параметр меняются при этом незначительно. Для каждого среза кристалла существуют направления, при приложении сил сжатия вдоль которых наблюдается минимальная чувствительность пьезорезонатора. При разработке генераторов выбираются именно эти направления, поскольку они позволяют реализовать наибольшую механическую стабильность. Тогда как при проектировании датчиков разработчики преследуют противоположную цель, поэтому избегают использования данных направлений.

Так для построения высокоэффективного датчика давления применили дисковый резонатор с диаметральным приложением сил (рис. 6). На рис. 7 показан еще один датчик, работающий в сравнительно узком диапазоне 0...1.5 кг, но обладающий хорошей линейностью и 11-ти разрядным разрешением. Для изготовления такого датчика из кристалла вырезали прямоугольную пластину, у которой один край параллелен оси х, а передняя грань образует с осью z угол и, приблизительно равный 35°. Такой срез часто называют АТ-срезом.



На поверхностях пластины нанесены электроды, на которых в результате пьезоэлекрического эффекта возникают заряды противоположных знаков. Эти электроды включены в цепь положительной ОС генератора на основе ОУ (рис. 7Б). Кварцевый кристалл в ненагруженном состоянии вибрирует на основной частоте f0,. При воздействии на кристалл внешней силы его частота смещается на величину ?f

(5)

где F -- приложенная сила, k-- константа, п -- номер гармоники, l -- размер кристалла. Для компенсации ухода частоты вследствие изменения температуры, иногда применяют сдвоенный кристалл, одна половина которого используется для температурной корректировки. Каждый резонатор включается в свой собственный колебательный контур, и для исключения влияния температуры находится разность частот сигналов двух контуров. На рис. 7В показан внешний вид серийно выпускаемого датчика силы.

При разработке любых датчиков силы на основе пьезорезонаторов приходится находить компромисс между двумя противоречивыми требованиями. С одной стороны резонатор должен обладать максимальной добротностью, для чего датчик желательно изолировать от окружающей среды и поместить в вакуум. С другой стороны, на датчик действуют давление и внешние силы, поэтому он должен иметь довольно жесткую конструкцию, что неминуемо ухудшает добротность всего устройства, в том числе и резонатора.

Эта проблема частично решается в датчиках с более сложной структурой. Например, в работах описан фотолитографический способ изготовления двух- и трех- балочных структур. Цель их создания заключается в согласовании размеров вибрирующего элемента с четвертью длины акустической волны (1/4 А,). При выполнении этого условия полное отражение волны происходит в точках, куда прикладываются внешние силы, что позволяет значительно снизить влияние нагрузки на величину добротности резонатора.

4. Различные сферы применения

Патент США N3239283. Американские изобретатели Дж.Броз и В.Лаубердорфер разработали конструкцию подшипника, в котором трение уничтожается вибрацией, но для ее создания не требуется специальных механизмов. Втулки подшипника изготовляются из пьезоэлектрического материала. Ток заставляет пьезоэлектрик сжиматься и расширяться, создавая вибрацию, уничтожающую трение [3].

Установка на реактивных самолетах пьезопреобразователей позволяет экономить почти треть топлива, которое шло на выработку электроэнергии, следовательно, позволяет увеличить дальность полета. Здесь в электроэнергию непосредственно превращаются колебания и вибрация фюзеляжа и крыльев.

Фирма "Филипс" успешно разрабатывает идею пьезоэлектрического привода для механизмов малой мощности. В частности, ею создан светофор, батареи которого заряжаются от шума автомобилей на перекрестке.

Поговаривают о создании звукоизолирующих перегородок многоквартирных домок из пьезоэлектриков. Здесь двойной эффект и поглощение шума, и выработка электроэнергии, скажем, для обогрева квартир.

Пьезоэлектрическая струйная печать. Пьезоэлектрические струйные головки для принтеров были разработаны в семидесятых годах. В большинстве таких принтеров избыточное давление в камере с чернилами создается с помощью диска из пьезоэлектрика, который изменяет свою форму (выгибается) при подведении к нему электрического напряжения. Выгнувшись, диск, который служит одной из стенок камеры с чернилами, уменьшает ее объем. Под действием избыточного давления жидкие чернила вылетают из сопла в виде капли [4].

Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Звуковые волны падают на пьезокристалл микрофона и сжимают его. При помощи пьезокристалла происходит преобразование энергии звуковых волн в слабый электрический ток. Этот небольшой ток затем поступает на усилитель, который делает его достаточно сильным, чтобы обеспечить нормальную работу громкоговорителя. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.

