Пьезоэлектрический преобразователь силы Советский патент 1988 года по МПК G01L1/16 

: со ел

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для силоизмерительных и массоизмери- тельных устройств.

Цель изобретения - повышение чувствительности .

На чертеже представлена функциональная схема преобразователя.

Преобразователь содержит пьезо- элемент 1 с кристаллодержателями 2, подключенными к автогенератору 3, соединенному с индикатором 4„

Кристаллодержатель 2 выполнен в виде магнитных чашек 5 с централь- ньгми направляющими отверстиями 6, в которых установлены перемещаемые штыри 7, на внутренних концах которых укреплены сменные наконечники-электроды 8, электрически изолированные посредством прокладок 9 от перемещаемых штырей 7.

Магнитные чашки 5 удерживаются на пассивной.части 10 пьезоэлемента 1 с помощью магнитных сил, действующих через тело пьезоэлемента 1, nq- скольку магнитные полюса N и S магнитных чашек 5 ориентированы разноименными полюсами между собой.

Возбуждаемая часть 11 пьезоэлемен та 1 (локализованная зона пьезоэлектрических колебаний), находящаяся между сменными наконвчниками-элек тродами 8, имеет ограниченный объем и габариты, определяемые зоной перекрытия внешних частей сменных нако нечников - электродов 8, подключенны через гермовьшоды 12 к автогенератору 3. Магнитные чашки 5 и перемещаемые- штыри 7 в местах механического соединения фиксируются с помощью магнитного герметичного шва 13, который обеспечивает герметичность камер 14 и соответственно возможность создания вакуума или нейтральной среды только в зоне возбуждаемой части 11 пьезоэлемента 1 (а не всего пьезоэлемента 1), что позволяет уменьшить объем, массу и габариты устройства за счет исключения корпуса устройства. Вакуумирование или заполнение объема камеры 14 возбуждаемой части 11 пьезоэлемента I нейтральным газом (например, гелием) производится помещением пьезоэлемента в вакуум (или нейтральную среду), где выполняется герметизация указанного объема посредством наложения герметизирующего шва 13.

0

5

25

зо

Пьезоэлемент 1 пьезорезонансного преобразователя силы установлен между основанием 15 и нагрузочным фланцем 16, на котором установлен силопере- дающий элемент 17, к которому при- кладьгоается измеряемая сила Р. 00- нагрузочная ось.

Автогенератор 3 может быть вьтол- нен на серийных элементах, например микросхемах.

Б качестве индикатора 4 может быть использован частотомер - электронно- сче тный.

Пьезоэлемент 1 может быть изготовлен из искусственного пьезоэлектрического кварца.

Работа устройства основана на прямом и обратном пьезоэлектрических 0 эффектах.

Перед работой от блока питания (не показан) подается напряжение на автогенератор 3 и индикатор 4.

Автогенератор 3 посредством электрического поля, созданного между двумя сменными наконечниками-электродами 8, возбуждает пьезоэлектрические колебания в локализованной зоне 11 пьезоэлемента 1.

Размер сменных наконечников-элек- тродов 8 может быть различным (сменяемым) и в зависимости от необходимых размеров (площади) локализованной зоны (подэлектродной зоны пьезоэлектрических колебаний). Расстояние сменных наконечников-электродов 8 от главных граней пьезоэлемента может быть также различным в зависимости от установки требуемой напряженности электрического поля, необходимой для стабильного (но не перенапряженного) режима автоколебаний.

После возбуждения пьезоэлектрических колебаний в локализованной зоне пьезоэлемента 1 устанавливается чувствительность устройства посредством перемещения магнитных чашек 5 по вертикали и по горизонтали при воздействии единичным грузом (или заданием единичной силы) на силопередаю- щий элемент 17.

Перемещение магнитных чашек 5 производится относительно оси 00 и граней пьезозлемента так, чтобы сила магнитного взаимопритяжения обеспечивала их удержание на гранях пьезоэлемента 1 .

После выбора и установки требуемой чувствительности магнитные чашки 3 и

35

40

45

50

55

31

металлические наконечники 8 фиксируются в заданном положении посредство наложения на их внешние части герметизирующего магнитного шва в вакуумной среде (или среде с нейтральным газом).

К силопередающему элементу 17 (вместо единичного усилия) прикладывается измеряемое усилие (или произ- водится воздействие с помощью изменаправлении нагру- в силу действия пьезочастотного эффекта) увеличивает частоту пьезоэлектрических колебаний в локализованной зЬне пьезоэлемента, которые снимаются через автогенератор 3 на индикатор А. Прирост частоты пьезоэлектрических колебаний пьезоэлемента от приложен- ной силы имеет прямо пропорциональную зависимость, поэтому увеличение силы вызывает соответствующее повышение прироста частоты uf

2

ряемой массы) Р в зочной оси 00 , которое

& К

йР f

D п

(О

АР f о - D п Ч

де uf - прирост частоты;

К I - пьезочастотный коэффициент (зависит от ориентации относительно пьезочастотньгх осей);

прирост силы;

начальное значение частоты; поперечное сечение пьезоэлемента;

-номер обертона;

-коэффициент полезного действия заделки (при жесткой заделке ).

3977

мд1520

25

;

30

35

544

Поскольку монокристаллический пьезокварц обладает упругими свойствами, близкими к идеальным (стабильность упругих коэффициентов, отсутствие гистерезиса, строгая линейность зависимости деформации от механического напряжения и др,) то исключение из нагрузочной цепи шунтирующих инородных элементов (металлического герметизирующего корпуса, крис- таллодержателей и др.) обеспечивает (при наличии вакуумной или нейтральной среды для колебающейся локализо- ванно й зоны) благоприятные условия для сохранения добротности и ст абиль- ности режимов преобразования.

При воздействии на пьезоэлемент силы деформации на локализованную зону 1 передаются по объему пьезоэлемента 1 и крепление магнитных чащек 5 на внешних поверхностях пассивной части 10 пьезоэлемента 1 не вносит искажений вектора силы.

После прекращения действия силы Р показания индикатора возвращаются к исходному значению. Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразова- тель силы, содержап ий пьезоэлемент с силовводящими элементами, электроды, расположенные на держателях и включенные в измерительную схему, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, держатели выполнены в виде магнитных чашек с направляющими отверстиями, в которых подвижно установлены штыри с электрически изолированными от них электродами.

Изобретение относится к прибо - ростроению. Цель изобретения - повышение чувствительности. Кристалло- держатель 2 выполнен в виде магнитных чашек 5 с центральными направляющими отверстиями 6, в которых установлены перемещаемые штыри 7, на внутренних концах которых укреплены сменные наконечники - электроды 8, ; электрически изолированные посредством прокладок 9. Магнитные чашки 5 удерживаются на пассивной части 10 пьезоэлемента 1 с помощью магнитной силы, действующей через тело пьезоэлемента 1, поскольку магнитные полюса магнитных чашек 5 ориентированы разноименными полюсами между собой. Работа устр-ва основана на прямом и обратном пьезоэлектрических эффектах. При воздействии на пьезоэлемент 1 силы деформации на локализованную зону II передаются по объему пьезоэлемента 1 и крепление магнитных чашек 5 на внешних поверхностях пассивной части 10 не вносит искажений вектора силы. 1 ил. С (Л