Пьезоэлектрический датчик давления и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК G01L23/10 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при конструировании и производстве датчиков быстролеременных, акустических и импульсных давлений.

Известен датчик давления, содержащий корпус, чувствительный элемент в виде набора пьезоэлектрических дисков накрытых термокомпенсационной шайбой и токосъемники.

Недостатками указанного датчика являются пониженная чувствительность из-за необходимости обеспечения натяга корпуса-держателя; ограниченный температурный диапазон измерения из-за внутренних напряжений, возникающих в разнородных материалах датчика - металлическом корпусе, пьезоэлементе, герметизирующих материалах и клеях; дрейф передаточных характеристик датчика из-за релаксационных процессов, происходящих в герметизирующих и клеющих материалах, которые приводят к нестационарным деформационным полям, воздействующим на пьезоэле- мент.

Известен пьезоэлектрический чувствительный элемент датчика бы стролеремен- ных давлений, содержащий корпус, стакан, в который помещен дисковый пьезокерами- ческий элемент и термоизолирующая прокладка.

Недостатком указанной конструкции является сложность конструкции, малая точность измерения из-за наличия разнородных материалов и узлов различающихся коэффициентами терморасширения, что приведет при воздействии температуры к возникновению полей деформаций в пьезоэлементе и послужит причиной его разруше s|ч О Ч

ю

ния или возникновению неинформативного сигнала.

Известен способ изготовления пьезоэлектрического датчика, включающий смешивание порошка пьезоэлектрической керамики с термореактивной или термоэластичной смолой, заливку смеси в корпус с размещенными в ней электродами и отверждение смеси.

Известен способ изготовления пьезоэлектрических датчиков давления, включающий изготовление пьезоэлектрического элемента, нанесение на боковые поверхности, не воспринимающие давление пленки, сублимирующего клея, заливку герметиком и термообработку.

К недостаткам способа можно отнести низкую технологичность изготовления из-за трудности нанесения пленки и неконтролируемости ее толщины, что может привести к потере чувствительности датчика при достижении измеряемой величины (давления) максимального значения в результате того, что приращение поперечного размера пье- зоэлемента под действием деформации превышает зазор, полученный при испарении пленки сублимирующего клея.

Целью изобретения является увеличение точности измерения и повышение технологичности изготовления.

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике давления, содержащем корпус и закрепленный в нем по своим торцам пьезоэлектрический чувствительный элемент с токосъемниками, между боковой поверхностью которого и корпусом выполнен зазор Д, корпус выполнен в виде замкнутой оболочки из пьезоэлектрической керамики, а величина зазора Д удовлетворяет соотношению

макс

где Д- зазор;

Рмакс - максимальное усилие, действующее на чувствительный элемент;

h; S; Е; ц - соответственно расстояние между торцами чувствительного элемента, величина его поперечного сечения, модуль упругости материала чувствительного элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления пьезоэлектрического датчика давления, включающим заливку пьезоэлектрического чувствительного элемента с токосъемниками герметизирующим материалом, термообработку и пбляриза- цию чувствительного э лемента, перед заливкой герметизирующим материалом изготавливают втулку из сублимирующего материала, устанавливают во втулку пьезоэлектрический чувствительный элемент с токосъемниками, после заливки герметизирующим материалом производят его опрессовку вокруг втулки и чувствительного элемента, а термообработку выполняют путем последовательного повышения температуры до испарения втулки, а затем до обжига пьезоэлектрического материала. причем поляризацию чувствительного элемента производят путем подачи высокого электрического напряжения на токосьемники.

Реализация предлагаемых устройств и способа его изготовления схематично показана на фиг. 1 (устройство) и на фиг. 2 - фиг. 6 (способ).

Перечень позиций: 1 - пьезоэлектрический чувствительный элемент, 2 - токосъем- ники. 3 - пьезокерамический корпус - держатель, 4 - зазор; 5 - измеряемая величина; 6 - технологическая втулка, 7 - отверстие под токосъемники, 8 - пьезоэлемент, 9 - пьезокерамический материал, 10 - пресс- форма, 11 -уплотнитель, 12 - подпрессовоч- ное усилие, 13 - штифт, 14 пьезоэлектрический датчик давления перед

поляризацией, 15 - нагреватель. 16 - источник высокого напряжения, 17 - электрические силовые линии поляризующего поля.

Пьезоэлектрический датчик давления состоит из пьезоэлектрического чувствительного элемента (далее пьезоэлемента) 1 с прикрепленными к нему по торцам токосъемниками 2. Пьезоэлемент окружен со всех сторон пьезоэлектрическими корпусом-держателем 3, выполненным в виде

оболочки, внутренняя стенка которой отстоит от наружной поверхности пьезоэлемента на величину зазора Д- 4.

Пьезокерамический датчик давления функционирует следующим образом; при

воздействии на него быстропеременного или акустического давления деформируется пьезоэлемент. В результате прямого пьезоэлектрического эффекта на токосъемниках возникает электрический заряд, который

подается на вторичную аппаратуру для измерения и регистрации. Зазор Д между стенками пьезоэлемента и оболочки позволяет свободно деформироваться пьезоэле- менту.