Зажигалка бытовая пьезоэлектрическая ЗП-1 "Толнэ". Зажигалка предназначена для зажигания газа в горелках бытовых газовых приборов. Источником получения искры является пьезоэлемент. Нажатием на клавишу усилие сжатия передается на пьезоэлементы, в результате чего происходит искрообразование между контактами, расположенными внутри металлической насадки, надетой на удлиненный конец пьезозажигалки. Искра, которая поджигает газ, образуется как при нажатии на клавишу, так и при отпускании ее.

Пьезоэлектрические излучатели применяются для генерирования ультразвука с частотами до 50 МГц. Основным элементом пьезоэлектрического излучателя является пластинка из пьезоэлектрика, совершающая вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта вынужденные механические колебания в переменном электрическом поле.

Пьезоэлектрический двигатель

Патент Российской Федерации RU2286002

Имя заявителя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (RU)

Имя изобретателя: Меремьянин Юрий Иванович (RU); Бушуев Владимир Валерьевич (RU); Бушуева Людмила Николаевна (RU); Володькина Ольга Васильевна (RU)

Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (RU)

Адрес для переписки: 394613, г.Воронеж, ул. Тимирязева, 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, патентный отдел

Дата начала действия патента: 2005.04.22

Двигатель предназначен для использования в электротехнике, например в устройствах привода самописцев и ленточных механизмов магнитных носителей информации. Двигатель содержит пьезоэлементы в виде биморфных пластин и подвижный узел в виде храпового механизма; пластины расположены радиально, одни концы пластин закреплены неподвижно на основании, свободные концы пластин охвачены пасиком, связывающим их с храповым механизмом, причем плоскость расположения пластин перпендикулярна оси вращения храпового механизма. Изобретение обеспечивает повышение КПД за счет увеличения момента вращения.

Описание изобретения

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах привода самописцев и ленточных механизмов магнитных носителей информации.

Наиболее близким к изобретению является синхронный пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезоэлементы в виде биморфных пластин и подвижный узел (SU 430459 А, кл. Н 01 L 41/08, опубл. 30.05.1974).

Недостатком указанного двигателя является невысокий момент вращения, обеспечиваемый двигателем.

Задача изобретения - увеличение момента вращения двигателя.

Поставленная задача решается за счет того, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем пьезоэлементы в виде биморфных пластин и подвижный узел, последний выполнен в виде храпового механизма, а биморфные пластины одним концом закреплены неподвижно на основании и расположены радиально в одной плоскости, свободные концы биморфных пластин охвачены пасиком, связывающим их с храповым механизмом, причем плоскость расположения пластин перпендикулярна оси вращения храпового механизма.

Двигатель содержит биморфные пьезоэлементы 1, склеенные резиной 2, выходной вал 3, храповый механизм 4, пасик 5.

Двигатель работает следующим образом

При подаче переменного напряжения на биморфные пьезоэлементы 1 последние изгибаются и их подвижные концы совершают колебательные движения с частотой подаваемого напряжения. Пасик, охватывающий эти подвижные концы, начинает также совершать колебательные движения, которые передаются храповому механизму, преобразующему колебательные движения во вращательное движение выходного вала 3.

Для повышения момента вращения двигателя множество биморфных пьезоэлементов электрически соединены параллельно, радиально установлены и охвачены пасиком, образуя шкив. Движение через пасик передается на храповый механизм.

В результате этого изгибный момент каждой пластины суммируется друг с другом и получается значительный по величине момент вращения.

По сравнению с известными пьезоэлектрическими двигателями в заявляемом устройстве выше ресурс работы из-за отсутствия износостойких прокладок, так как момент вращения передается через резиновый пасик. Ресурс работы пасика из силиконовой резины стабилен и очень продолжителен. Кроме того, существующие пьезоэлектрические двигатели с большим моментом вращения требуют для своего питания использования специальных преобразователей постоянного напряжения в напряжение ультразвуковой частоты (В.В.Лавриненко, И.А.Карташов, B.C.Вишневский. "Пьезоэлектрические двигатели", Москва. "Энергия". 1980, с.32-33, 83-89).

