Компактный пьезоэлектрический датчик Советский патент 1981 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к технике виброиэмерений и технике неразрушающ го Контроля, предназначено .для иссле дования перемещений поверхностей по трем взаимно перпендикулярным осям и может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии для приема пр дольных, сдвиговых и рэлеевских волн а также для измерения вибросмещения твердых поверхностей,. Известны пьезоэлектрические датчики для измерения вибросмещений по какой-либо одной оси. Они состоят из корпуса, пьезоэлементов и инертной массы ,1j, . Эти датчики имеют ряд существенйых недостатков - сложность конструкции, необходимость использования при обработке снимаемых с них сигналов интегрирующих и других нелинейных цепей, ухудшайщих точность измерения, невозможность регистрации сигнала по двум и более осям, наличие паразитного поперечного эффекта. Известен также компонентный пьезоэлектрический датчик, свободный от перечисленных недостатков, с помощью которых можно регистрировать смещения по нескольким осям. Такой датчик состоит из двух пьезопластин г склеенных в одну систему и закрепленных в держателе. Пьезопластины разделены слоем электроизолятора, а их обкладки подключены через сумматор и вычитающий блок к регистрирующему устройству. При этом с выхода сумматора получайт сигнал, пропорциональный сжатию пьезопластин вдоль оси датчика, а с вычи-тающего блока - сигнал, характеризующий изгибине деформации датчика деформация сжатия компенсируется . Таким образом, данный датчик регистрирует смещения по двум взаимно перпендикулярным осям. При добавлении к этой системе пластин аналогичной системы, ориентированной в перпендикулярном направлении, датчик дает возможность регистрировать три компоненты поля смещения 2 J. Однако в то же время датчику присущ ряд существенных недостатков невозможность измерения смещений по трем осям, сложность конструкции, низкая резонансная частота колебательной система датчика, так как пьезо.пластины в нем работают в режиме проольного сжатия и изгиба. Кроме того, обязательными элементами датчика являются сумматор и вычитающий ллок, т.е. элементы, требующие для своей работы дополнительной энергии. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является компонентный пьезоэлектрический датчик, содержащий присоединенную к дер жателю и рычагу круглую пьезопластину с нанесенными на одной из ее сторон четырьмя электродами, попарно ра пол оженныг-ш на взаимно перпендикуляр ных диаметрах симметрично относитель но центра Гз. Недостаток данного устройства заключается в необходимости использова ния сумматора и вйчитающйх блоков, что усложняет конструкцию датчика и требует для его работы потребления дополнительной энергии. Цель изобретения - упрощение конструкции компонентного пьезоэлектрического датчика. Указанная цель достигается тем, что в пьезоэлектрический датчик введены два дифференциальных переменных конденсатора, а на противоположной стороне пьёзогшастины размещены иден тичные электроды, с обеих сторон пье зопластины концентрйчио с ней нанесены идентичные круговые электроды, причем диаметрально противоположные электроды, расположенные на одной cTOpdtje пьезопластины, соединены с крайними пластинами соответствующих дифференциальных переменных конденсаторов, а расположенные на другой стороне соединены попарно между собой и со средними пластинами соответ ствующих дифференциальных конденсаторов. . . Причем круговые электроды выполне ны кольцевыми. На фиг. 1 представлен предлагаемлй датчик, вид сбоку, на фиг. 2 разрезы А-А и Б-Б на фиг. 1 со схемой включения. Датчик состоит из пьезопластины 1 установленной одной гранью на держателе 2, на другой грани укреплен рычаг 3, прижатый в процессе измерений к исследуемой поверхности 4, На гранях пьезопластины расположены по пят .