Трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик Советский патент 1988 года по МПК G01V1/16 

1

1402986

Изобретение относится к ультразвуковому моделированию сейсмических волновых явлений, контрольно-измерительной технике и может быть исполь- зовано при акустическом каротаже скважин, а также в ультразвуковой дефектоскопии.

Целью изобретения является упрощение датчика, -повьшение его надеж- ности и уменьшение затрат на его производство о

На-фиг.1 показан трехкомпонентный датчик, общий вид на фиг.2 - схема преобразователя электрических сигна- лов для одновременной регистрации трех компонент.

Датчик 1 содержит три одинаковые и поляризованные в одном направлении пьезокерамические призмы 2, которые вьшолнены с сечением, например, в виде равнобедренного треугольника, 1/3 круга или ромба и соединены между собой по двум граням так, что каждая призма дважды является обкладкой биморфа. На торцовые поверхности призм нанесены электроды 3 и 4.1 - 4с,3о Пьезокерамические призмы соединены между собой с помощью клея с малой диэлектрической проницаемостью, электроды 3 заземлены, а вьшоды электродов 4,1-4о3 подключены к преобразователю 5 сигналов (ПС) ,

Преобразователь 5 сигналов состо|ит из усилителей 6.1-6.3, фазоинвер:торов 7о1-7.3, делителей 8.1-8.2,

;сумматоров 9„1-9„Зо

Составные части ПС выполняют функ:ЦИИ

усилитель: U, К U , : фазоинвертор: -0,, делитель: 1/2Uex сумматор: Ueb, Uex, ,j,+U8x, , ;где Ugj - напряжение на входе элемента пс;

и ц, - напряжение на выходе элемента ПС;

К - коэффициент усиления усилителей по напряжению;

и

&Х| BXiz.

и

Ug напряжение на соответст

вующем входе сумматора о Сигнал с каждого из электродов 4-. 1-4,3 поступает на вход ПС, сигналы на выходе которого (это следует из схемы) преобразованы следующим образом:

(u,,+u,,+u,,j);

и,,.,--(и,,+и,,),

(U4,,-U,,j),

Q

5

0 5 Q

0

5

0

5

где Uf(,y,z) - напряжение на выходе ПС, пропорциональное х-ру-, z-компонентам колебаний,

и(, 4о2, 4оЗ) - напряжение на i-M электроде датчика.

Смещение каждой призмы 2 датчика вызывает появление электрического заряда на электродах, сигнал от которых поступает на вход усилителей 6.1-6,3, к выходу каждого из которых подключены фазоинверторы 7.1-7,3. Суммирование (или вычитание) сигналов осуществляется подключением прямого (или инверсного) выходов к сумматорам 9,1-9,3,

Для пояснения работы датчика последовательно рассмотрим случаи, когда на торец (где расположены электроды 3) действуют поочередно компоненты смещения t f,. одинаковой амплитуды в системе координат, показанной на фиг,1. Под действием пьезоэлемент будет изогнут в плоскости z, на электроде 4,3 за счет растяжения появится положительный заряд (+Q), а на электродах 4.1 и 4.2 - отрицательные заряды (-Q/2), при изгибных колебаниях среднее изменение длины всего пьезоэлемента равно нулю и, следовательно, суммарный заряд на всех поверхностях электродов равен нулю. Напряжение на электродах относительно заземленных электродов равно:

.z -Q/2C, U,.,Q/C

(С - емкость отдельной призмы пьезоэлемента) , В этом случае на выходе ПС напряжение будет равно:

, , .5 К Q/C,

Под действием и пьезоэлеяент будет изогнут в плоскости Zu, на электродах 4.1 за счет растяжения появится заряд (+Q ), на 4.2 за счет сжатия - заряд (-Q ), на 4.3 за счет того, что в среднем длина призмы не изменится, заряд будет равным нулю, т.е.

U4,,-UA., u,,

и, следовательно.

U,0i U.2K Q /C

В случае, когда действует смещение .,, все призмы датчика будут сжа4), фазоинверторов (до 3, в прототипе до 4) и использование сумматоров с тремя входами (в прототипе используются сумматоры с 4 входами) приводит к повышению надежности устройства и уменьшению затрат на его производство.

Z

ты вдоль оси ких контактах 4,1-4.3 появятся отрицательные заряды (-Q ), т,е,

Q /С,

Из приведенного анализа следует, что в случае де;йствия на торец датчика смещения с произвольными компонентами напряжение на выходе ПС пропорционально;

всех злектричес- Q Формула изобретения.

Трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик, содержащий чувствитель- ньй элемент, состоящий из пьезоэле15 ментов, выполненных в виде идентичных призм и соединенных механически парно по двум граням с электродами по торцовым граням, один электрод которых заземлен, а каждый другой под20 ключен к индивидуальному измерительному каналу, состоящему из последовательно соединенных усилителя и фа- зоинвертора и соответствующего сумматора х,у,2-компонент колебаний, при

и.

г., и.

Чувствительность датчика к компонентам смещений зависит от формы основания призм и от отношения поперечных размеров пьезоэлемента к его высоте, а коррекция чувствительности к ц f 2 колебаниям осуществляется изменением коэффициентов последующего усиления для Uy, Uu, U,

Таким образом, вследствие изменения конструкции пьезоэлемента уменьшается количество склеивающихся сторон и число пьезокерамических элементов в датчике до трех (в прототипе до четьфех), что приводит к повьш1ению надежности датчика по отношению к механическим нагрузкам. Уменьшение чис- ла усилителей (до 3, в прототипе до

а1402986

4), фазоинверторов (до 3, в прототипе до 4) и использование сумматоров с тремя входами (в прототипе используются сумматоры с 4 входами) приводит к повышению надежности устройства и уменьшению затрат на его производство.

Трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик, содержащий чувствитель- ньй элемент, состоящий из пьезоэлементов, выполненных в виде идентичных призм и соединенных механически парно по двум граням с электродами по торцовым граням, один электрод которых заземлен, а каждый другой подключен к индивидуальному измерительному каналу, состоящему из последовательно соединенных усилителя и фа- зоинвертора и соответствующего сумматора х,у,2-компонент колебаний, при

этом выходы фазоинверторов соединены с сумматором z-компоненты колебаний, отличающийся тем, что, с целью упрощения датчика и пговыше- ния его надежности, в измерительный

канал х-компоненты введены дейители, а чувствительньй элемент выполнен из, пьезоэлементов, грани которых распо ложены под углом в 120°, при этом выходы первого усилителя и второго фазоинвертора соединены с сзгмматором у-компоненты, а выход третьего, усилителя, выходы делителей, к выходам которых присоединены выходы первого и второго фазоинверторов, соединены

с сумматором х-компоненты

Изобретение относится к области ультразвукового моделирования сейсмических волновых явлений, контрольно- измерительной технике и может быть использовано при акустическом каротаже скважин, а также в ульразвуко- вой дефектоскопии. Цель - упрощение датчика, повьпцение его надежности и уменьшение затрат на его производство. Цель достигается изготовлением преобразователя 1 путем склейки трех одинаковых пьезокерамических призм по соседним граням с двугранными углами 120 . Электроды 4.1-4.3 напылены по торцам призм и соединены посредством усилителей, фазоинверторов, делителей и сумматоров так, что смещение конца чувствительного элемента по данной оси вызьтает появление сигнала только на выходе данного сумматора. При этом оказывается достаточным применение трех призм, что упрощает конструкцию и изготовление датчика и повышает его надежность. 2 ил.

as.i

cpus.Z