Для описываемого пьезоэлектрического двигателя источником питания может быть обычная сеть с частотой 50 Гц.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезоэлементы в виде биморфных пластин и подвижный узел, отличающийся тем, что подвижный узел выполнен в виде храпового механизма, а биморфные пластины одним концом закреплены неподвижно на основании и расположены радиально в одной плоскости, свободные концы биморфных пластин охвачены пасиком, связывающим их с храповым механизмом, причем плоскость расположения пластин перпендикулярна оси вращения храпового механизма.

5. Пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления

Навигация по патенту.

МПК G01L23/10.

Заявка: 2001114949/28, 31.05.2001.

Дата начала отсчета срока действия патента: 31.05.2001.

Дата публикации заявки: 20.07.2003.

Опубликовано: 27.10.2003.

Заявитель: ФГУП "Научно-исследовательский институт физических измерений"

Авторы: Бутов В.И., Вусевкер В.Ю., Мокров Е.А., Панич А.Е.

Патентообладатель: ФГУП "Научно-исследовательский институт физических измерений"

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для работы в мощных транспортных и промышленных энергетических системах. Датчик включает пакет из соединенных электрически параллельно пьезокерамических пластин, содержащий биморфную пластину с диаметром большим, чем у остальных пластин. Слои периферийной части биморфной пластины поляризованы в противоположных направлениях, а слои ее центральной части поляризованы в одинаковом направлении. Технический результат - высокая чувствительность и низкая вибрационная погрешность.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано для контроля динамических процессов в различных машинах и механизмах.

Известен датчик быстропеременного давления, включающий пьезоэлектрический чувствительный элемент и дополнительный виброкомпенсирующий пьезопреобразователь [1]. Датчик обладает пониженной вибрационной погрешностью при продольном направлении виброускорения.

Однако известное устройство не обладает достаточной эффективностью при виброускорении в поперечном направлении, когда паразитная виброчувствительность датчика равна сумме виброчувствительностей основного и дополнительного пьезопреобразователей.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления, содержащий пьезопреобразователь в виде монолитного блока, включающего соединенные электрически параллельно пьезоактивные рабочие и виброкомпенсирующие слои и расположенный между ними пассивный слой [2]. Известный датчик обладает низкой паразитной виброчувствительностью при действии вибрации в продольном и поперечном направлении.

Однако известный датчик обладает низкой чувствительностью к действию измеряемой величины - быстропеременного давления, так как измеряемое давление воздействует и на виброкомпенсирующие слои, вырабатывающие заряд, знак которого противоположен знаку заряда рабочих слоев.

Заявляемый в качестве изобретения пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления позволяет значительно увеличить чувствительность измерительной системы при сохранении низкой вибрационной погрешности.

Указанный технический эффект достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике быстропеременного давления, включающем пакет из соединенных электрически параллельно пьезокерамических пластин, пакет содержит биморфную пластину, имеющую больший диаметр, чем остальные пластины пакета, слои периферийной части биморфной пластины поляризованы в противоположных направлениях, а слои центральной части биморфной пластины поляризованы в одинаковом направлении.

Создание пьезоэлектрического датчика быстропеременного давления стало возможным благодаря введению в конструкцию устройства нового элемента - биморфной пластины с увеличенным диаметром и новому взаимному расположению зон с различной поляризацией пьезокерамики. Слои биморфной пластины с противоположной поляризацией представляют собой виброкомпенсирующую зону. Расположение этой зоны в периферийной части биморфной пластины позволяет вывести ее из-под действия измеряемого быстропеременного давления и, следовательно, устранить ее влияние на чувствительность датчика.

Таким образом, введением нового элемента с новым взаимным расположением его частей достигается основной технический эффект изобретения - существенное увеличение чувствительности измерительной системы.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом, где изображен общий вид и схема электрических соединений пьезоэлектрического датчика быстропеременного давления.

Устройство содержит основание 1, корпус 2, мембрану 3, изоляторы 4, 5, рабочие пьезокерамические пластины 6, 7, биморфную пластину 8 и разъем 9.

Мембрана 3 жестко закреплена в корпусе 2. Пакет из пластин 6, 7, 8 и изоляторов 4, 5 закреплен между основанием 1 и мембраной 3 путем поджатия. Пластины 6, 7, 8 соединены электрически параллельно и подключены к разъему 9. Полярности пластин 6, 7 и обоих слоев центральной части пластины 8 совпадают. Слои периферийной части пластины 8 поляризованы в противоположных направлениях. На чертеже стрелками указано направление поляризации.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемое пульсирующее или акустическое давление через узел силовведения - мембрану 3 - передается на чувствительный элемент, выполненный в виде многослойного пакета, состоящего из пластин 6, 7 и центральной части пластины 8. Возникающий в результате прямого пьезоэффекта полезный электрический сигнал, равный сумме зарядов пластин 6, 7, 8, передается на выходной разъем 9. Периферийная часть пластины 8 не участвует в преобразовании полезного сигнала.