токопроводящих электродов 5-9 и 10-1 электроды 5 и 10 имеют круговую (кол цевую форму, а электроды 6-9 и 11-1 например, сегментную и все электроды расположены попарно друг против друг по обеим сторонам пьезопластины. Электроды 11 и 13 соединены со средней пластиной дифференциального конденсатора 15, а электроды 12 и 14 со средней пластиной такого же конденсатора 16. Электроды 6 и 8 соедииены с крайними пластинами конденсатора 15, а электроды 7 и 9 с крайними пластинами конденсатора 16. Датчик работает следующим образом, При деформации материала 4 в положительном направлении оси X часть пьезопластины 1, расположенная меяаду электродами В и 13, будет сжиматься, а tJacTb пьезопластины, расположенная между электродами 6 и 11, будет растягиваться с такой же величиной от.носительной деформации. Таким образом, заряды между электродами 8, 13 и б, 11 будут равны по величине,.но противоположны по знаку и соответственно получим, что -U2. Электроды 8, 13 и 6, 11 соединены электрически последовательно таким образом, что Следовательно, при деформации материала по оси X напряжение будет пропорционально величич не этой деформации, т.е. будет характеризовать смещение по оси X. Напряжения между электродами 7, 12 и 9, 14 при этом будут близки к нулю и . Напряжение Ug- также.будет равно нулю, так как одна половина пьезопла(тины при этом будет сжиматься, а дру гая растягиваться, и заряды, образованные в пьезокёрамике, расположенной между электродами 5 и 10, будут взаимно компенсироваться. Аналогично при деформации материала 4 в напрайлении оси Y напряжение и4 будет пропорционально величине деформации , а напряжения U и 1) будут равны нулю. При деформации Материала 4 в nojCOжительном направлении оси Z все участки пьезопластины 1 будут сжиматься и заряды между эле ктродами 6, 11,7, 12, 8, 13 и 9, 14 будут иметь одинаковую величину и знак. Следовательно, и. U/ji и и . Аналогично 114 также будет равно нулю. Конденсаторами 15 и 16 выравнивают результирующую чувствительность участков пьезопластины if расположенных между электродами 6, 11 и 8, 13, а также 7, 12 и 8, 13 так, чтобы УЗ и U4 были равны нулю, при деформациях по оси Z, т.е. чтобы 0 Я т.д. Напряжение U, снимаемое с электродов 5 и 10, в этом случав будет Пропорционально деформации, происходящей по оси Z. Таким образом, рассматриваемый датчик имеет ряд преимуществ по сравнению с именнцимся. Его конструкция значительно проще. При своей работе он не требует каких-либо дополнительных источников энергии. Операции суммирования, и вычитания отдельных составлякяадх выходных нап|)яжений .осуществляются в самой пьеэопластине, что позволяет дополнительно повысить точность измерений. Ранее эти операции производились в электронных сумматорах и двух вычитающих блоках, основные параметры которых иэмен/шись в разной степени при изменении температуры напряжения питания и других до.стабилизирующих факторов. Упрощена коммутация пьеэопластины датчика с остальной регистрирующей схемой, так как в предлагаемом устройстве во все ,трех его выходах один из трех токоведущих проводов может быть заземлен что улучшает, кроме того, помехозащищенность датчика. Формула изобретения 1. Компонентный пьезоэлектрический датчик, содержащий присоединенную к держателю и рычагу круглую пьезопластину с нанесенными на одной и её сторон четырьгля электродами, попарно расположенными на взаимно перпенди куляр11Ьх диаметрах симметрично отно- сительно центра, отлич ающий с я тем, что, G целью упрощения конструкции, в него введены два дифференциальных переменных конденсатора, а на противоположной стороне пье зопластины размещены идентичные элёктроды с обеих сторон пьезопластины концентрично с ней нанесены идентичные круговые электроды, причем диаметрально противоположные электроды, расположенные на одной стороне пьезопластины, соединены с крайними пластинами соответствующих дифференциальных переменных конденсаторов, а расположенные на другой стороне соединены попарно между собой и со средними пластинами соответствующих дифференциальных конденсаторов. 2. Датчик по п. 1, отличающийся- тем, что круговые электроды выполнены кольцевыми. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. Л., Судостроение, 1966, с, 21. 2.Авторское свидетельство СССР 210503, кл. В 06 В 1/06, 1968. 3.Авторское свидетельство СССР по заявке 2758244/18-28, кл. Н 04 R 17/00, 1979 (прототип).