Пьезоэлектрический сумматор Советский патент 1982 года по МПК G06G7/14 

(5А) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СУММАТОР

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение в качестве сумматора скалярных и векторных электри ческих величин в широком диапазоне частот. Оно может быть использовано также как элемент аналоговых вычислительных систем и в автоматизирован ных системах управления промышленными объектами. Известны пьезоэлектрические сумма торы переменного электрического напряжения , содержащие монолитную или составную (;клеенну1о) керамическую ос нову. Конструктивно пьезоэлектрические сумматоры выполняются в виде дис ka, бруска, цилиндра и другой формы, на гранях или торцах которых попарно размещены входные и выходные элек троды. При приложении синусоидального электрического напряжения к входным электродам за счет обратного пье зоэффекта возникают бегущие волны смещения, деформации в количестве, соответствующем i числу входных электродов. При возбуждении колебаний на линейном участке характеристики пьезоэлемента получаем сложение потоков энергии в каждой точке возбуждаемого объекта. Выходной электрический сигнал, таким образом, пропорционален суммарному значению входных напряжений Cl . Однако, несмотря на высокую точность суммирования, помехоустойчивость и широкий диапазон рабочих частот, пьезоэлектрические сумматоры проводят лишь алгебраическое суммирование, не осуществляя геометрического ( пространственного) сложения взаимоортогональных электрических величин. Известен пьeзoэлel tpичecкий сумматор, состоящий из трех механически жестко соединенных между собой пьезоэлемент рв в виде трехслойной пластины, которая О/5НИМ концом жестко закреплена в корпусе. Свободный конец

пластины механически соединен с блоком регистрации :деформации, в каместве которого могут применяться, на пример, тензорезисторы,. фоторезисторы и другие элементы. Каждый слой j пластины содержит попарно расположенные входные электроды, которые соединены с соответствующими источниками входных электрических сигна- лов. При подаче суммируемых напряже- ю НИИ на соответстаукнчие пьезоэлементы происходит линейная деформация каждого из пьезоэлементов.; В резуль тате этого пластина прогибается, величина и напряжение прогиба -регистри- и руется блоком регистрации деформации и преобразуется в .выходной электрический сигнал 2. . . ;

Однако этот- пьезосумматор не позволяет геометрически суммирр.вать элек- О трические напряжения. Наряду с этим устройство характеризуется сложностью, наличием дополнительного блока регистрации. .

Наиболее близким по технической . 25 сущности к предлагаемому является пьезоэлектрический сумматору состоящий из пьезоэлемента, выполненного в виде многогранника, на гранях которого нанесены попарно три пары входных элек тродов. Выходной электрод размещен на плоскости, проходящей через диаго нали, трех смежных граней многогранни ка. Сумматор работает следующим образом, на входные электроды пьезосуиматора соответственно подаются входные напряжения, сдвинутые в пространстве между собой на 90°. За счет обратного пьезоэффекта пьезоэлемент возбуждается и это вызывает пространственную деформацию. На выходном электроде за счет прямого.пье зоэффекта генерируется напряжение, пропорциональное геометрической сумм трех ортогональных входных напряжений f 3 J. Основными недостатками данного пьезоэлектрического сумматора являются; нелинейность компонент электрического поля в объеме пьезоэлектрика вследствие асимметрии входных электродов, что приводит к понижению точности суммирования; относительная сложность конструкции, что проявляет ся в необходимости искусственного вы деления выходного суммирующего электрика; отсутствие полной гальваничес кой развязки между входными и выходными электродами, что приводит к

понижению функциональной надежности сумматора (т.е. к повышению погрешности передачи информации или сигналов). .

Цель изобретения - повышение точности суммирования и расширение области применения сумматора за счет выполнения векторного суммирования.