Изготовление пьезоэлектрического датчика давления осуществляется следующим образом; изготавливается технологическая полая втулка (из сублимирующего клея толщиной, равной зазору Д, у которой сверху

сформированы два сквозных отверстия 7 под токосъемники. Прессуется пьезоэле- мент 8 из пьезокерамики и помещается в технологическую втулку 6. Сверху через отверстия на пьезоэлемент накладываются токосъемники 2 (в некоторых случаях пьезо- элемект может быть и с готовыми токосъемниками). Сборка помещается в разъемную пресс-форму 10, которая заполняется сырой пьезокерамикой (шликкером) 9 с необходимыми добавками. Производят подпрессовку пьезокерамики уплотнителем 11, например поршнем, с необходимым подпрессовоч- ным усилием - 12, Сборку подсушивают и подвергают ступенчатой термообработке нагревателем 15, в результате которой сначала происходит сублимация материала технологической втулки через поры сырой пьезокерамики или специальные технологические отверстия, а при дальнейшем повышении температуры - обжиг пьезокерамики. В результате термообработки получают неполяризованный пьезоэлектрический датчик давления 14, в котором между пьезоэлементом и внутренней стенкой корпуса образован зазор Д. Конечной операцией способа является операция поляризация, при которой на токосъемники от источника высокого напряжения 16 на токосъемники 2 подается поляризующее напряжение; в объеме пьезоэлектрического датчика давления возникает сильное электрическое поле (условно показанное силовыми линиями 17), которое ориентирует электрические домены пьезокерамики по направлению силовых линий. Поляризация материала происходит как в самом пьезоэ- лементе, так и частично в боковых стенках оболочки, что приводит к повышению общей чувствительности. После снятия поляризующего напряжения в пьезомодуле поляризация доменов сохраняется.

Пример выполнения способа. Расплавляют при температуре 65...70°С исходный материал - сублимирующий клей КС-1 и заливают расплав в форму, в результате чего получают технологическую полую втулку. Для удобства установки пьезоэлемента в ней делается разрез. Прессуется пьезоэлемент из керамики типа ЦТС и подсушивается. Может быть использован также готовый серийно изготавливаемый пьезоэлемент, например ПМ-8, ПМ-7. Пьезоэлемент вкладывается в технологическую втулку, и сборка помещается в разъемную пресс-форму, которую заполняют пьезокерамическим шликкером, состоящим из пьезокерамики ЦТС-19, перемешанной с растворителем - олеиновой кислотой и пластификатором- парафином. Подпрессовывают пьезокера-.

мику с удельным усилием F «0,3-0.5 кг/см2 и просушивают ее на воздухе при комнатной температуре в течение 10-12 ч. Далее сборка помещалась в вакуумную печь СВН

и проводилась ступенчатая термообработка - сначала при температуре 110-125°С в течение 10-15 мин для удаления клеевой втулки, з затем температура поднималась до 700-100°С и производился обжиг керамики в

течение 4-5 ч. Вакуум при этом поддерживался не хуже мм рт.ст. Пьезокерамиче- ский датчик давления помещали в специальное приспособление и на него подавали напряжение 1200 В в течение 10 мин,

после чего проверялись его электрофизические характеристики:пьезочувствительность, температурная и временная стабильность, сопротивление изоляции и т.д.

20

Формула изобретения

1 .Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий корпус и закрепленный в нем по своим торцам пьезоэлектрический чувствительный элемент с токосъемниками между боковой поверхностью которого и корпусом выполнен зазор А,отличающий с я тем, что, с целью увеличения точности измерения и повышения технологичности, в нем корпус выполнен в виде замкнутой оболочки из пьезоэлектрической керамики, а размер зазора удовлетворяет соотношению:

макс

. S Е

где Рмакс - максимальное усилие, действующее на чувствительный элемент при воздействии давления на оболочку;

h, S, Е, /г - соответственно расстояние между торцами чувствительного элемента, его поперечное сечение, модуль упругости и коэффициент Пуанссонз материала чувствительного элемента.

2. Способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления включающий заливку пьезоэлектрического чувствительного элемента с токосъемниками герметизирующим материалом, термообработку и поляризацию чувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности, перед заливкой герметизирующим материалом изготавливают

втулку из сублимирующего материала, устанавливают во втулку пьезоэлектрический чувствительный элемент, с токосъемниками, после заливки герметизирующим материалом производят его опрессовку вокруг

втулки и чувствительного элемента, а термообработку выполняют путем последовательного повышения температуры до испарения втулки, а затем - до обжига пьезоэлектрического материала, причем поляризацию чувствительного элемента производят путем подачи высокого электрического напряжения на токосъемники.

Использование: при конструировании и производстве миниатюрных датчиков быст- ропеременных давлений и сил Цель - обеспечение получения стабильных передаточных характеристик и упрощение изготовления. Сущность: устройство, состоящее из пьезоэлемента 1 с токосъемниками 2, заключенных внутрь пьезокерамического корпуса-держателя 3, выполненного в виде оболочки, внутренняя стенка которой отстоит от наружной поверхности пьезоэлемента, поскольку материал корпуса и пьезоэлемента одинаков, при термообработке не возникают остаточные напряжения. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

Л

х/

Ф«е. /

7 6

Р. 2

ъ.4

&