ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗГИБНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H01L41/83 G01H11/08 H04R17/00 

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в качестве чувствительного элемента датчика вибрации.

Известен пьезоэлектрический вибропреобразователь с биморфным пьезоэлементом, использующим деформацию изгиба [1]. Вибропреобразователь отличается малой поперечной чувствительностью и повышенной точностью измерения смещения и скорости. Однако рабочий диапазон температур вибропреобразователя ограничен температурной стабильностью клеевого соединения деталей чувствительного элемента.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрический преобразователь виброизмерительного датчика [2]. Двухслойная конструкция изгибного пьезопреобразователя выполнена путем диффузионной сварки пьезоэлементов по серебряному покрытию, что обеспечивает широкий температурный диапазон работы датчиков и низкий разброс по коэффициенту преобразования.

Однако известный преобразователь имеет недостаточно высокую величину коэффициента электромеханического преобразования, то есть чувствительности по заряду. Недостаток объясняется тем, что средняя линия деформации изгиба проходит в месте соединения двух поляризованных пластин и значительный объем пьезоэлектрических пластин биморфного преобразователя подвергается близким к нулю синфазным деформациям сжатия-растяжения. По этой причине значительный объем пьезоактивной зоны не вырабатывает электрический заряд, что приводит к потере чувствительности по заряду.

Заявляемый в качестве изобретения пьезоэлектрический изгибный преобразователь позволяет повысить чувствительность по заряду при сохранении габаритных размеров, резонансной частоты и рабочего диапазона температур.

Указанный технический эффект достигается тем, что пьезоэлектрический изгибный преобразователь, содержащий две включенные электрически параллельно пьезокерамические пластины, содержит также две включенные электрически последовательно пьезокерамические пластины, поляризованные в противоположных направлениях и размещенные между включенными параллельно пластинами.

Пластины механически жестко соединены между собой, причем средняя линия деформации изгиба проходит в теле пластин, соединенных электрически последовательно.

Оптимальная толщина b включенной электрически последовательно пьезокерамической пластины выбирается в интервале h≤b≤2,25h, где h - толщина включенной электрически параллельно пластины.

Введение в конструкцию устройства дополнительных пластин и их размещение вблизи средней линии деформации изгиба позволяет достичь оптимальной синфазной деформации сжатия-растяжения сигнальных пластин преобразователя за счет более полного использования их объема.

Дополнительные пластины поляризованы в противоположных направлениях, чтобы нейтрализовать образующиеся в них электрические заряды. В то же время весьма существенным является сам факт поляризованности средней зоны преобразователя, поскольку таким образом выравнивается температурный коэффициент линейного расширения во всем объеме преобразователя. По температурному коэффициенту линейного расширения поляризованная пьезокерамика существенно отличается от неполяризованной. Поэтому применение неполяризованной пьезокерамики, как и других электрически пассивных материалов, металлических и неметаллических, существенно сузило бы рабочий диапазон температур.

Оптимальная толщина дополнительной пластины выбирается в интервале 1÷2,25 от толщины сигнальной пластины, так как дальнейшее увеличение отношения толщин приводит к уменьшению чувствительности преобразователя за счет резкого уменьшения объема его сигнальной части.

Таким образом, введением в состав устройства двух включенных последовательно поляризованных в противоположных направлениях пьеэокерамических пластин достигается основной технический эффект изобретения - существенное увеличение чувствительности пьезоэлектрического преобразователя.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами фиг. 1 и 2. На фиг.1 изображен общий вид пьезоэлектрического преобразователя и схема его электрических соединений в датчике вибраций. На фиг.2 показана схема технологических электрических соединений при поляризации преобразователя.

