ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для измерения ускорений, сил, давлений в условиях интенсивных высокочастотных электромагнитных полей.

Известно, что эксплуатационные технические характеристики пьезоэлектрических преобразователей с электрической изоляцией пьезоэлементов от корпуса значительно улучшаются. Появляется возможность подключения преобразователя к предусилителям с дифференциальным входом, что обеспечивает повышение помехоустойчивости от:
образования контурных токов без необходимости электрической изоляции корпуса преобразователя относительно заземленного объекта испытаний;
синфазных составляющих общего для обоих выводов выхода преобразователя электрического шума;
электромагнитных полей.

При этом, чем меньше емкостная связь выводов преобразователя с корпусом, тем в более широком частотном диапазоне проявляется помехоустойчивость.

Известны пьезоэлектрические акселерометры, содержащие пьезоэлектрический преобразователь с симметричными выходами, выполненный в виде пьезоэлемента (набора пьезоэлементов), изолированного, от корпуса, и двухпроводный кабель с двумя экранами.[1]. Провода кабеля используются для съема заряда, внутренний экран связан с землей дифференциального усилителя, а внешний - с корпусом преобразователя. Такой преобразователь отличается высокой помехоустойчивостью, так как паразитные емкости для сигнальных проводов кабеля относительно корпуса и внешнего экрана кабеля могут быть обеспечены достаточно низкими, поскольку в качестве материала изоляторов пьезоэлемента от корпуса может быть использован материал с низкой диэлектрической проницаемостью ε = 2 - 4. Недостатками такого преобразователя является низкая осевая чувствительность по заряду и невозможность осуществления дифференциального режима работы, что ограничивает область применения из-за восприимчивости к внешним влияющим факторам, например, деформации основания и быстрому изменению температуры.

Известен также дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, набор пьезоэлементов с обкладками, изолятор и двухпроводный экранированный кабель, провода которого соединены с обкладками, контактирующими с изолятором, а экран с корпусом, при этом пьезоэлементы разделены изолятором на две группы с равными электрическими емкостями относительно экрана кабеля.[2].

При выполнении изолятора из пьезоэлектричество материала в таком преобразователе происходит повышение чувствительности по заряду. Недостаток заключается в низкой помехоустойчивости. Это объясняется тем, что паразитные емкости для сигнальных проводов кабеля относительно корпуса и экрана кабеля не могут быть обеспечены достаточно низкими, так как при прочих равных условиях определяются, данном случае, диэлектрической проницаемостью материала пьезоэлементов, контактирующих одной обкладкой с корпусом, а второй - с сигнальным проводом. Диэлектрическая проницаемость, например, широко используемых пьезокерамик ЦТС-19 и ЦТС-26, соответственно равна 1600 и 1800. Данный преобразователь по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому и выбран в качестве прототипа.

Решаемой технической задачей является создание дифференциального пьезоэлектрического преобразователя, предназначенного для измерения параметров низкочастотных (в диапазоне до 50 Гц) динамических процессов (ускорений, сил, давлений) в условиях действия интенсивных высокочастотных (свыше 1000 Гц) помех создаваемых, например, электромагнитными полями энергетических ядерных установок и особенно при экстремальных режимах работы.

Технический результат изобретения заключается в повышении помехоустойчивости. Это достигается тем, что в дифференциальном пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем размещенные в корпусе пьезоэлементы с электродами, разделенные изолятором из пьезоматериала, и двухпроводный экранированный кабель, экран которого электрически соединен с корпусом, а провода с внутренними электродами пьезоэлементов, внешние электроды которых электрически соединены между собой, новым является то, что внешние электроды пьезоэлементов электрически изолированы от корпуса, а кабель дополнительно снабжен внутренним экраном, электрически соединенным с внешними электродами.

Введение электрической изоляции между корпусом и внешними электродами пьезозлементов уменьшает паразитные емкости для сигнальных проводов кабеля относительно корпуса, практически до емкостей введенной электрической изоляции. Если рассматривать конструкцию прототипа, то при введении электрической изоляции между корпусом и внешними электродами пьезоэлементов возможным является сохранение электрической связи экрана кабеля или с корпусом или с внешними электродами пьезоэлементов. Однако, при этом и без наличия, электрической связи корпуса с экраном кабеля нарушается экранирующая функция корпуса, что отрицательно сказывается на помехоустойчивости, и при наличии электрической связи корпуса с экраном кабеля нарушается дифференциальность схемы включения преобразователя, что также - отрицательно сказывается на помехоустойчивости. Поэтому при наличии электрической связи корпуса с экраном кабеля вводится внутренний экран, электрически соединенный с внешними электродами пьезоэлементов, что и обеспечивает повышение помехоустойчивости дифференциального пьезоэлектрического преобразователя.

