Пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1992 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для контроля работоспособности пьезоэлектрических трансформаторных и автомобильных преобразователей, состоящих в большинстве случаев из нескольких связанных между собой пьезоэлейентов, например би- морфным пьезоэлемент, кбторые функционально являются пьезотрансформато рами.

Известен пьезоэлектрический преобразователь содержащий корпус-, в котором установлен блок пьезоэле- ментов, состоящий из дополнительного

пьезоэлемента и рабочего пьезоэле- мента, инерционное тело установлено на блок пьезоэлементов и кабеля свя- зи, при этом один из электродов дополнительного пьезоэлемента электрически соединен -. внходом преобразователя, а другой электрод через локальную часть - с дополнительным проводом кабеля.

Недостатком данного устройства является то, что его конструкция не позволяет проводить контроль работоспособности преобразователя в процессе эксплуатации, не отключая его от измерительной системы.

Ч

О

о о

ND

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий биморЛныЙ пьезоэлемент, пьезоэлементы которого включены в обратную связь усилителя, жестко соединены с фольговой подвеской, выступающей по обе стороны пластинки и служащей в качестве среднего электрода , и частотомер, подключенный к выходу усилителя.

Недостатком данного устройствая является то, что его конструкция не позволяет проводить контроль работоспособности преобразователя в прОцес се эксплуатации, не отключая его от измерительной системы.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения контроля работо- способности пьезоэлектрического преобразователя в процессе эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что известный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий би- морЛный пьезоэлемент, пьезоэлементы которого включены в обратную связь усилителя, жестко соединены с фольго вой подвеской, выступающей по обе стороны пластинки и служащей в качестве среднего электрода, и Частотомер, снабжен дополнительным элект- родом, выполненным на первом пьезо- элементе, двумя выпрямителями, двумя фильтрами, двумя делителями напряжения, двумя компараторами и логическим элементом, при этом к дополнительному электроду подключены последовательно соединенные первый выпрямитель, первый фильтр и первый делитель напряжения, а к электроду второго пьезоэлемента подключены последовательно соединенные второй выпрямитель, второй фильтр и второй делитель напряжения.

Делители напряжения соединены с входами компараторов, выходы которых подключены к входам логического элемента, выход которого является выхо дом устройства контроля.

,-/

Отличием предлагаемого преобразователя является введение дополни- тельной секций и схемы контроля, что позволяет использовать соотношения двух выходных сигналов, снимаемых с вторичных секций пьеэоэлектри-

-| ,

/

10

ческого преобразователя в рабочем режиме, которое сохраняется постоянным при исправном состоянии пьезо- элемент а и изменяется при появлений в нем дефекта. Данный метод контроля пригоден для контроля работоспособности пьезоэлектрических преобразователей, независимо от измеряемой физической величины и независимо от режима работы (автоколебательный или режим вынужденных колебаний)„

На йиг.1 представлена структурная схема пьезоэлектрического преобразователя; на фиг.2 - преобразователь.

Схема содержит преобразователь -в виде биморфного прямоугбльного пьезоэлемента , состоящего из двух пьезо- пластин 1 и 2, жестко соединенных с Аольговой подвеской 3, выступающей по обе стороны пластинки и служащей в качестве среднего электрода. Би- морный пьезоэлемент включен в обратную связь с усилителем k, частотомер 5, подключенный к выходу усилителя k. На пьезоэлементе 1 выделена дополнительная контрольная секция 6. Устройство содержит выпрямители 7 и 8, Фильтры 91 и 10 низких частот, 30 делители напряжения Rj|Ri R Rgn RyRg компараторы 11 и 12, логический элемент 13.

К дополнительному электроду 6 подключены последовательно соединенные выпрямитель 7, фильтр 9 и дели15

20

25

35

40

тель напряжения

RTP

а к электроду второго пьезоэлемента 2 подключены последовательно соединенные выпрямитель 8, фильтр 10 и делитель напряжения R,. Делители напряжения соединены с входом компараторов 11 и 12, выходы которых подключены к входам логического элемента 13.

45 I

Сущность работы преобразователя

заключается в контроле соотношения сигналов, снимаемых с вторичных сеций пьезотрансформатора (биморфно5о го пьезоэлемента), которое является соотношением коэффициента трансформации Кцо, Кц0 между входом и выходами пьезотрансформатора, и определяется выражением, рассчитанным для

се прямоугольного пьезоэлемента, показанного на фиг.2 (без учета коэффициента усиления усилителя, так Kafc его влияние на соотношение сигналов отсутствует):

51748292

j L V li l bi bli2 b2 -i:2l

p-n2

)Г 5

b2L2

к

e 5 JLUQ I LiLjJ.

-ГГ

TT-iTf) 2

l bi bli2 b2 -i:2l

iLjJ.

)Г 5

b2L2

iTf) 2

(L,+C) L,

Использование: в контрольно- измерительной технике. Сущность изобретения: преобразователь содержит две жестко связанные между собой пьезопластины, между которыми расположен заземленный электрод . На свободной поверхности первой пластины размещены два электрода, один из которых является дополнительным, а на свободной поверхности второй пластины один электрод. Дополнительный электрод подключен к последовательно соединенным первому выпрямителю, первому фильтру нижних частот и первому делителю напряжения. К электроду, расположенному на свободной поверхности второй пьезопластины, подключены последовательно связанные второй выпрямитель, второй фильтр нижних частот и второй делитель напряжения. Один из выходов каждого из двух делителей напряжения связан с одним из входов каждого из двух компараторов, выходы которых подключены к соответствующим входам логи«еского элемента. 2 ил. сл с

HJL - 5ifЈ i2it-b4Ltii 2ii 4iLiiIbj i Јi.

