Пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1984 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерител ной технике. Известны пьезоэлектрические прео разователи, представляющие собой пьезоэлемент, выполненный в виде пл тины, диска или кольца с электродам на плоских поверхностях. В силоизмерительных датчиках механическое уси лие передается на пьезоэлемент или пакет пьезоэлементов через некоторое промежуточное звено, роль которого могут выполнять корпус и мембр на, корпус и инерционная масса lj Однако из-за различия модулей упругости материала пьезоэлемента и материала корпуса, мембраны или инер ционной массы поперечные колебания пьезоэлемента затруднены. Это приводит к потере чувствительности пьезопреобразователя и всего датчик в целом. Наиболее близки по технической сущности к изобретению преобразоват ли, в которых пьезозлемент выполнен в виде диска и расположен между двумя плоскими прокладками 2J . Однако выигрьш в чувствительности, получаемый таким методом, небол шой. Целью изобретения является повышение чувствительности (коэффициент преобразования пьезоэлектрического преобразователя. Поставленная цель достигается тем что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем пьезоэлемент в ви де диска шайбы или пластины, размещенный между двумя плоскими прокладками, прокладки выполнены из, материала, отношение коэффициента Пуассона к модулю Юнга которого превышает тот же показатель материала пьезоэлемента, а толЕЦИна прокладки Н удовлетворяет неравенству hi Н D , где h и D - толщина и диаметр пьезоэлемента. На фиг.1 приведена принципиальная конструкция предлагаемого преобразователя, на фиг.2 - изменения чувствительности преобразователя, разме щенного между прокладками в зависимости от отношения упругих модулей материала прокладок; на фиг.З - изме нение чувствительности пьезопреобразователя в зависимости от отношения толщины прокладок к их диаметПредлагаемый преобразователь состоит, из пьезоэлемента 1, распаПоженнего между двумя плоскими прокладками 2. При воздействии внешней силы поперечное растяжение прокладок стимулирует дополнительное поперечное растяжение пьезоэлемента (пунктиром показан преобразователь в ненагруженном состоянии). Как показывает расчет с использованием современных методов теории электроупругости, чувствительность силоизмерительного пьезопреобразователяО|Р, состоящего из пьезоэлемента, размещенного между двумя плоскими прокладками, существенно зависит от соотношения упругих свойств пьезоэлемента и прокладки, а также от их геометрии. Un eJ р h 2Н Е где Q заряд, выделяющийся на электродах пьезоэлемента под действием силы Р; 1.. продольный и поперечный пьезомодули керамики, Е и EJ иJJJ- соответственно модули Юнга и коэ(}4ициента Пуассона материалов пьезоэлемента и прокладокi толщина пьезоэлемента и прокладки; 33 Я компоненты тензора упругих модулей керамики.. Соотношение (1) справедливо при условии, что суммарная толщина пакета прокладка - пьезоэлемент - прокладка, равная 2Н+ h , не превьш1ает половины его диаметра. Очевидно, что в случае мягкой прокладки , /Sj, -)/Е( сомножитель при (5 положителен и общая чувствительность преобразователя возрастает. Кривые на фиг.2 соответствуют расчету по формуле (1), а точки получены экспериментально. Как следует из фиг.2, повьш1ение чувствительности преобразователя по сравнению с известным преобразователем достигается при использовании прокладок из материалов, для которых отношение-Pf, /Ej, вьш1е того же показателя для материала пьезоэлемен (Г ислу таких материалов относятся свинец, оргстекло, графит и др. ИнтерБ1ал значе. - kf/- nV

«-. Г/dl-rj Чт;) j

охватывает

традиционные материалы, применяемые при конструировании пьезопреобразователей и датчиков на их основе (сталь, латунь, алюминий, титан и их сплавы).

Из фиг.2 также видно, что эффект повышения чувствительности тем вьше, чем меньше отношение толщин пьезоэлемента и прокладок. Это связано с тем, что с уменьшением толщины пьезоэлемента уменьшается площадь его поперечного сечения, а следовательно, возрастают поперечные механические напряжения, возникающие под действием

растягивающих усилий прокладок, а вместе с этим повышается вклад поперечного пьезомодуля в результирующий сигнал.

Ввиду того, что емкость пьезоэлемента не изменяется в результате размещения его между прокладками с заданными упругими свойствами, то одновременно с рабочей чувствительностью в предлагаемом преобразователе возрастает и удельная чувствительность, снижается пороговый сигнал, увеличивается коэффициент полезного действия.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий пьезоэлемент в виде диска, шайбы или пластины, расположенный между двумя плоскими прокладками, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности, прокладки выполнены из материала, отношение коэффициента Пуассона к модулю Юнга которого превышает тот же показатель материала пьезоэлемента, а толщина прокладки Н удовлетворяет неравенству h И « О где h и D - толщина и диаметр пьезоэлемента. (Л с г в to f о N9 il сл