Устройство содержит сигнальные пьезокерамические пластины 1 и 2 толщиной h и дополнительные пьезокерамические пластины 3 и 4 толщиной b, размещенные между пластинами 1 и 2 (фиг.1). Оптимальное отношение толщины пластин 3, 4 к толщине пластин 1, 2 находится в интервале 1÷2,25. Все пластины снабжены серебряными вожженными электродами и механически соединены диффузионной сваркой. Пластины 1, 2 и 3, 4 попарно включены в схему фиг.2 и поляризованы при помощи отдельных источников напряжения 5 и 6, так как в общем случае сигнальные пластины 1, 2 и дополнительные пластины 3, 4 имеют разную толщину. В соответствии со схемой фиг. 1 поляризованные пластины 3, 4 электрически включены последовательно, а сигнальные пластины 1, 2 включены параллельно и подключены к входному усилителю измерительной системы 7.

Устройство работает следующим образом. При воздействии на преобразователь переменной механической силы он испытывает деформацию изгиба. Сигнальные пластины 1, 2 подвергаются синфазным деформациям сжатия-растяжения, за счет чего на выходе пьезоэлектрического преобразователя появляется электрический заряд, поступающий на вход усилителя 7.

Средняя линия деформации изгиба преобразователя проходит в теле дополнительных пластин 3, 4, принимающих на себя преобразование деформаций, близких к нулю, обеспечивая, таким образом, полное использование объема пластин 1, 2 и увеличение чувствительности преобразователя.

Проведены сравнительные испытания пьезоэлектрических преобразователей с различной величиной отношения толщин дополнительных и сигнальных пластин. Преобразователь выполнен из четырех пластин в виде шайб с наружным диаметром 18 мм и внутренним диаметром 3 мм. Толщина всех образцов преобразователя одинакова и составляет 1,4 мм. Равенство толщин обеспечило равенство резонансных частот всех образцов. Отношение толщин дополнительных и сигнальных пластин изменялось в интервале 0-3. Измерена чувствительность преобразователя по заряду k. При отношении b/h=0, что соответствует конструкции прототипа, измеренная чувствительность k_o составила 16,5 пКл/g, где g -ускорение свободного падения. Для других отношений b/h расчитано отношение чувствительностей k/k₀. Результаты испытаний сведены в таблицу.

В интервале h≤b≤2,25А отношение k/k_o>1,6. Максимальное значение чувствительности получено при b/h=1,5 и составляет k=27,2 пКл/g, что больше чувствительности прототипа в 1,65 раза.

Преимущества предлагаемого пьезоэлектрического преобразователя позволяют существенно повысить чувствительность измерительной системы и применить ее для измерения вибраций в устройствах, работающих в широком интервале температур, в частности в авиационно-космической технике.

Источники информации
1. Кузнецов А. А. Вибрационные испытания элементов и устройств автоматики. - М.: Энергия, 1976, стр.27-28.

2. Гориш А. В., Вусевкер Ю.А., Шевченко Л.А., Старостин В.Н. Низкочастотные пьезоэлектрические преобразователи виброиэмерительных датчиков / Экология, мониторинг и рациональное природопользование / Научн. тр. Вып. 288(11). - М.: МГУЛеса, 1997, стр.86-90.

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для работы в датчиках вибрации. Сущность: пьезоэлектрический преобразователь содержит две включенные параллельно сигнальные пьезокерамические пластины и размещенные между ними две включенные последовательно дополнительные пьезокерамические пластины, поляризованные в противоположных направлениях. Отношение толщин дополнительной и сигнальной пластин находится в интервале 1÷2,25. Технический результат: повышение чувствительности по заряду. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Пьезоэлектрический изгибный преобразователь, содержащий две включенные электрически параллельно пьезокерамические пластины, отличающийся тем, что он содержит две включенные электрически последовательно пьезокерамические пластины, поляризованные в противоположных направлениях и размещенные между включенными электрически параллельно пластинами, пьезокерамические пластины механически жестко соединены между собой, причем средняя линия деформации изгиба проходит в теле пьезокерамических пластин, соединенных последовательно. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что толщина b последовательно включенной пластины выбрана из соотношения h≤b≤2,25h, где h - толщина параллельно включенной пластины.