где К

U V

к;

ue

b4«L2

59

ч L2коэффициент электромеханической связи продольного типа; . иг - напряжение, снимаемое с

выходного электрода; Uj - напряжение, снимаемое с

дополнительной секции; |Ь - коэффициент, зависящий от

крепления пьезоэлемента; (}f%- механическая добротность

пьезоэлемента;

а, - толщина входного электрода; а Ј - толщина выходного электрода;

длина входного электрода; длина выходного электрода; b,J - ширина входного электрода; Ъа - ширина выходного электрода. Схема контроля работает следующим образом.

Сигналы Ue и U-j, снимаемые с вторичных секций преобразователей 2 и 6, выпрямляются с помощью двух двухполупериодных выпрямителей 7 и

8и сглаживаются с помощью фильтров

9и 10 -низких частот. Затем на делители напряжения К.2 и %RЈ подается средневыпрямленное значение сигнала U2, а на делители R3R4 и &7R8 - средневыпрямленное значение сигнала Uj. Параметры делителей RjRj и R7&g выбираются таким образом, чтобы при номинальном соотношении сигналов Uz/Uj Н (определенное первоначальный условием работы) компаратор 12 формировал сигнал логической единицы и переходил в состояние логического нуля, если становится меньше номинального значения на некоторую

величину Л х то /-Ј-| ЈН-Дх . Соот-

вественно параметры делителей RjRg и должны быть подобраны так что- бы при Ua/U3 H, компаратор 11 фррми10 I

15

20

25

30

35

40

45

50

55

ровал на выходе единицы и измен

, при Н+д

-,/ UV

Таким образом ловия Н-ДхЈ-т-т Н

U5

формируют сигнал цы, подаваемый н элемента 13, и е соответствует по го нуля.

При дефектах шение изме за установленные к переключению о ров и появлению го элемента 13 с единицы, информи пьезоэлемента.

Пример. нию был изготовл ва, в котором ис зователь, выполн пьезоэлемента, с продольных пьезо поперечного типа L м; L

1-3

м;

5 -10 MO Блок нены на операцио К 140 УДВ. Компа микросхеме 521 С выполнен на микр

Таким образом преобразователь обеспечивает кон ческих преобразо измерения,особен где преобразоват систем автоматич

{Формула и

Пьезоэлектрич содержащий две ж

ду собой пьезопл один из которых ращенными одна к

tii 2ii 4iLiiIbj i Јi.

b4«L2

(3)

10 I

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ровал на выходе сигнал логической единицы и изменял свое состояние

, при Н+дх

-,/ UV

Таким образом, при выполнении условия Н-ДхЈ-т-т Н+Дх оба компаратора

U5

формируют сигнал логической единицы, подаваемый на вход логического элемента 13, и его выходной сигнал соответствует потенциалу логического нуля.

При дефектах пьезоэлемента отношение изменяется и выходит за установленные пределы, что ведет к переключению одного из компараторов и появлению на выходе логического элемента 13 сигнала логической единицы, информирующего о дефекте пьезоэлемента.

Пример. Согласно изобретению был изготовлен макет устройства, в котором использовался преобразователь, выполненный из биморфного пьезоэлемента, состоящего из двух продольных пьезопластин поперечно- поперечного типа ЦТС 19 размерами L м; Lf 1 ,5

1-3

-1СГ2м;

м;

5-10-4

м:

5 -10 MO Блоки схемы 1 - выполнены на операционном усилители типа К 140 УДВ. Компаратор выполнен на микросхеме 521 САЗ. Элемент логики выполнен на микросхеме К 155 ЛИ1„

Таким образом, предлагаемый преобразователь отличается тем, что обеспечивает контроль пьезокерами- ческих преобразователей в процессе измерения,особенно в таких условиях, где преобразователь является узлом систем автоматического управления.

{Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий две жестко связанные . меж ду собой пьезопластины, электроды, один из которых расположен между об; ращенными одна к другой поверхностя17

ми пьезопластин и заземлен, а два другие - на свободных поверхностях пьезопластин, от л и чающийся тем, что, с целый расширения функциональных возможностей за Лет обеспечения контроля работоспособности преобразователя в процессе эксплуатации, в н§- го введены дополнительный электрод, размещенный на незанятой основным электродом свободной поверхности первой пьезопластины, два выпрямите- ля, два фильтра нижних частот, два делителя напряжения, два компаратора и логический элемент, причем к допол- нительному электроду подключены посФиг. 1

ледовательно соединенные,первый выпрямитель, первый фильтр нижних частот и первый делитель напряжения, к электроду, расположенному на свобод-, ной поверхности второй пьеэопластины, подключены последовательно связанные второй выпрямитель, второй фильтр нижних частот и второй делитель напряжения, а один из выходов каждого из делителей напряжения связан с одним из входов каждого из компараторов, выходы которых подключены к соответствующим входам логического эле- мента.

ЪП ЪП