На чертеже изображен дифференциальный пьезоэлекрический преобразователь.

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь содержит размещенные в корпусе 1 пьезоэлементы 2 и 3 с электродами 4,5 и 6,7, соответственно разделенные изолятором 8, выполненным из пьезоматериала (пьезоэлементом-изолятором), и двух-проводный кабель с двумя экранами 9 и 10. Внешний экран 9 кабеля электрически соединен с корпусом 1 преобразователя, внутренний экран 10 - с внешними электродами 5 и 7, а провода 11 и 12 -с внутренними электродами 4 и 6, соответственно. Между корпусом 1 и внешними электродами 5 и 7 размещены электрические изоляторы 13 и 14. Каждый пьезоэлемент может быть составлен из нескольких пьезоэлементов, но при этом они должны иметь равные суммарные электрические емкости. В конструкции преобразователя может быть предусмотрена схема нагружения пьезоэлементов, работающая в режиме осевого растяжения-сжатия, сдвига или изгиба, но независимо от этого векторы поляризации пьезоэлементов 2 и 3 должны быть направлены встречно вектору поляризации пьезоэлемента-изолятора 8.

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При воздействии на пьезоэлементы 2, 3 и пьезоэлемент - изолятор 8 переменного усилия, реализующего в них в зависимости от выбранной схемы нагружения деформацию осевого растяжения-сжатия, сдвига или изгиба, с пьезоэлементов с помощью электродов 4 и 6 снимаются электрические заряды разной полярности и по проводам 11 и 12 передаются на дифференциальный предусилитель. С помощью электродов 5 и 7 с пьезоэлементов снимаются электрические заряды разные по полярности, но равные по амплитуде и поэтому при их объединении на внутреннем экране 10, соединяемом с общей точкой дифференциального усилителя, создается устойчивый нулевой сигнал. Влияние интенсивных высокочастотных электромагнитных полей ограничивается малой емкостной связью между корпусом 1 и сигнальными проводами 11, 12 и внутренним экраном 10, обеспечиваемой с помощью электрических изоляторов 13 и 14.

Изготовлены опытные образцы пьезоакселерометров, в которых использован заявляемый дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь со схемами нагружения пьезоэлементов осевое растяжение-сжатие и сдвиг. В конструкции со схемой нагружения пьезоэлементов осевое растяжение-сжатие были использованы три пьезоэлемента из пьезокерамики ЦТС-19 и ЦТС-26, диаметром 14 мм, толщиной 0,5 мм, а в конструкции со сдвиговой схемой нагружения - три квадратных пьезоэлемента из тех же керамик с размерами стороны 15 мм, толщиной 0,5 мм.

В качестве изоляторов использована полиимидная пленка толщиной 100 мкм, сваренная с медной фольгой, толщиной 60 мкм, служащей электродами. Электрическая емкость между корпусом и сигнальными выводами в опытных образцах уменьшена по сравнению с емкостями используемых пьезоэлементов в 100 - 200 раз.

Испытания пьезоакселерометров подтвердили осуществимость и практическую ценность предлагаемого решения, особенно для экстремальных условий работы энергетического оборудования.

Использование: изобретение относится к измериительной технике и может быть использовано, например для измерения ускорений, сил, давлений в условиях действия интенсивных высокочастотных помех, создаваемых, например энергетическими ядерными установками при экстремальных режимах работы. Сущность изобретения: дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь содержит размещенные в корпусе 1 пьезоэлементы 2, 3 с электродами 4, 5, 6, 7, разделенные изолятором 8 из пьезоматериала (пьезоэлементом-изолятором), и двухпроводный кабель с двумя экранами 9, 10. Внешний экран 9 кабеля электрически соединен с корпусом 1 внутренний экран 10 - с внешними электродами 5, 7, а провода 11, 12 с внутренними электродами 4, 6. Внешние электроды 5, 7 пьезоэлементов изолированы от корпуса 1 с помощью изоляторов 13, 14. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении помехоустойчивости. 1 ил.

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий размещенные в корпусе пьезоэлементы с электродами, разделенные изолятором из пьезоматериала, двухпроводный экранированный кабель, экран которого соединен с корпусом, а провода с внутренними электродами пьезоэлементов, внешние электроды которых соединены между собой, отличающийся тем, что внешние электроды пьезоэлементов изолированы от корпуса, а кабель дополнительно снабжен внутренним экраном, соединенным с внешними электродами.