Пьезоэлектрический преобразователь /его варианты/ Советский патент 1982 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измери- , тельной технике.

Известны пьезоэлектрические преобразователи, представляющие собой плоский пьезоэлемент, выполненный из пье.зокерамического материала в виде пластины, диска или кольца с электродами на больших поверхностях, ё ряде конструкций пьезоэлементЬа, соединенные электрически последовательно или параллельно, собраны в пакет. В силоизмерительных датчиках пьезоэлемент или пакет пьезоэлементов размещены между корпусом и мембраной, передающей на них измеряемое усилие, а в акселерометрах - между корпусом и инерционной массой Еij

Недостатком этих преобразователей является то, что из-за различия модулей упругости пьезоматериала и материала корпуса, мембраны или инерционной массы поперечные деформации пьезоэлемента затруднены. Это приводит к потере чувствительности пьезопреобразователя и всего датчика в целом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь, в котором пьезоэле- мент размещен между- двумя прокладками, изготовленными из материала, модуль упругости которого не превышает модуля упругости пьезокерамики, например латуни. В этом случае стесненную поперечную деформацию испытывают прокладки, а не пьезоэлемент f2.

Недостатком этого преобразователя является то, что выигрыш в чувствител ности преобра зователн, получаемый таким методом, небольшой, так как коэффициент Пуассона всех сплошных тел не выше 0,5.

Цель изобретения - повышение рабочей чувствительности (коэффициента преобразования) пьезоэлектрического преобразователя.

Поставленная цель достиг ается тем, что в пьезоэлектрическая преобразователе, содержащем пьезоэлемент, размещенный между двумя прокладками,последние изготовлены в виде гофрированных пластин.

Прокладки могут быть выполнены в виде металлической или стеклянной сетки.

Прокладки могут быть выполнены в виде плетеных сеток или мелких сводов, поставленных один подле другого, причем поперечная жесткость этих упругих теп ниже поперечной жесткости пьезоэлемента, а абсолютное значение отно сительной деформации вдоль плоскости контакта е ньезрэлементов к относительной деформации по толщине щзокла ки выше 0,5. Упомянутые упругие тела под действием внешней силы имеют бол ;яую поперечную деформацию, чем пьезо элемент, В результате этого на грани пьезоэлемент-прокладка появляются та генциальные силы, а вместе с ними в объеме пьезоэлемента появляются поперечные механические напряжения, возбуждающие поперечный пьезоэффект и общий сигнал пьезоэлемента существенно увеличивается. Дополнительный сигнал, генерируемый поперечны- ми механическими напряжениями тем выше, чем больше коэффициент ПуассоНД прокладки. На чертеже приведена принципиальная конструкция предлагаемого преобразователя. Предлагаемый преобразователь состоит из пьезоэлемента 1, расположенного между двумя гофрированными прок ладками 2 Лдл-й получения большого выигрыша в чувствительности гофрирование сделано в .двух взаимоперпендикулярных направлениях). Как показывает расчет, чувствительность Q/F силоизмерительного пьезопреобразователя, состоящего из пьезоэлемента, размещенного между двумя прокладками зависит от соотно шения упругих свойств материалов пьезоэлемента и проклад ки... -а . .. и; F (1)ь+1)ЕкСИК))п Пде Е и VK /1 и Vvi - вет ст вен но модули Юнга и коэффициенты Пуассо на материалов пьезоэлемента и прокладки Н И 211 -толщины прокладки и пьезо элемента; -продольный и Ъ поперечный пьезомодули. Если-в преобразователе в качестве прокладок установить, например, оргстекло (Еп1 0,210 кгс/см , Vji 0-, 38), модуль упругости которого значительно ниже модуля упругости пь зо1 ерамики, то чувствительность пьезоггреобразователя дополнительно увеличитсяи.,.. , ,,. .1, ,2, & -ь Из, так как Еу1« ЕКАнализ формулы (2) показывает, чт существует возможность дальнейшего повышения чувствительности силоизмерительного пьезопреобразователя за счет вариации коэффициента Пуассона прокладки. Однако для всех известных атериалов Vy, 5 О , 5 . В предлагаемом преобразователе пьезоэлемент размещается между упругими конструкциями, поперечная жесткость которых ниже поперечной жесткости пьезоэлемента (член при с1з-)0) и наряду с этим, абсолютное значение отношения относительной деформации вдоль плоскости контакта с пьезоэлементом к относительной деформации вдоль направления действия силы (аналог коэффициента Пуассона для спло.шных тел) вьше 0,5, например гофрированными пластинами или плетеными сетками или мелкими сводами,расположенными друг подле друга. . В этом случае член при может быть увеличен более, чем в 3 раза и общая чувствительность преобразователя заметно возрастает. Для пластины, гофрированной по одному из размеро в, аналог коэффициента Пуассона .равен cfcgof, где оС - половина угла гофрирования V в зависимости от угла об .может изменяться в самых широких пределах от О .доо Очевидно, что для таких конструкций, как концентрическая гофрированная пластина плетеная сетка, представляющая собой систему гофрированных проволочек, купола различной формы, которые в сечении являются также гофрами, параметр можно изменять в широких пределах и,используя их в качестве прокладок, повышать чувствительность силоизмерит ельных пьезопреобразователей. Достоинством прокладок в виде сеток является простота их изготовления, так как сетки выпускаются отечественной промышленностью. Монолитная гофрированная пластина более прочна, чем сетка. Перфорирование монолитной пластины облегчает ее гофрирование при изготовлении концентрических гофров, позволяет уменьшить угол гофра без разрушения пластинки. Преимуществом прокладок в виде мелких куполов, поставленных один подле другого, является возможность с по- . мощью набора однотипных куполов делать прокладки для любого типоразмера пьезоэлементов. Формула изобретения 1.Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезоэлемент, расположенный между двумя прокладками,о тл и чаю щ.и и с я тем, что, с целью повышения рабочей чувствительности пьезопреобразовахеля, прокладки выполнены в виде гофрированных пластин 2,Преобразователь, содержащий пьезоэлемент, расположенный между двумя прокладками, отличаю,Щ И и с Я тем, что, с целью повышения рабочей Ч5шствительности пьезопреобразователя, прокладки вьшолнены в виде металлической или стеклянной сетки.

3. Преобразователь, содержащий пьезоэлемент, расположенный между двумя прокладками, отличающийся тем, что, с целью повышения рабочей чувствительности пьезопреобразователя, прокладки выполнены в виде отдельных мелких сводов, расположенных один подле другого.

.Источники.информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Иоршя Ю.и..Виброметрия. М., Гос. Науч. техн. изд-во машинострои лит-ры, 1963, с. 563-5 9.

2.Авторское свидетельство СССР № 371517, кл. G 01 Р 15/08, 1973 (прототип),