Пьезоэлектрический сумматор Советский патент 1982 года по МПК G06G7/14 

t

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в качестве сумматора скалярных и векторных электрических величин в широком диапазоне частот, а также как элемент аналоговых вычислительных систем в автоматизированных системах управления промышленными объектами.

Известны пьезоэлектрические сумматоры переменного электрического напряжения, содержащие монолитную или составную (клееную) керамическую основу. Конструктивно пьезоэлектрические сумматоры выполняются в виде диска, бруска, цилиндра и другой формы, на гранях или торцах которых попарно размещены входные и выходные электроды. При приложении синусоидального электрического напряжения к входным электродам за счет обратного пьезозффекта возникают бегущие волны смещения, деформации в количестве, соответствующем числу входных электродов. Если возбуждение колебаний происходит на линейном участке характеристики пьезоэлемента, то получим сложение потоков энергии в каждой точке возбуждаемого объекта. Выходной электрический сигнал из объема сумматора выводится с помощью выходного электрода, на котором за счет прямого пьезоэффекта индуцируется за10ред, пропорциональный суммарному значению механического напряжения, действующего в области расположения электрода tO15

Однако, несмотря на высокую точ-. ность суммирования, помехоустойчивость и широкий диапазон рабочих частот, пьезоэлектрические сумматоры не осуществляют пространствен2Qного (геометрического) сложения взаимноортогональных электрических величин, а лишь производят их алгебраическое суммирование. 3 Известен также пьезоэлектрический сумматор, состоящий из трех мехаш чески жестко соединенных между собой пьезоэлементов в виде трехслойной пластины, которая одним концом жестко закреплена в корпусе. Свободный конец пластины механически соединен с блоком регистрации де формаций, в качестве которого могут применяться, например, тензорезисторы, фоторезисторы и другие элементы, Кадцый слой пластины содержит попарно расположенные входные электроды, которые соединены с соответствующими источниками входных электрических сигналов. При подаче суммируемых напряжений на соответствующие пьезоэлементы происходит линейная деформация из пьез элементов. В результате этого пласт на прогибается, величина и направле ние прогиба регистрируются блоком р гистрации деформаций и преобразуются 8 выходной электрический сигнал 2 . Однако и этот пьезосумматор не позволяет геометрически суммироват электрические напряжения. К тому. же, устройство отличается сложност наличием дополнительного блока регистрации. Наиболее близким к предлагаемом по технической сущности является устройство, в котором пьезоэлемент выполнен в виде куба, на гранях У и Z которого размещены попарно входные электроды, а на третьей па ре граней - выходные. На электроды расположенные по осям У и Z, подаются суммируемые напряжения, под действием которых за счет обратного пьезоэффекта возникают упругие колебания. В результате их вза модействия в объеме куба возникают деформации и с выходных электродов за счет прямого пьезоэффект снимается напряжение, амплитуда и частота которого соответственно равны сумме амплитуд и частот вход ных напряжений. Данный сумматор позволяет геометрически суммироват электрические напряжения Г 3 . Однако этот пьезоэлектрический сумматор осуществляет геометрическое суммирование лишь двух электри ческих напряжений и притом только в одной плоскости. Этот сумматор не осуществляет геометрического су мирования электрических напряжений, расположенных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, т.е. не определяет модуль вектора напряжения в пространстве. Цель изобретения - расширение класса решаемых задач. Указанная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом сумматоре, выполненном в виде многограньшка из пьезоэлектрического материала, три смежные грани которого имеют форму квадрата, и на двух из них размещены первые электроды двух пар входных электродов, три другие грани многогранника выполнены в виде прямоугольных равнобедренных треугольников, примыкающих катетами к сторонам граней, имеющих форму квадрата, плоскость, ограниченная гипотенузами прямоугольных равнобедренных треугольников, образует седьмую грань многогранника, на которой размещен выходной электрод, на третьей грани многогранника, имеющей форму квадрата и, противоположной ей грани, выполненной в виде прямоугольного равнобедренного треугольника, размещена пара дополнительных входных электродов, .