Пьезоэлектрический преобразователь изгибных деформаций в электрический сигнал Советский патент 1982 года по МПК H01L41/08 

(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗГИБНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ

1

Изобретение относится к измерительтехнике, а именно к приборам, предназначенным для измерения параметров вибраций, колебаний почвы, машин и механизмов.

Известен пьезоэлектрический преобразователь изгибных деформаций, который состоит из двух склеенных пьезокерамических пластин. Между пьезокерамическими пластинами часто помещают пластину из упругого материала 1.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является пьезоэлектрический преобразователь изгибных деформаций в электрический сигнал, выполненный в виде пьезокерамической пластины с электродами на основных поверхностях, закрепленной в корпусе. Пьезокерамическая пластина прикреплена к упругой мембра,ле 2.

Чувствительность известных преобразователей изгибных колебаний невысока и зависит от того, где расположен так называемый нейтральный слой. Чем ближе нейтральный слой к оси симметри пьезоэлемента, тем меньше чувствительность, которая

также зависит от толщины и упругих свойств мембраны и пьезокерамической пластины.

Кроме того, конструкция активного элемента, многослойна. Чаще всего пьезоэлементы собирают в биморфную или многослойную конструкцию при помощи клея, при этом чувствительность и прочность преобразователей будет уменьшаться с увеличением толщины слоя клея. Пустоты и воздущные пузыри в слое клея также отрица Q тельно влияют на параметры преобразователя.

Чувствительность преобразователя, например балки, обратно пропорциональна толщине пьезоэлемента, а при существующей технологии изготовления биморфных 15 и многослойных преобразователей изгибных колебаний толщина преобразователей не может быть менее 0,6 мм.

Цель изобретения - повышение чувствительности и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что

20 в пьезоэлектрическом преобразователе изгибных деформаций в электрический сигнал, выполненном в виде пьезокерамической пластины с электродами на основных поверхностях, закрепленной в корпусе, электроды пьезокерамическои пластины разделены на два идентичных участка и образуют две секции преобразователя с противоположным направлением поляризации. Электроды каждой секции электрически соединены между собой. Наличие двух секций в активном элементе преобразователя с поляризацией, имеющей направление, позволило регистрировать изгибные колебания с монолитной пластины, т. е. двух или многослойный , .. -j--- -- - -активный элемент для приемников изгибных колебаний предлагается заменить на двухсекционный. Двухсекционный приемник по сравнению с биморфом имеет в две и более раз меньще толщину, что дает выигрыщ в чувствительности в самом простейщем случае приемника в виде балки, жестко закрепленной из одно.м конце :и свободной на другом, в два и более раз. Изготовление монолитных пьезоэлектрических пластин вместо биморфов не приводит к каким-либо новым дополнитель1 ым технологическим операциям. Технологни секционного нанесения электродов известна и несложна. Отсутствие операции соединения пьезоэлементов в биморф сокрац;ает технологическую цепочку изготовления, при этом трудоемкость изготовления уменьщается, а процент выхода годных изделий увеличивается. На фиг. 1 изображен предлагаемый преобразователь; на фиг. 2 - дисковый преобразователь, жестко закрепленный по контуру, электроды которого разделены по диаметру, на фиг. 3-5 - преобразователь в форме пластины, жестко закрепленной с двух параллельных сторон, свободной с двух других, три варианта разделения электродов на симметричные: продольный, поперечный, диагональный. Преобразователь 1 разделен на две секции 2 и 3, имеющие различную по направлению поляризацию (направление векторов поляризации показано стрелка.ми), два электрода 4 секции 1 также, как электроды 5 секции 2, могут быть соединены между собой. Преобразователь изгибных деформаций работает следующим образом. Под действием изгибной механической нагрузки происходит деформация пьезокерамическои пластины, причем верхние волокна растягиваются, а нижние сжимаются, а так как секции 2 и 3 поляризованы в разные стороны на электродах 4 генерируется заряд одного знака, а на электродах 5 другого. Соединяя электроды как показано на фиг. 1, можно зарегистрировать электрический сигнал, пропорциональный действующей изгибной деформации. Деление электродов на два симметричных и равных по площади производят в зааисимости от способа крепления преобразователя в корпусе приемника. При симметричном закреплении, например при жестком закреплении по контуру, распределение генерируемого заряда по площади активного преобразователя также симметрично. В этом случае возможно продольное, поперечное и диагональное деление электродов. При несимметричном закреплении, например балка, один конец которой свободен, а другой жестко закреплен, существует предпочтительный продольный вариант разделения электродов. Чаще всего в приемниках механических колебаний преобразователь жестко закрепляют по всему контуру, либо закрепляют две параллельные стороны. Предлагаемый преобразователь для регистрации низкочастотных сигналов ввиду монолитного изготовления может применяться как для регистрации очень высоких уровней сигналов, так и для .маломощных. При регистрации мощных сигналов механичес., -. -кая прочность предлагаемых приемников значительно увеличивается из-за отсутствия клеевого слоя. При регистрации слабых сигналов активный элемент можно изготовить очень тонким, по существующей отечественной технологии минимальная толщина пьезоэлемента h 0,33 мм. Проведены лабораторные испытания двух вариантов предлагаемого преобразователя. В первом варианте преобразователь имеет геометрические размеры 30 X 5 X 1 мм. Преобразователь жестко закрепляют на одном конце, а на другом конце действует переменная сила F FO to.ti При одной и той же возбуждающей силе выходное напряжение биморфа составляет 0,18 В, а предлагаемого приемника 0,42 В. Во втором варианте дисковый приемник 40 X 1 мм жестко закрепляют по контуру. Пластину разделяют на две секции по диа.метру. Возбуждающую силу прикладывают к центру пластины. При всех одинаковых условиях возбуждения и регистрации выходного напряжения у прототипа оно составляет 0,025 В, а у предлагаемого преобразователя 0,32 В. При этом следует отметить, что в предлагаемом чувствительном элементе по сравнению с прототипом уменьщается его собственная электрическая емкость. Однако это не приводит к трудностям согласования элемента с последующими электрическими цепями, если он включен на вход эмиттерного повторителя с больщим входным сопротивлением -5-10 ГОм. Использование предлагаемого пьезоэлектрического преобразователя изгибных деформаций в электрический сигнал увеличивает чувствительность в области рабочих частот в 2-10 раз при упрощении конструкции и увеличении механической прочности по сравнению с биморфом. Он может быть использован в приемниках, измеряющих различные физические величины: скорость, ускорение, деформации, гидроакустическое и акустическое давление. Формула изобретения 1. Пьезоэлектрический преобразователь изгибных деформаций в электрический сигнал, выполненный в виде пьезокерамичес-1 кой пластины с электродами на основных поверхностях, закрепленной в корпусе, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения конструкции, электроды пьезокерамической пластиГ

у./

J

фуг. 2 ны разделены на два идентичных участка и образуют Аве секции преобразователя с противоположным направлением поляризации. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что электроды каждой секции электрически соединены между собой. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1- Ультразвуковые преобразователи. Под ред. Кикучи. М., «Мир, 1972, с. 258. 2. Пьезоприемники давления НИИ механики и прикладной математики Ростовского -на-Дону Государственного университета, Изд-во Ростовского университета, 1976 (прототип).

Ф1/г.