Компактный пьезоэлектрический датчик

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Респубпик

К АВТОРСКОМУ СВИДИЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву я)м. кл.

Н 04 и 17/00 (22) Заявлено 110280 (21) 2881139/18-10 с присоединением Заявим МГосударственный комитет

СССР яо делам изобретений и открытий (23) Приоритет о

Опубликовано 301081 Бюллетень М 40 (З) АК 534.232 (088. 8) Дата опубликования описания 301081 с (71) Заявитель

Таганрогский радиотехнический институт им. В. Д. Калмыкова ных в одну систему и закрепленных в держателе. Пьезопластины разделены слоем злектроизолятора, а их обкладки подключены через сумматор и вычитающий блок к регистрирующему устройству. При этом с выхода сумматора получайт сигнал, пропорциональный сжатию пьеэопластин вдоль оси датчика, а с вычитающего блока — сигнал, характеризующий изгибные 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), Изобретение относится к технике виброизмерений и технике неразрушающего контроля, предназначено для исследования перемещений поверхностей по трем взаимно перпендикулярным осям и может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии для приема продольных, сдвиговых и рзлеевских волн,. а также для-измерения вибросмещения 1О твердых поверхностей.

Известны пьезоэлектрические датчики для измерения вибросмещений по какой-либо одной оси. Они состоят из корпуса, пьезоэлементов и инертной массы (1). с 15

Эти датчики имеют ряд существенных недостатков — сложность конструкции, необходимость использования при обработке снимаемых с них сигналов интегрирующих и других нелинейных це-. 20 пей, ухудшающих точность измерения, невозможность регистрации сигнала по двум и более осям, наличие параэитного поперечного эффекта, Известен также компонентный пьезо- 25 электрический датчик, свободный от перечисленных недостатков, с помощью которых можно регистрировать смещения по нескольким осям. Такой датчик состоит .из двух пьезопластин, склеен" 30

Однако в то же время датчику присущ ряд существенных недостатковневозможность измерения смещений по трем осям, сложность конструкции, низкая резонансная частота колебатель" ной системз датчика, так как пьезо,пластины в нем работают в режиме продольного сжатия и изгиба. Кроме того, обязательными элементами датчи.ка являются сумматор и вычитающий (5 4 ) КОМПОНЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

877795 элок, т.е. элементы, требующие для своей работы дополнительной энергии.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является компонентный пьезоэлектрический.датчик, содержащий присоединенную к держателю и рычагу круглую пьезопластину с нанесенными на одной из ее сто1 он четырьия электродами, попарно расоложенныии на взаимно перпендикулярных диаметрах симметрично относительно центра g3).

Яедостаток данного устройства заключается в необходимости использования сумматора и вычитающих блоков, что усложняет конструкцию датчика и требует для его работы потребления дополнительной энергии.

Цель изобретения - упрощение конструкции компонентного пьезоэлектрического датчика, Укаэанная цель достигается тем, что в пьезоэлектрический датчик введены два дифференциальных переменных конденсатора, а на противоположной стороне пьезопластины размещены идентичные электроды, с обеих сторон пьеэопластины 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.

Причем круговые электроды выполнены кольцевыми.

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчик, вид сбоку, на фиг. 2 разрезы A-A и Б-Б на фиг. 1 co схе-. мой включения.

Датчик состоит из пьеэопластины 1, установленной одной гранью на держа теле 2, на другой грани укреплен рычаг 3, прижатый в процессе измерений к исследуемой поверхности 4, На граНях пьезопластины расположены по пять .токопроводящих электродов 5-9 и 10-14, электроды 5 и 10 имеют круговую (кольцевую.) форму, а электроды 6-9 и 11-.14, например, сегментную и все электроды расположены попарно друг против друга 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 б и 8 соединены 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 Х часть пьезопластины 1, расположенная между электродами 8 и 13, будет сжиматься, а часть пьезопластнны, расположенная между электродами 6 и 11, будет растягиваться с такой же величиной от-, .носительной деформации.

Таким образом, заряды между электродами 8, 13 и 6, 11 будут равны по величине,.но противоположны по знаку .и соответственно получим, что

Ол 02 .

Электроды 8, 13 и 6, 11 соединены электрически последовательно таким образом, что 09--U -U . Следовательно, при деформации материала по оси Х напряжение будет пропорционально величис не этой деформации, т.е. будет характеризовать смещение по оси Х.

Напряжения между электродами I 12

20 и 9, 14 при этом будут близки к нулю и Щ=О.

Напряжение 0< также. будет равно нулю, так как одна половина пьезопластины при этом будет сжиматься, а дру

;25 гая растягиваться, и заряды, образованные в пьезокерамике, расположенной между электродами 5 и 10, будут взаимно компенсироваться.

Аналогично при деформации материала 4 в направлении оси Y напряжение

04 будет. пропорционально величине деформации, а напряжения Ug и 0 будут равны нулю.

При деформации материала 4 в поло- . жительном направлении оси 2 все участки пьезопластины 1 будут сжиматься H заряды между электродами б, 11, 7, 12, 8, 13 и 9, 14 будут иметь одинаковую величину и знак, Следовательно, U U H U>=U -0<=0 е Аналогично 0. TB1c40 же будет равно нулю. Конденсаторами.

15 и 16 выравнивают результирующую чувствительность участков пьезопластины 1, расположенных между электродами б, 11 и 8, 13 а также 7, 12 и 8, 13

4 так, чтобы 05 и 04 были равны нулю, йрй деформациях по оси Z, т.е. чтобы Qy = QQ и т.д. Напряжение

0, снимаемое с электродов 5 и 10, в этом случае будет пропорционально щ деформации, происходящей.по оси 2.

Таким образом, рассматриваемай датчик имеет ряд преимуществ по сравнению с имеющимся, Его конструкция значительно проще. При своей работе он не требует каких-либо дополнительных источников энергии, Операции суммирования.и вычитания отдельных составляющих выходных напряжений.осуществляются s самой пьезопластине, что позволяет дополнительно повысить точdg ность измерений. Ранее эти операции производились в электронных сумматорах и двух вычитающих блоках, основные параметры которых изменялись в разной степени при изменении темпера65 туры, напряжения питания и- других.де\

877795

ВНИИПИ Заказ 9650/86 Тираж 701 Подписное

° ВЮ

Филиал ППП Патент ., r.Óæåîðîä, ул.Проектная,4,стабилизирующих факторов. Упрощена коммутация пьезопластины датчика с остальной регистрирующей схемой, так как в предлагаемом устройстве во всех трех его выходах один из трех токоведущих проводов может быть заземпен, что улучшает, кроме того, помехозащищенность датчика.

Формула изобретения !О

1. Компонентный пьезоэлектрический датчик, содержащий присоединенную к держателю и рычагу круглую пьеэопластину с нанесенными на одной Из ее сторон четырьмя электродами, попарно . расположенными на взаимно перпендикулярных диаметрах симметрично отно-.сительно центра, о т л и ч а ю щ и и с я .тем, что, с целью упрощения конструкции, в него введены два диф- 20 ференциальных переменных конденсатора, а на противоположной стороне пьезопластины размещены идентичные электроды 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, о т л и ч аю шийся - тем, что круговые электроды выполнены кольцевыми.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Елюкин И.И., Колесников A.Е.

Акустические измерения в судостроении. Л., "Судостроение", 1966 с. 21.

2. Авторское свидетельство СССР

9 210503, кл, В 06 В 1/06 1968.

3. Авторское свидетельство СССР цо заявке 9 2758244/18-28, кл. Н 04 R 17/00, 1979 (прототип).