причем вторые электроды двух пар входных электродов размещены на гранях, выполненных в виде прямоугольного равнобедренного треугольника, противоположных граням, имеющим форму квадрата. На фиг. 1 изображена конструкция пьезоэлектрического сумматора} на фиг. 2 - амплитудные характеристики пьезоэлектрического сумматора; Пьезоэлектрический сумматор состоит из пьезоэлемента 1, выполненного в виде MHororpaHifflKa, например, из материала цирконататитаната свинца, на гранях которого одним из известных способов, например металлизацией, нанесены попарно три пары входных электродов 2-4. Выходной электрод 5 размещен на плоскости, например, проходящей через диагонали трех смежных граней многогранника. Сумматор работает следующим образом. На входные электроды 2-4 пьезосумматора соответственно подаются входные напряжения, сдвинутые в пространстве между собой на 90 , За счет обратного пьезоэффекта пьеэоэлемент 1 возбуждается, и это вызы вает пространственную деформацию. На выходном электроде 5 за счет пр мого пьезоэффекта генерирует напря жение, пропорциональное геометрической сумме трех ортогональных входных напряжений. Работу сумматора можно описать следующим выражением: БЫХ- К О(,А(К jU), где и. ,и,,и - соответственно вход ные напряжения; и - суммарное выходное Вых напряжение, пропорци ональное модулю век тора напряженияj к ,к ,к - соответственно коэффициенты трансформации по входным каналам, определяющие связь по напряжению между выходом и каждым из входов. Величины коэффициентов определяются геометрией электродов, отношениями площадей вход.шгх и выходного электрода, параметрами материала пьезоэлемента. Размещение на третьей паре граней пьезосумматора дополнительной пары входных электродов позволяет подавать на входные электроды три взаимноперпендикулярных электрических сигнала, а размещение выходного электрода на плоскости, проходящей через диагонали трех смежных граней пьезоэлемента, позволяет обе печить равенство коэффициентов тран |формации по трем входным каналам, зависящего от соотношения площадей (входных и выходных электродов при геометрическом суммировании трех ,входных напряжений в пространстве. На фиг. 2 представлены экспериментальные кривые амплитудных харак теристик сумматора с сечением, проходящим через диагонали трех смежных граней куба. Кривые 6-8 характеризуют работу сумматора при подаче сигнала отдель но на каждый вход. Кривая 9 - при подаче сигнала одновременно на три входа. Здесь же пунктиром показана кривая, построенная на основе расче ных данных. Характеристики предложенного пьезосумматора (см. фиг. 2 4А линейны (с неравномерностью не более +0,11) в диапазоне входных напряжений 20-100 В. Таким образом, в предложенном сумматоре значительно расширяется класс решаемых задач, т.е. обеспечивается геометрическое суммирование трех ортогональных напряжений, следовательно, определение модуля вектора напряжения в широком диапазоне частот. Устройство сохраняет высокую точность, стабильность, помехоустойчивость, малые габариты и высокую надежность, Кроме того, оно позволяет подавать на вход большие напряжения (до десятков кв) и перекрывать широкий динамический диапазон. При этом минимальное значение входного сигнала составляет величину 10 В/мм. Создание таких сумматоров позволяет, в частности, разработать трехкоординатный измеритель напряженности переменного электрического поля. Формула изобретения Пьезоэлектрический сумматор, выполненный в виде многогранника из пьезоэлектрического материала, три смежные грани которого имеют форму квадрата, и на двух из них размещены первые электроды двух пар входных электродов, отличающийс я тем, что, с целью расширения класса решаемых задач, три другие грани многогранника выполнены в виде прямоугольных равнобедренных треугольников, примыкающих катетами к сторонам граней, имеющих форму квадрата, плоскость, ограниченная гипотенузами прямоугольных равнобедренных треугольников, образует седьмую грань многогранника, на которой размещен выходной электрод, на третьей грани многогранника, имеющей форму квадрата, и противоположной ей грани, выполненной в виде прямоугольного равнобедренного треугольника, размещена пара дополнительных входных электродов, причем вторые электроды двух пар входных электродов размещены на гранях, выполненных в виде прямоугольного равнобедренного треугольника, противоположных граням, имеющим форму квадрата. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I. Плужников В.М., Семенов B.C. Пьеэокерамические твердые схемы М., Энергия, 1971. 89 84448 2.Авторское свидетельства СССР № 413492, кл. G 06 G 7/14, 1974. 3.Авторское свидетельство СССР № 256829, кл. G 06 G 7/14, 1968 5 (прототип).