Под действием вибрации в пьезоэлектрических пластинах возникают паразитные электрические сигналы. При этом периферийная часть биморфной пластины 8 испытывает изгибные деформации и играет роль виброкомпенсирующего элемента, так как возникающие в ней заряды компенсируют заряды, возникающие в центральной части пакета.

Предлагаемый пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления с чувствительными элементами из высокотемпературного пьезокерамического материала ТНВ-1 имеет коэффициент преобразования пульсирующей силы в заряд 30-32 пКл/Н, при этом отношение полезного сигнала к паразитному сигналу от воздействия виброускорения равно 12-15. Таким образом, предлагаемое устройство обладает чувствительностью, вдвое превышающей чувствительность прототипа, который имеет коэффициент преобразования силы в заряд 15 пКл/Н. При этом сохраняется низкая вибрационная погрешность (у прототипа отношение полезного сигнала к паразитному составляет 5-10).

Преимущества предлагаемого пьезоэлектрического датчика быстропеременного давления позволяют существенно повысить чувствительность измерительной системы и применить ее в мощных энергетических и транспортных системах, например в ракетно-космической технике, судовом и промышленном энергетическом оборудовании.

Источники информации

1. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - с. 194-202.

2. Экология, мониторинг и рациональное природопользование // Научные труды. Вып. 288(11). - М.: МГУЛеса, 1997. - с. 90-96.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления, включающий пакет из пьезокерамических пластин, соединенных электрически параллельно, отличающийся тем, что пакет содержит биморфную пластину, имеющую больший диаметр, чем остальные пластины пакета, слои периферийной части биморфной пластины поляризованы в противоположных направлениях, а слои центральной части биморфной пластины поляризованы в одинаковом направлении.



6. Пьезоэлектрический акселерометр

Навигация по патенту.

МПК G01P15/09.

Заявка: 96105598/28, 22.03.1996.

Опубликовано: 10.03.1998.

Заявитель: Акционерное общество. "Геоакустика".

Авторы: Вишневский И.Б., Зюзин В.Н., Некрасов В.Н., Краснописцев Н.В.

Патентообладатель: Акционерное общество "Геоакустика".

Использование: в измерительной технике для измерения параметров вибраций и ускорений в различных областях народного хозяйства. Сущность изобретения: в акселерометре, содержащем кольцевой поляризованный пьезоэлемент, расположенный между инерционной массой и корпусом, скрепленным по оси с помощью резьбового соединения, в качестве пьезоэлемента используется кольцевой пьезоэлемент, поляризованный в радиальном направлении, а металлические электроды нанесены на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента. Использование предложенного акселерометра позволяет повысить его чувствительность и упростить процесс изготовления устройства.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров вибраций и ускорений в различных областях техники.

Известен пьезоэлектрический акселерометр, использующий продольно поляризованный пьезоэлемент в виде кольцевых шайб [1], нагруженных инерционной массой и соединенных с корпусом [1].

Недостатком известного акселерометра является недостаточно высокая чувствительность и сравнительно узкий рабочий диапазон прибора.

В качестве прототипа принят пьезоэлектрический акселерометр, содержащий кольцевой пьезоэлемент, поляризованный в радиальном направлении, и металлически электроды, нанесенные на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента, а также инерционную массу и корпус, между которыми расположен кольцевой пьезоэлемент [2].

Недостатками прототипа является слабая помехозащищенность и низкая чувствительность акселерометра.

Ввиду небольшой ширины изоляционных слоев и относительно большой диэлектрической проницаемости пьезокерамики, паразитная емкость с Cn между корпусом и электродами значительная. Это в свою очередь приводит к большому значению синфазной составляющей помехи на выходе акселерометра, вызванной, например воздействием продольной помехи, величина которой, пропорциональна Cn.

Кроме того большое значение Cn уменьшает чувствительность акселерометра по напряжению, поскольку полезный сигнал последнего делится емкостным делителем, образованным Cn и Cа - емкостью между электродами акселерометра, в отношении:



Cа/Cа + Cn.