Поставленная цель.достигается тем что в пьезоэлектрическом сумматоре, выполненном в виде многогранника из пьезокерамического материала, три смежные грани которого -имеют форму квадрата, а на противоположных его гранях расположены попарно входные и выходные электроды, многогранник выполнен в виде куба, причем пьезокерами.ческий сумматор- снабжен дополнительными входным и выходным электродами, выполненными в виде треуголных пирамид, вершины которых расположены в диаметрально противоположных вершинах куба, а их боковые грани размещены в трех взаимоперпендикулярных прилегающих к вершине гранях куба.

На фиг. 1 показана конструкция пьезоэлектрического сумматора; на -фиг. 2 - схема его подключения в измерительную цепь.регистрирующего приПьезоэлектрический сумматор состоит из пьезоэлемента 1, выполненного в виде куба из пьезокерамического материала, на гранях которого одним из извесл ных способов, например металлизацией,, нанесены входные электроды 2-7 и выходные электроды 8-13. Входная и выходная цепи конструктивно по отношению друг, к другу симметричны. Каждая их этих цепей содержит, один объемный и три плоских электрода. Объемный электрод представляет собой треугольную пирамиду, вершина которой совпадает с одной из вершин куба, а боковые грани лежат в трех его взаимоперпендикулярных плоскостях. На каждую из этих плоскостей нанесены гальванические связанные друг с другом электродные секции: для входной цепи 2, и 6 и для выходной цепи 8, 9 и 12 соответственно. Вершины входного и вмходного объемных электродов расположены на диагонали куба. Каждой из составляющих частей пространственных электродов соответствуют электроды

3, 5. 7 и 10,. И, и, расположенньо на.противоположных гранях куба.

Во входной цепи эти электроды гальванически не связаны, а в выходной цепи объединены в одну линию (фиг.2).

Сумматор работает следующим образом.

На входные электроды 3, 5 и 7 относительно общего пространственного электрода подаются напряжения }-, (i и и 3 сдвинутые между собой в пространстве на 90°. За счет обратного пьезоэффекта пьезоэлемеит возбуждается, вследствие чего в нем возникает пространственная деформация. Эта деформация вызывает смещение той диагонали- куба, которая пересекает вершины входного и выходного пространственных электродов. Смещение диагонали вызывает альтернативную деформацию выходной части куба, вследствие чего на его электродах относительно выходного пространственного электрода (фиг.2} за счет прямого пьезоэффекта наводится ЭДС Е , равная ге метрической сумме входных напряжений Симметричная конструкция входных и выходных, электродов и их полное гальваническое разделение обеспечивают высокую линейность преобразования, постоянство коэффициентов преобразования, а также помехоустойчивость, и исключение влияние входной измерительной цепи на выходную и наоборот. Предлагаемое устройство сохраняет все преимущества известных пьезоэлек трических сумматоров: высокую точность, стабильность, помехоустойчивость, малые габариты и высокую надёжность. Кроме того, оно позволяет

подавать на вход большие напряжения (до десятков киловольт j и п.ерекрывать широкийдинамический диапазон Исполбзование предлагаемых сумматоров позволяет, в частности; создавать измеритель напряженности переменного электрического поля.

формула изобретения

Пьезоэлектрический сумматор, выполненный в виде многогранника из пьезокерамического материала, три смежные грани которого имеют форму квадруата, а на противоположных его гранях расположены попарно входные и выходные электроды, от ли ч а ющ и и с я тем, что, с цедью повышения точности суммирования и расширения области применения сумматора за счет выполнения векторного суммирования, многогранник выполнен в (е куба, причем пьезоэлектрический сумматор снабжен дополнительными входным и выходным электродами. выполненными в виде треугольных пирамид, вершины которых расположены в диаметрально противоположных, вершинах куба, а их боковые грани размещены в трех взаимоперпендикулярных прилегающих к вершине гранях куба. Источники информации, принятые.во внимание при экспертизе 1 .Плужников 3. М., Семенов В. С. Пьезокерамические твердые схемы. М. , Энергия, 1971. 2. Авторское свидетельство СССР , кл. G 06 G УЛ, 1972. 3- Авторское свидетельство СССР по заявке № 28512 +5/18-2, ; кл. G 06 G 7/Н, 1980 (прото гип; ;

фиг. г