Технический эффект, получаемый от внедрения изобретения, заключается в уменьшении паразитной емкости между корпусом и электродами, что приводит к повышению помехозащищенности и чувствительности прибора.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем кольцевой пьезоэлемент, поляризованный в радиальном направлении и металлические электроды, нанесенные на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента, а также инерционную массу и корпус, между которыми расположен кольцевой пьезоэлемент, толщина S кольцевого пьезоэлемента и его высота H удовлетворяют соотношению:

H/S > d33/d31, (1)

Где, d33 и d31 - пьезомодули материала пьезоэлемента в статическом режиме, при этом инерционный элемент и корпус изолирован от металлических электродов с помощью непроводящих прокладок, причем корпус, кольцевой пьезоэлемент и инерционная масса скреплены по оси акселерометра с помощью упругого стержня. В частном случае толщина S кольцевого пьезоэлемента и его высота H удовлетворяют соотношению:

H/S > 4, (2)

а средний диаметр D кольцевого пьезоэлемента и его толщина S удовлетворяют соотношению:



D/S > 10. (3)

Причем непроводящие прокладки могут быть выполнены из полиимидной пленки, пьезоэлемент - из пьезокерамики, а инерционный элемент и корпус - из одного материала, преимущественно нержавеющей стали.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства.

Пьезоэлектрический акселерометр содержит кольцевой поляризованный в радиальном направлении пьезоэлемент 1, с металлическими электродами 2, нанесенными на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента 1, расположенного между кольцевыми инерционными массой 3 и корпусом 4, скрепленными по оси с помощью упругого стержня, например, болта 5.

Акселерометр также содержит две кольцевые изоляционные прокладки 6, расположенные по торцам кольцевого пьезоэлемента 1, выполненного, например, из пьезокерамики.

Размеры S, D, H удовлетворяют неравенством (1-3), полученным в результате экспериментальных исследований и теоретических расчетов.

Кроме того в частном случае, целесообразно инерционную массу, упругий стержень и корпус выполнить из нержавеющей стали, а непроводящие прокладки - из полиимидной пленки. Это позволит дополнительно расширить диапазон рабочих температур акселерометра.

Акселерометр работает следующим образом.

Закрепляют корпус 4 на исследуемом изделии (элементы крепления на чертеже не показаны). Под действием ускорения на электродах 2 пьезоэлемента 1 появляется заряд, пропорциональный величине ускорения, который усиливается во вторичной аппаратуре и регистрируется (блоки вторичной и регистрирующей аппаратуры на чертеже не показаны).

При выполнении неравенства (1) и акселерометра чувствительность по заряду больше чем на прототипе приблизительно в

H d31/(S d31),

а также шире частотный диапазон за счет повышения частоты первого резонанса приблизительно в

SE33/SE11,

Где SE33 и SE11 - упругие податливости пьезокерамики, определяемые при постоянном значении напряженности электрического поля E.

Одновременно повышается помехозащищенность акселерометра, особенно при выполнении неравенств (2, 3).

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий кольцевой пьезоэлемент, поляризованный в радиальном направлении, и металлические электроды, нанесенные на наружную и внутреннюю боковые поверхности кольцевого пьезоэлемента, а также инерционный элемент и корпус, между которым расположен кольцевой пьезоэлемент, отличающийся тем, что толщина кольцевого пьезоэлемента S и его высота Н удовлетворяют соотношению

H/S > d33/d31,

где d33 и d31 - пьезомодули материала пьезоэлемента в статическом режиме, инерционный элемент и корпус выполнены из одного материала, изолированного от металлических электродов с помощью непроводящих прокладок, при этом корпус кольцевой пьезоэлемент и инерционная масса скреплены по оси акселерометра с помощью упругого стержня.

2. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что толщина S кольцевого пьезоэлемента и его высота Н удовлетворяют соотношению

H/S > 4.

3. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что средний диаметр D кольцевого пьезоэлемента и его толщина S удовлетворяют соотношение

D/S > 10.

4. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что инерционный элемент и корпус выполнены из нержавеющей стали, непроводящие прокладки выполнены из полиимидной пленки, а пьезоэлемент - из пьезокерамики.

пьезоэлектрический преобразователь акселерометр



Список литературы

1. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник (2006). М:Издат Техносфера.

2. “Электричество” С.Г. Калашников, Москва, 1977г.

3. http://ru.wikipedia.org.

4. http://referat.ru.

5. http://www.oaopiezo.com.

Размещено на Allbest.ru

...